小排量賽車?yán)鋮s系統(tǒng)的優(yōu)化計(jì)算及性能預(yù)測(cè)

郭定韜，朱建軍

（太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

1 引言

大學(xué)生方程式賽車受賽車規(guī)則限制，須選用610cc 以下的發(fā)動(dòng)機(jī)為賽車提供動(dòng)力源，相比普通汽車，該賽車使用工況較為單一，但是由于該賽車駕駛模式更為激烈，整車的熱負(fù)荷較大，因此需要對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中，對(duì)于散熱器的設(shè)計(jì)，受限于試驗(yàn)條件，以往選取發(fā)動(dòng)機(jī)最大散熱功率點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，但是很難把握車速對(duì)散熱的影響，不能良好匹配車輛動(dòng)態(tài)情況下的散熱器散熱量的計(jì)算，散熱器的設(shè)計(jì)容易出現(xiàn)過設(shè)計(jì)或者設(shè)計(jì)不足，進(jìn)而造成發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度過低或者過高的現(xiàn)象[1-3]。對(duì)于水泵而言，機(jī)械水泵與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相耦合，在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后容易出現(xiàn)熱浸現(xiàn)象，造成發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部局部溫度過高，影響相關(guān)零部件的可靠性[4-7]。節(jié)溫器對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度調(diào)節(jié)有重要作用，但方程式賽車發(fā)動(dòng)機(jī)要求暖機(jī)時(shí)間短，要求快速達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度，傳統(tǒng)石蠟式節(jié)溫器響應(yīng)速度較慢，在加熱與冷卻過程中的熱遲滯現(xiàn)象，不滿足其預(yù)期目標(biāo)[8-9]。

利用GT-SUITE 系列軟件首次建立了針對(duì)大學(xué)生方程式賽車?yán)鋮s系統(tǒng)的整車計(jì)算模型，并建立方程式賽車的耐久賽速度循環(huán)工況，可更好的研究方程式賽車在單一循環(huán)工況下冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化與設(shè)計(jì)。通過賽車賽道跑動(dòng)試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了模型的可信度。通過分析現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)中存在的問題，對(duì)散熱器的芯部面積進(jìn)行優(yōu)化，引入電子水泵和電子節(jié)溫器，并對(duì)優(yōu)化方案結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)冷卻性能預(yù)測(cè)。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)

大學(xué)生方程式賽車發(fā)動(dòng)機(jī)為直列四缸四沖程自然吸氣汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)，如表1 所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)表Tab.1 Engine Parameters

2.1 臺(tái)架試驗(yàn)布置

臺(tái)架原理圖，如圖1 所示。其中試驗(yàn)設(shè)備有發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)MoTec M84，誠(chéng)邦DW160 電渦流測(cè)功機(jī)，ET2000 測(cè)控柜及數(shù)據(jù)采集儀，ET2500 油耗儀等。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架布置原理圖Fig.1 Schematic Diagram of Engine Bench Arrangement

2.2 試驗(yàn)方案

2.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)最佳工作溫度試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有著重要影響，溫度過低，燃油霧化不良，油耗增大；溫度過高，容易產(chǎn)生不正常燃燒現(xiàn)象，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件負(fù)荷變大。大學(xué)生方程式賽車受限于賽道狀況，發(fā)動(dòng)機(jī)的常用工作區(qū)間集中在中低轉(zhuǎn)速的中小負(fù)荷部分，通過選取賽車發(fā)動(dòng)機(jī)的典型工況點(diǎn)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)，進(jìn)而選取發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳工作溫度范圍。選取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別在3000r/min、7000r/min，在30%、70%負(fù)荷的工況點(diǎn)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。綜合考慮到該發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性、動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性，選取發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試溫度分別為85℃，90℃，95℃。試驗(yàn)以燃油經(jīng)濟(jì)性作為發(fā)動(dòng)機(jī)最佳工作溫度的評(píng)判指標(biāo)，最終選擇95℃作為目標(biāo)溫度，測(cè)試結(jié)果，如圖2所示。

圖2 不同轉(zhuǎn)速、負(fù)荷下燃油消耗率Fig.2 Fuel Consumption Rate Under Different Speed and Load

2.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量MAP 測(cè)試試驗(yàn)

在（3000～12000）r/min 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，每間隔1000r/min，測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)從（10%～100）%負(fù)荷下的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液管路進(jìn)出口的溫度與流量，進(jìn)而計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱量的大小。具體試驗(yàn)結(jié)果，如圖3 所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量MAP 圖Fig.3 Map of Engine Heat Rejection

3 原賽車?yán)鋮s系統(tǒng)仿真模型的建立

3.1 原賽車?yán)鋮s系統(tǒng)仿真模型的建立

原賽車?yán)鋮s系統(tǒng)包含機(jī)械水泵、石蠟式節(jié)溫器、管帶式散熱器及相關(guān)冷卻液管路等，其中包含的兩個(gè)散熱器采用并聯(lián)式連接方式。由于實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻傳熱的過程較為復(fù)雜，為方便建立模型與計(jì)算，現(xiàn)對(duì)模型做以下簡(jiǎn)化處理：

忽略發(fā)動(dòng)機(jī)、冷卻液管路等部件對(duì)外界環(huán)境的傳熱，將發(fā)動(dòng)機(jī)等效為熱源質(zhì)點(diǎn)，不考慮其內(nèi)部傳熱過程；

忽略潤(rùn)滑油對(duì)冷卻系統(tǒng)的影響，假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量全部由冷卻液帶走。潤(rùn)滑油在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作過程中有冷卻的作用，但其最終熱量通過油冷器由冷卻液帶走。

3.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

利用GT-SUITE 模板庫(kù)中的EngineState 與3-Pass-Engine-Block 模塊替代賽車發(fā)動(dòng)機(jī)，其中EngineState 模塊中要求輸入發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)，其萬(wàn)有特性曲線、發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量MAP 圖等相關(guān)數(shù)據(jù)均通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)獲得。

3.1.2 水泵模型

原發(fā)動(dòng)機(jī)采用機(jī)械式水泵，與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸通過鏈輪相連接，水泵的性能參數(shù)通過臺(tái)架試驗(yàn)中流量計(jì)及壓力傳感器測(cè)試得出，其性能參數(shù)，如圖4 所示。

圖4 水泵流量圖Fig.4 Pump Mass Flow Chart

3.1.3 冷卻管路模型

冷卻管路的彎管角度，管徑及空間布置情況都會(huì)影響到冷卻液的傳熱情況，為保證冷卻管路模型的精確度，利用GEM 3D軟件將冷卻管路的三維模型離散化得到冷卻系統(tǒng)的一維計(jì)算模型管路圖，如圖5 所示。

圖5 GEM 3D 軟件中冷卻管路圖Fig.5 Cooling Pipe in GEM 3D Software

3.1.4 節(jié)溫器模型

節(jié)溫器的存在對(duì)于調(diào)控冷卻液流量有重要作用，有助于保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度的穩(wěn)定，石蠟式節(jié)溫器存在熱遲滯現(xiàn)象，通過熱浴試驗(yàn)測(cè)得不同溫度下節(jié)溫器的閥門開度情況，如圖6 所示。

圖6 節(jié)溫器開度Fig.6 Temperature of Thermostat Opening Chart

3.1.5 散熱器模型

散熱器的傳熱情況較為復(fù)雜，模型在設(shè)計(jì)之初是根據(jù)GTSUITE 自帶散熱器模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，故直接選取數(shù)據(jù)由軟件推薦模型即可。

3.1.6 建立速度循環(huán)工況模型

大學(xué)生方程式賽車的動(dòng)態(tài)賽項(xiàng)目分為直線加速賽、8 字繞環(huán)賽、高速避障賽以及耐久賽。方程式賽車的運(yùn)行工況較為單一，并且駕駛情況較為復(fù)雜，并且不同工況下的車速不同，會(huì)造成散熱器的進(jìn)風(fēng)量不同，為了保證設(shè)計(jì)的可靠性及準(zhǔn)確性，因此有必要建立一套新的循環(huán)工況去輔助設(shè)計(jì)。其中，耐久賽中賽車的冷卻系統(tǒng)負(fù)荷最大。耐久賽是由兩名車手駕駛，相繼完成共計(jì)14 圈，總長(zhǎng)22km 的賽道，為保證冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性，選取駕駛方式較為激進(jìn)的車手的賽道數(shù)據(jù)建立速度循環(huán)工況，進(jìn)而排除不同車手駕駛模式不同帶來(lái)的影響。其相關(guān)數(shù)據(jù)由2017 年襄陽(yáng)賽道車載數(shù)據(jù)采集儀獲得。速度循環(huán)工況，如圖7 所示。

圖7 耐久賽速度循環(huán)工況圖Fig.7 Velocity Driving Cycle of Endurance

3.1.7 整車仿真模型的建立

利用GT-SUITE 中Vehicle 模塊，建立后驅(qū)六速手動(dòng)變速箱的賽車整車模型，整車仿真模型圖，如圖8 所示。

圖8 整車?yán)鋮s系統(tǒng)計(jì)算模型圖Fig.8 Calculation Model Diagram of Whole Vehicle Cooling System

3.2 模型的對(duì)標(biāo)校準(zhǔn)及分析

選定發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)啟動(dòng)暖機(jī)試驗(yàn)與2017 年耐久賽發(fā)動(dòng)機(jī)溫度進(jìn)行模型的校準(zhǔn)工作。

在GT-SUITE 試驗(yàn)仿真平臺(tái)中設(shè)定環(huán)境溫度27℃，斷開車輛離合器，設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2000r/min，負(fù)荷為0%，風(fēng)速為2km/h，監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度變化，以此來(lái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)過程。設(shè)定外界環(huán)境溫度為27℃，使賽車按照速度循環(huán)工況進(jìn)行虛擬跑動(dòng)，監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度曲線，用來(lái)模擬耐久賽過程中發(fā)動(dòng)機(jī)溫度變化。

暖機(jī)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度對(duì)比圖，如圖9 所示。通過與實(shí)際實(shí)驗(yàn)的對(duì)標(biāo)，校準(zhǔn)后的模型的暖機(jī)試驗(yàn)時(shí)間曲線與仿真計(jì)算結(jié)果，溫度的最大誤差在5.6%，暖機(jī)時(shí)間的誤差在3%，滿足計(jì)算模型的預(yù)期目標(biāo)。

圖9 暖機(jī)試驗(yàn)溫度圖Fig.9 Temperature Diagram of Engine Warm-up Test

圖10 耐久賽試驗(yàn)溫度圖Fig.10 Temperature Diagram of Engine in Endurance Test

耐久賽試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度對(duì)比圖，如圖10 所示。在整個(gè)循環(huán)工況中，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度最高溫度保持在85℃左右，與實(shí)際測(cè)試結(jié)果的81℃相差5%。發(fā)動(dòng)機(jī)從冷機(jī)起動(dòng)，快速進(jìn)入賽道進(jìn)行跑動(dòng)，其負(fù)荷相比怠速暖機(jī)狀態(tài)要大，故發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)間較怠速暖機(jī)要短；之后發(fā)動(dòng)機(jī)溫度維持在85℃左右，無(wú)過熱風(fēng)險(xiǎn)，但是未處于最佳工作溫度區(qū)間，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性都有一定影響；當(dāng)停車之后，發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，與之耦合的水泵也停止工作，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度迅速上升，出現(xiàn)熱浸現(xiàn)象，有局部過熱的風(fēng)險(xiǎn)。

4 冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化及性能預(yù)測(cè)

通過對(duì)原發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)的模擬分析研究，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度偏低情況，主要是由于散熱器的過設(shè)計(jì)；對(duì)于停機(jī)后的發(fā)動(dòng)機(jī)熱浸現(xiàn)象，主要由于發(fā)動(dòng)機(jī)與水泵處于耦合狀態(tài)，停機(jī)后造成水泵停止工作，內(nèi)部冷卻液也停止流動(dòng)；暖機(jī)時(shí)間較慢是由于冷卻液流量與發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)不匹配以及節(jié)溫器的響應(yīng)性較慢造成的。針對(duì)現(xiàn)有問題，將從散熱器、水泵與節(jié)溫器三方面開展對(duì)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度處于95℃附近。

4.1 散熱器面積的單元化研究

對(duì)散熱器面積進(jìn)行單元化研究，通過仿真計(jì)算等比例縮小后的散熱器面積，選取發(fā)動(dòng)機(jī)在耐久賽中能處于最佳工作溫度區(qū)間的案例。依次選取原散熱器面積具體試驗(yàn)的0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 進(jìn)行整車速度循環(huán)工況模擬跑動(dòng)試驗(yàn)，結(jié)果顯示，散熱器縮小為原模型面積的0.7 倍時(shí)，最接近目標(biāo)溫度要求，如圖11所示。

圖11 不同散熱器面積下發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)溫度Fig.11 Engine Steady Temperature Under Different Radiator Area

4.2 節(jié)溫器的優(yōu)化及性能預(yù)測(cè)

在GT-SUITE 軟件中利用查表式的執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)模塊Valve－ActuLiftAreaCon 來(lái)模擬電子比例閥式節(jié)溫器的工作過程，分別對(duì)比研究了無(wú)節(jié)溫器、石蠟式節(jié)溫器以及電子節(jié)溫器工作情況下的發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)間變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)節(jié)溫器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度調(diào)控作用的重要性，同時(shí)電子節(jié)溫器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度控制更加平順，有助于維持發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定的工作溫度。

圖12 不同節(jié)溫器的暖機(jī)試驗(yàn)Fig.12 Engine Warm-up Test of Different Thermostat

4.3 水泵的優(yōu)化及性能預(yù)測(cè)

引入電子水泵可以使其與發(fā)動(dòng)機(jī)解耦，在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后，仍能繼續(xù)工作運(yùn)轉(zhuǎn)，通過控制器對(duì)其流量的精確控制，有助于保持發(fā)動(dòng)機(jī)溫度處于最佳工作溫度區(qū)間，同時(shí)減少暖機(jī)時(shí)間。在GTSUITE 軟件中增加PID 控制器模塊控制水泵的執(zhí)行器，用來(lái)代替原機(jī)械水泵。將發(fā)動(dòng)機(jī)溫度定義為PID 控制器中的目標(biāo)控制參數(shù)，通過控制器的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制水泵的流量，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作在處在目標(biāo)工作溫度區(qū)間。通過多次試驗(yàn)，當(dāng)Kp=2，Ki=0.5，Kd=0.2 時(shí)，系統(tǒng)其暖機(jī)性能曲線，如圖13、圖14 所示。較原機(jī)暖機(jī)時(shí)間縮短15s，暖機(jī)時(shí)間縮短了16%。并且整車循環(huán)工況發(fā)動(dòng)機(jī)溫度保持在95℃附近，在一個(gè)循環(huán)工況內(nèi)的油耗為480.1g，較原冷卻模型油耗488.5g 減少了1.7%，并且停機(jī)后發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度未出現(xiàn)上升趨勢(shì)。

圖13 暖機(jī)試驗(yàn)溫度圖Fig.13 Temperature Diagram of Engine Warm-up Test

圖14 發(fā)動(dòng)機(jī)溫升圖Fig.14 Temperature Diagram of Engine in Endurance Test

5 結(jié)論

通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，測(cè)試出賽車發(fā)動(dòng)機(jī)常用工況點(diǎn)的最佳工作溫度為95℃，以及發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱量MAP 圖。利用GT-SUITE系列軟件搭建了方程式賽車的整車?yán)鋮s系統(tǒng)，首次建立賽道的速度循環(huán)工況，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)暖機(jī)過程及耐久賽發(fā)動(dòng)機(jī)溫度變化進(jìn)行了仿真計(jì)算，并對(duì)標(biāo)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型準(zhǔn)確性。

研究表明，通過對(duì)散熱器芯部面積、水泵和節(jié)溫器進(jìn)行分析優(yōu)化，使發(fā)動(dòng)機(jī)溫度維持在最佳工作溫度區(qū)間，并對(duì)優(yōu)化后的性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，節(jié)溫器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的穩(wěn)定性有重要作用，且電子節(jié)溫器的調(diào)控效果比石蠟節(jié)溫器要好；當(dāng)散熱器芯部面積為原模型0.7 倍，采用電子節(jié)溫器，且PID 控制的電子水泵Kp=2、Ki=0.5、Kd=0.2 時(shí)，賽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)啟動(dòng)時(shí)間較原來(lái)縮短16%，耐久賽發(fā)動(dòng)機(jī)溫度保持在目標(biāo)溫度附近，同時(shí)循環(huán)油耗降低1.7%。