基于KULI的車輛發(fā)動機冷卻系統(tǒng)性能優(yōu)化設(shè)計

楊 洋, 曾 銳, 馮純純

(空軍勤務(wù)學(xué)院，徐州 221000)

因重卡車輛常在復(fù)雜或相對惡劣的環(huán)境下工作，冷卻系統(tǒng)的能力不足，會導(dǎo)致車輛在高速行駛或者大負載爬坡等工況下，出現(xiàn)發(fā)動機高溫現(xiàn)象，導(dǎo)致“開鍋”故障，使車輛無法正常行駛，并降低發(fā)動機使用壽命[1].發(fā)動機冷卻系統(tǒng)性能直接影響車輛動力性、經(jīng)濟性及可靠性[2]，是重卡車輛必須面對和解決的問題，所以,設(shè)計時，其零部件的優(yōu)化匹配是必然要求.

許多廠家在設(shè)計階段已將各因素考慮周全，如濰柴等發(fā)動機廠家與主機廠合作搭建熱管理平臺，在冷卻系統(tǒng)的匹配設(shè)計階段，將車輛在各工況下的性能要求考慮在內(nèi).即便如此，由于使用工況過于惡劣，或是車輛保養(yǎng)維護不及時，仍有部分車輛容易在夏季出現(xiàn)發(fā)動機高溫故障.對于這些車輛的維修，也一直是各大主機廠的難題，一是夏季時間短，而高溫故障的分析解決需要試驗與設(shè)計，周期較長，影響車輛正常使用；二是對于一些傳統(tǒng)解決辦法，不經(jīng)匹配即加大水箱，加大風扇，極易造成車輛功耗上升，油耗增加.為解決此類故障，使車輛投入使用，各廠家也在尋求更為快捷有效的方法.文中對某款重卡車輛的冷卻系統(tǒng)零部件，利用KULI一維仿真分析，提出性能優(yōu)化方案，以快速解決高溫問題.

1 整車熱平衡試驗

某款重卡車輛夏季易出現(xiàn)發(fā)動機高溫故障，為檢驗其現(xiàn)階段散熱能力，對其按照國家標準《GBT 12542-2009汽車熱平衡能力道路試驗方法》進行整車熱平衡測試，以其發(fā)動機極限環(huán)境適用溫度為驗證參數(shù)標準[3].根據(jù)要求，發(fā)動機環(huán)境適用溫度為大扭矩轉(zhuǎn)速下大于41 ℃，功率點大于45 ℃.該發(fā)動機風扇為曲軸風扇，風扇與發(fā)動機轉(zhuǎn)速相同，車輛發(fā)動機參數(shù)見表1，冷卻模塊與風扇參數(shù)見表2.

表1 發(fā)動機參數(shù)

表2 冷卻模塊與風扇外形參數(shù)

熱平衡試驗要求如下：試驗條件分為扭矩點與功率點，扭矩點需控制車輛發(fā)動機轉(zhuǎn)速在1 000～1 400 r/min，功率點需控制車輛發(fā)動機轉(zhuǎn)速在1 900 r/min.環(huán)境溫度大于20 ℃；風速小于3 m/s；濕度小于95%；節(jié)溫器全開.試驗要求達到熱平衡時，發(fā)動機出水溫度不能大于103 ℃，且環(huán)境許用溫度為功率點大于45 ℃，扭矩點大于41 ℃.試驗環(huán)境為：溫度在31.4～35.3 ℃；空氣濕度在30%～40%；風速為0.4～1.1 m/s.符合熱平衡試驗的環(huán)境要求.

該試驗為道路試驗，在最大扭矩工況下,試驗車輛負載拖車進行加載，將試驗速度穩(wěn)定在15～20 km/h，此時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速要控制在最大扭矩轉(zhuǎn)速，并且油門應(yīng)踩到底.在額定功率工況下，要求車輛在負載拖車的情況下，將發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定功率轉(zhuǎn)速，同樣油門踩到底，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速行駛.測得液氣溫差穩(wěn)定15 min后，即可認定熱平衡狀態(tài)，進行數(shù)據(jù)記錄.該車熱平衡試驗結(jié)果如表3.

表3 熱平衡路試結(jié)果

從試驗結(jié)果來看，該車在高轉(zhuǎn)速功率點時，環(huán)境極限使用溫度為38.4 ℃，距離要求的41 ℃還有差距，說明該工況下,散熱能力不足，容易發(fā)生發(fā)動機高溫故障.再看大負載扭矩點時，環(huán)境極限使用溫度為31.4 ℃，而且,在試驗時,發(fā)現(xiàn)水溫已達103 ℃的報警溫度，發(fā)動機限扭，說明此工況下,發(fā)動機運行未達到熱平衡，散熱能力遠遠不夠大負載工況運行.根據(jù)初次試驗結(jié)果，該車冷卻系統(tǒng)散熱性能不足，需要對冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)化以提升散熱能力.

2 基于KULI仿真進行方案優(yōu)化

2.1 優(yōu)化思路

首要考慮零部件性能的優(yōu)化以節(jié)省整改時間及成本.冷卻系統(tǒng)主要包含冷卻模塊、發(fā)動機水道、風扇以及膨脹水箱等部件.其中，冷卻模塊是冷卻系統(tǒng)的主要散熱部件，它的散熱能力直接體現(xiàn)了冷卻系統(tǒng)的性能，根據(jù)現(xiàn)有的冷卻模塊產(chǎn)品，通過增加迎風面積可有效的提升散熱能力，而相應(yīng)的減薄厚度,可以有效降低產(chǎn)品開發(fā)成本[4]，但是，厚度的減少使得散熱面積降低，雖然增大了冷卻模塊的正面迎風面積，需對其進行KULI仿真計算以確定方案可行性.除通過冷卻模塊來保證其散熱性能，風扇的能力對散熱效果的影響也較大，風量的提高可以更高效的帶走熱量.

為保證以上冷卻模塊優(yōu)化方案的可行，現(xiàn)將優(yōu)化方案確定為:將原有704風扇在滿足使用要求下更換為直徑更大的風扇，并增大冷卻模塊.此方案確定后，根據(jù)試驗要求的環(huán)境條件，進行KULI仿真計算.基本思路如圖1所示.

2.2 部件優(yōu)化設(shè)計

選取冷卻系統(tǒng)中散熱器與風扇進行優(yōu)化，將散熱器變薄、增大，將風扇直徑增大.

根據(jù)車輛現(xiàn)況，為保證其離地間隙，冷卻模塊下方無空間，可向上增加高度.冷卻模塊左右空間極小，距離車架太近，寬度上不具備增大條件，如圖2所示.所以，對于冷卻模塊的整改方案，僅可以向上增加高度，根據(jù)冷卻模塊廠家提供產(chǎn)品參數(shù)，為提升散熱效果最少增加100 mm高度，而駕駛室下預(yù)留空間僅可滿足這一條件，所以，選用高度增加100 mm款冷卻模塊.

圖2 冷卻模塊與車架空間

風扇的選用，根據(jù)風扇供應(yīng)商提供風扇參數(shù)，目前故障車輛采用風扇直徑為704 mm，可選用730 mm與750 mm直徑風扇.由于原廠車輛初次試驗結(jié)果距離使用要求差距較大，且冷卻模塊可增大余地有限，所以，為保證其冷卻性能，盡可能選擇較大風扇.選用750 mm直徑風扇，風扇與車架之間距離仍有25 mm，滿足設(shè)計要求.

優(yōu)化前后參數(shù)見表4，優(yōu)化后風扇性能對比見圖3.

表4 部件優(yōu)化參數(shù)

圖3 優(yōu)化前后風扇能力對比圖

從表5中可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方案將冷卻模塊中的散熱器長度增加100 mm，厚度減薄8 mm以增加迎風面積，同時降低開發(fā)成本.觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)直徑750 mm風扇在相同靜壓下，流量較直徑704 mm風扇增加20%左右.

2.3 KULI仿真

根據(jù)以上的優(yōu)化方案及優(yōu)化零部件數(shù)據(jù)，建立KULI仿真模型，如圖4.建立散熱器、中冷器部件系統(tǒng)內(nèi)部模型如圖5.

圖5 部件內(nèi)部設(shè)置模型

圖4中，根據(jù)實車實際裝配及工況，由前至后設(shè)定入口空氣特性，布置冷凝器、中冷器、散熱器、風扇，風扇后設(shè)置內(nèi)部阻力值及出口空氣特性[5]，其中，各部件數(shù)據(jù)均為實驗所得數(shù)據(jù)，內(nèi)部阻力值根據(jù)大量試驗與仿真對比所得，取保守值40%.仿真計算結(jié)果見表5.

圖4 冷卻系統(tǒng)模型

表5 750 mm直徑風扇KULI仿真結(jié)果

從表中KULI仿真結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的方案，750 mm直徑風扇的仿真結(jié)果，扭矩點與功率點的環(huán)境極限使用溫度提升都非常明顯，分別為43.28 ℃與53.98 ℃，完全滿足試驗要求的功率點41 ℃與扭矩點45 ℃.由于選用750 mm直徑風扇仿真結(jié)果高于要求值，為降低發(fā)動機功耗，再次選用730 mm直徑風扇進行仿真，結(jié)果如表6所示.從表6中可以發(fā)現(xiàn)，功率點使用溫度滿足要求，但是扭矩點僅為38.75 ℃，低于使用要求，所以730 mm直徑風扇不滿足條件.

表6 730 mm直徑風扇KULI仿真結(jié)果

此結(jié)果為仿真計算結(jié)果，為保證其方案優(yōu)化可行性，需對優(yōu)化改進后的車輛進行熱平衡試驗驗證.

3 優(yōu)化方案熱平衡試驗

根據(jù)優(yōu)化方案，對改進車型再次進行了整車熱平衡道路試驗，為驗證KULI的仿真結(jié)果，對750 mm與730 mm直徑風扇均進行了試驗，試驗驗證結(jié)果見表7和表8.

表7 750 mm直徑風扇優(yōu)化后熱平衡試驗結(jié)果

表8 730 mm直徑風扇優(yōu)化后熱平衡試驗結(jié)果

將此結(jié)果與KULI仿真計算結(jié)果對比可知，750 mm直徑風扇在功率點環(huán)境極限使用溫度試驗結(jié)果比仿真結(jié)果高出1.58 ℃，扭矩點環(huán)境極限使用溫度試驗結(jié)果比仿真結(jié)果高出1.32 ℃，其誤差分別為2.8%與3.1%.730 mm直徑風扇在功率點環(huán)境極限使用溫度試驗結(jié)果比仿真結(jié)果高出1.13 ℃，扭矩點環(huán)境極限使用溫度試驗結(jié)果比仿真結(jié)果高出0.75 ℃，其誤差分別為2.2%與1.9%.由于選用730 mm直徑風扇在扭矩點工況仍無法滿足要求，所以該車改進選用750 mm直徑風扇.

試驗時，發(fā)現(xiàn)前面板結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致熱風回流，熱空氣回流較為嚴重會影響正面迎風處冷風的進入，降低散熱效率，如圖6所示，后續(xù)改進可對圖中4處方框位置進行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化.

圖6 熱風回流位置

4 結(jié) 論

文中對夏季易發(fā)生高溫故障的車輛進行了發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化改進.通過熱平衡試驗驗證車輛散熱能力，分析得出改進方向，運用仿真軟件KULI對優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)進行仿真計算，確定優(yōu)化方案，最后，進行熱平衡試驗，與仿真結(jié)果進行對比，確定了運用KULI進行發(fā)動機冷卻系統(tǒng)性能優(yōu)化的可行性.運用KULI仿真進行車輛發(fā)動機冷卻系統(tǒng)性能優(yōu)化設(shè)計，不僅能夠進行方案匹配設(shè)計，將其與熱平衡試驗相結(jié)合，還大大提升了故障車輛的優(yōu)化改進效率，保證車輛能夠盡快投入正常使用.但是，運用KULI更多是對冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化改進指明方向，一些因素造成的影響還無法明確，如上文中提出的面板結(jié)構(gòu)導(dǎo)致熱風回流等.在后續(xù)研究中，將建立更為完善的熱管理平臺作為重點，達到更為精準的匹配設(shè)計，實現(xiàn)在設(shè)計階段的最優(yōu)匹配.