某商用車?yán)鋮s系統(tǒng)一維數(shù)值分析與性能優(yōu)化

劉寧等

摘要：利用一維數(shù)值分析與整車熱平衡試驗(yàn)解決某車型發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度過(guò)高的問(wèn)題。以整車許用環(huán)境溫度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考慮發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架熱平衡數(shù)據(jù)為邊界，搭建整車?yán)鋮s系統(tǒng)換熱分析模型并基于整車熱平衡試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定。通過(guò)分析得出風(fēng)量是影響許用環(huán)境溫度的主要因素，從風(fēng)扇性能優(yōu)化與空氣側(cè)流通條件改善兩方面提高某車型許用環(huán)境溫度。結(jié)果表明：外特性最大扭矩點(diǎn)工況下，新型無(wú)輪轂風(fēng)扇提高許用環(huán)境溫度2.5℃；前下?lián)蹙W(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與空濾器右置方案分別提高許用環(huán)境溫度1.7℃和2.4℃，經(jīng)過(guò)優(yōu)化該車許用環(huán)境溫度滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：一維；冷卻系統(tǒng)；許用環(huán)境溫度；性能優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2018）01-0059-06

前言

一維仿真方法在冷卻系統(tǒng)部件匹配與參數(shù)設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用，能有效縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期與節(jié)約成本。針對(duì)道路試驗(yàn)反饋某車型發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)水溫過(guò)高的問(wèn)題，分析其原因是該車匹配大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)后現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)散熱能力不足。本文利用一維仿真方法，考慮整車許用環(huán)境溫度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定了以提高風(fēng)量作為改進(jìn)方向，最后通過(guò)整車熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)效果，較好的解決了發(fā)動(dòng)機(jī)水溫過(guò)高的問(wèn)題。

1冷卻系統(tǒng)建模與分析

1.1發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架熱平衡試驗(yàn)

為準(zhǔn)確獲取發(fā)動(dòng)機(jī)各部件散熱量數(shù)值，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架熱平衡試驗(yàn)，試驗(yàn)場(chǎng)景如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)總成不帶風(fēng)扇，調(diào)溫器強(qiáng)制全開(kāi)，穩(wěn)定時(shí)測(cè)量外特性工況下數(shù)據(jù)。

圖2是外特性工況下某發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡熱量分布曲線。選取最大扭矩點(diǎn)和最大功率點(diǎn)作為計(jì)算工況點(diǎn)，由圖2曲線獲取散熱器、中冷器、機(jī)冷器部件換熱數(shù)據(jù)，作為模型的計(jì)算邊界，見(jiàn)表1。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液散熱量大幅增加，導(dǎo)致原有冷卻系統(tǒng)能力不足，帶來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫過(guò)高的問(wèn)題。

1.2基于KULI的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)建模

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)布置如圖3所示，冷卻液流動(dòng)方向?yàn)樯舷聶M流，中冷空氣流動(dòng)方向?yàn)樽笥覚M流，空氣傳遞路徑為冷凝器、中冷器、散熱器、護(hù)風(fēng)圈、風(fēng)扇、機(jī)艙等。冷卻各部件幾何參數(shù)和位置由設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)獲取。

建立的冷卻系統(tǒng)建模分為液側(cè)模型（圖4）和氣側(cè)模型（圖8所示）所示。發(fā)動(dòng)機(jī)換熱量直接通過(guò)“熱源”模型定義，液側(cè)模型有散熱器熱交換、機(jī)油冷卻熱交換、中冷空氣熱交換三個(gè)換熱過(guò)程。各換熱元件換熱特性，根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)定義其換熱效率。圖5和圖6分別是散熱器和中冷器的換熱曲面。圖7是液側(cè)各部件的流阻熱性曲線，水套、節(jié)溫器流阻特性曲線由發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架熱平衡試驗(yàn)獲取，散熱器流阻特性通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)獲取。

空氣側(cè)各部件風(fēng)阻特性由臺(tái)架試驗(yàn)獲取，如圖9所示。風(fēng)扇性能曲線由風(fēng)扇臺(tái)架試驗(yàn)獲取，如圖10所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)壓力損失定義為BIR值，通過(guò)橫坐標(biāo)為風(fēng)量，縱坐標(biāo)為壓力損失的二次曲線定義，二次曲線常數(shù)項(xiàng)根據(jù)整車熱平衡試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定。主要原理是當(dāng)機(jī)艙布置確定后，壓力損失也隨之確定，可根據(jù)整車熱平衡試驗(yàn)得到的許用環(huán)境溫度為目標(biāo)，反向求解BIR值。某車型為擴(kuò)展新產(chǎn)品，僅機(jī)艙布置環(huán)境發(fā)生部分變化，BIR值根據(jù)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)取經(jīng)驗(yàn)值15，環(huán)境溫度為33℃，運(yùn)行模型，得到最大扭矩點(diǎn)工況下許用環(huán)境溫度計(jì)算結(jié)果為35.1℃，最大功率點(diǎn)工況下許用環(huán)境溫度計(jì)算結(jié)果為47.5℃。

圖11是某車型環(huán)境倉(cāng)整車熱平衡試驗(yàn)場(chǎng)景，試驗(yàn)工況與計(jì)算工況相同，試驗(yàn)環(huán)境溫度盡量保持恒定且與仿真設(shè)置數(shù)值相同。對(duì)比試驗(yàn)與仿真結(jié)果見(jiàn)表2，可見(jiàn)試驗(yàn)值與計(jì)算值偏差均在2℃以內(nèi)，這還包括試驗(yàn)環(huán)境溫度偏差，表明上述仿真準(zhǔn)確度較高。進(jìn)一步地修正BIR值為20，保證仿真結(jié)果與試驗(yàn)值吻合。另外，從試驗(yàn)結(jié)果得知最大扭矩工況下整車許用環(huán)境溫度為33.9℃，與某批量生產(chǎn)車型許用環(huán)境溫度38℃相比，太低，熱平衡試驗(yàn)結(jié)論與道路試驗(yàn)的反饋是吻合的。因此，后續(xù)必須確認(rèn)改進(jìn)方向，提出具體解決方案并驗(yàn)證改進(jìn)效果。

1.3冷卻性能影響因素分析

某車型散熱器布置空間有限，無(wú)法加大散熱器，考慮從增加冷卻液流量和風(fēng)量?jī)煞矫嫣岣咴S用環(huán)境溫度。通過(guò)對(duì)最大扭矩工況下仿真分析，得出許用環(huán)境溫度與水流量關(guān)系如圖12所示?？梢钥闯?，冷卻液流量從200L/min增大到350L/min，許用環(huán)境溫度由32.2℃增大到34.5℃，冷卻液流量繼續(xù)增大，許用環(huán)境溫度反而降低，表明一定范圍內(nèi)增大冷卻液流量是可行的，盲目增大冷卻液流量提高許用環(huán)境溫度的措施不可取。最大扭矩工況下該車?yán)鋮s液流量為220L/min，根據(jù)現(xiàn)有平臺(tái)可選擇大排量水泵使冷卻液流量增大至260L/min，許用環(huán)境溫度提高0.7℃，與設(shè)計(jì)要求差距較大，這也表明該冷卻系統(tǒng)水流量足夠，因此增加冷卻液流量方案不可行。

許用環(huán)境溫度與風(fēng)量關(guān)系如圖13所示，可以看出許用環(huán)境溫度隨風(fēng)量增大而迅速提高。整車熱平衡試驗(yàn)耦合KULI標(biāo)定后的風(fēng)量計(jì)算結(jié)果為2.7m³/s，許用環(huán)境溫度要達(dá)到38℃設(shè)計(jì)要求，風(fēng)量需提高至2.94m³/s，提高10%以上。常見(jiàn)的風(fēng)量提升的措施有風(fēng)扇升速，加大風(fēng)扇直徑。風(fēng)扇升速消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率同時(shí)降低噪聲水平，風(fēng)扇直徑加大需求較大布置空間同時(shí)整車重量成本增加。本文選擇從風(fēng)扇性能優(yōu)化與空氣側(cè)流通條件改善兩方面提高某車型許用環(huán)境溫度。

2冷卻系統(tǒng)性能優(yōu)化

2.1新型無(wú)輪轂風(fēng)扇

新開(kāi)發(fā)φ760mm無(wú)輪轂風(fēng)扇，見(jiàn)圖14風(fēng)扇結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表3。

通過(guò)風(fēng)扇臺(tái)架試驗(yàn)獲取風(fēng)扇風(fēng)量一靜壓曲線，對(duì)比最大扭矩工況下無(wú)輪轂風(fēng)扇與環(huán)形風(fēng)扇性能如圖15。經(jīng)過(guò)軟件仿真，新開(kāi)發(fā)的無(wú)輪轂風(fēng)扇許用環(huán)境溫度提高2.5℃，為36.4℃，如圖16所示，仍不滿足要求，需進(jìn)一步提高。

2.2空氣側(cè)流通條件改善

空氣側(cè)模塊主要是指前端格柵擋網(wǎng)模塊與發(fā)動(dòng)機(jī)艙周圍布置模塊。某車型在前臉造型階段就優(yōu)化了格柵結(jié)構(gòu)，并考慮車速為90kM/h工況下進(jìn)行了整車空氣側(cè)CFD分析（見(jiàn)圖17），數(shù)據(jù)結(jié)果（見(jiàn)表4）表明冷卻模塊進(jìn)風(fēng)量較原車型有提高，但是該車試驗(yàn)中仍然出現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)水溫過(guò)高的問(wèn)題。若再次變更格柵結(jié)構(gòu)，造成模具投入嚴(yán)重浪費(fèi)，所以對(duì)格柵不再作優(yōu)化。

保險(xiǎn)杠下檔網(wǎng)開(kāi)孔密集，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)獲取壓降特性，并與冷卻模塊各總成風(fēng)阻特性對(duì)比見(jiàn)圖18，下檔網(wǎng)阻力處于較大水平，存在優(yōu)化空間。改進(jìn)下檔網(wǎng)結(jié)構(gòu)如下圖19，試制新結(jié)構(gòu)擋網(wǎng)實(shí)車換裝，進(jìn)行整車熱平衡試驗(yàn)效果驗(yàn)證。

部分空氣通過(guò)駕駛室后圍排出，空濾器布置位置影響后圍空氣流通，重新布置空濾器，改為右側(cè)布置，方案見(jiàn)圖20。實(shí)車換裝空濾器布置方案，進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)效果驗(yàn)證。

圖21為熱平衡試驗(yàn)結(jié)果，可見(jiàn)，兩次優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)許用環(huán)境溫度為38.1℃，與生產(chǎn)車型相當(dāng)，較好的解決該車發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度較高的問(wèn)題。

3結(jié)論

1.利用發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡試驗(yàn)獲取各部件換熱量邊界，利用臺(tái)架試驗(yàn)獲取散熱器、風(fēng)扇等性能曲線，利用整車熱平衡試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的一維模型是準(zhǔn)確的。

2.仿真結(jié)果表明風(fēng)量提高10%以上許用環(huán)境溫度才可滿足要求，對(duì)應(yīng)的解決方案為新型無(wú)輪轂風(fēng)扇提高許用環(huán)境溫度2.5℃；前下?lián)蹙W(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與空濾器右置方案分別提高許用環(huán)境溫度1.7℃和2.4℃。

3.運(yùn)用一維數(shù)值分析結(jié)合整車熱平衡試驗(yàn)的方法解決冷卻系散熱不足問(wèn)題是可行的，可有效應(yīng)用于產(chǎn)品發(fā)開(kāi)中，提高效率。

4.需進(jìn)一步探索一維數(shù)值分析與三維空氣動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真的方法，在概念設(shè)計(jì)階段建立格柵造型、機(jī)艙布置等空氣側(cè)影響因素與發(fā)動(dòng)機(jī)水溫等各參數(shù)的相關(guān)性，試驗(yàn)前通過(guò)虛擬仿真預(yù)測(cè)主要影響因素，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。