李 文

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心 上海 200438)

汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)匹配研究

李 文

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心 上海 200438)

介紹了某款汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的開發(fā)原理及方法，分析了發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)中重要零部件的匹配計算方法。運用三維軟件fluent進(jìn)行風(fēng)量仿真分析，并根據(jù)發(fā)動機(jī)原理搭建flowmaster一維仿真模型。在所建的模型中對設(shè)計工況點進(jìn)行仿真計算，并對影響冷卻系統(tǒng)部分參數(shù)提出建議。

發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真分析

0 前言

當(dāng)發(fā)動機(jī)在運轉(zhuǎn)時，燃料產(chǎn)生的15%～30%的熱量需要通過發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)帶走。冷卻系統(tǒng)作用是將發(fā)動機(jī)及傳動裝置等進(jìn)行適度冷卻，將受熱件所傳導(dǎo)出來的熱量及時散出，使發(fā)動機(jī)和傳動裝置等在適宜的熱狀態(tài)下能夠可靠而有效地工作[1]。汽車發(fā)動機(jī)在運轉(zhuǎn)時，燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的高溫(約2 000 ℃)會使機(jī)體受熱件的機(jī)械強(qiáng)度降低，造成熱變形，破壞零件之間的配合間隙，引起強(qiáng)烈磨損。高溫也會引起氣缸壁機(jī)油變質(zhì)，潤滑性能失效，甚至結(jié)焦。另外，高溫還會引起發(fā)動機(jī)充氣系數(shù)下降，使其功率降低。因此必須對發(fā)動機(jī)機(jī)體進(jìn)行有效冷卻。如果對發(fā)動機(jī)冷卻過度，又會造成散熱損失和摩擦損失增加，零件磨損加劇，使得發(fā)動機(jī)工作過程變壞，同時造成燃燒不良，燃油消耗過高，排放污染物增多。試驗證明，1個良好的冷卻系統(tǒng)，可以保證發(fā)動機(jī)在各種工況下處于最適宜的溫度，系統(tǒng)各部件之間匹配良好，消耗功率少，加工成本低。

與發(fā)達(dá)國家相比，國內(nèi)汽車的發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)和理論研究較落后。企業(yè)的理論分析能力和計算能力低。目前，國內(nèi)汽車廠家在進(jìn)行發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計時，多采用類比法，以經(jīng)驗為主，理論計算能力極為有限，產(chǎn)品開發(fā)需要反復(fù)進(jìn)行冷卻系統(tǒng)中重要部件匹配試驗。這種冷卻系統(tǒng)產(chǎn)品往往需要較長的開發(fā)周期，有時需要數(shù)月才能完成，在產(chǎn)品開發(fā)周期愈短的今天，已經(jīng)不能滿足產(chǎn)品開發(fā)的需要。研究發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)傳熱機(jī)理，針對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)采用仿真模擬計算方法對散熱能力進(jìn)行預(yù)估，可減少試驗次數(shù)，因此縮短開發(fā)周期。

1 發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)

目前，汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)多為強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)，主要包括：散熱器、散熱器進(jìn)水管、散熱器出水管、水泵、節(jié)溫器、風(fēng)扇和膨脹水箱等。其在整車上架構(gòu)布置見圖1。

圖1 整車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)架構(gòu)布置

從熱力學(xué)與傳熱學(xué)來講，發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)是由兩套換熱系統(tǒng)組成：

(1)水路換熱循環(huán)：由發(fā)動機(jī)水泵驅(qū)動的循環(huán)冷卻液為高溫?zé)嵩炊?，通過冷卻液在冷卻系統(tǒng)中循環(huán)，將發(fā)動機(jī)水套熱量通過冷卻液帶至高溫散熱器。

(2)氣路換熱循環(huán)：通過風(fēng)扇帶動，冷空氣從格柵經(jīng)過各冷卻模塊，最終通過風(fēng)扇驅(qū)動的低溫氣流將高溫散熱器水路中的熱量攜帶走。

1.1 發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)開發(fā)

采用的仿真手段為三維仿真與一維仿真相結(jié)合的方式。主要通過對整車外流和發(fā)動機(jī)艙內(nèi)流進(jìn)行同步數(shù)值模擬的方法來實現(xiàn)。通過三維仿真來實現(xiàn)進(jìn)風(fēng)量的模擬，通過一維仿真來確定發(fā)動機(jī)出水溫度，進(jìn)而對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行整體評估，實現(xiàn)前期開發(fā)目標(biāo)。

其中，一維仿真是在3種基本物理定律形成的3種守恒方程控制下對流體流動的數(shù)值仿真計算，包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。其中，所有的流體流動問題都要滿足質(zhì)量守恒和動量守恒這兩大定律，而當(dāng)涉及到傳熱的流體流動問題時也要滿足能量守恒定律[2]。

1.2 發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)主要性能參數(shù)

冷卻系統(tǒng)匹配的核心就是獲取計算所需的參數(shù)。這些性能參數(shù)主要包括發(fā)動機(jī)水套散熱量、高溫散熱器散熱性能及阻力參數(shù)、風(fēng)扇的流量壓降曲線(P-Q線)和散熱器進(jìn)風(fēng)量等[3]。

1.2.1發(fā)動機(jī)水套散熱量

在汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱能力模擬計算中，水套散熱量是1個重要參數(shù)。通常情況下，水套散熱量由試驗獲得。本文中的系統(tǒng)散熱量由試驗臺架實測所得(圖2)。該車型所搭載的發(fā)動機(jī)為2.8 L渦輪增壓柴油機(jī)。通過臺架試驗，測得發(fā)動機(jī)散熱量與功率比例(圖3)。

圖2 試驗臺架系統(tǒng)

圖3 發(fā)動機(jī)散熱量與功率比

1.2.2高溫散熱器換熱性能及阻力參數(shù)

散熱器種類繁多，其芯體結(jié)構(gòu)、選材、大小及制造工藝水平都會影響散熱器換熱性能及風(fēng)阻和水阻。通常散熱器特性參數(shù)在專門的散熱器試驗臺上試驗獲得[4]。該車搭載計算所用散熱器參數(shù)來自中航工業(yè)貴州某換熱器公司。圖4示出了試驗臺架的搭建情況。

圖4 散熱器試驗臺架

通過試驗數(shù)據(jù)，散熱器的實測換熱性能如圖5所示。

圖5 散熱器實測性能結(jié)果

1.2.3風(fēng)扇P-Q流量壓降曲線

冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動具有非常關(guān)鍵的作用，它能夠加快發(fā)動機(jī)艙內(nèi)氣流的流動速度，改變流場的分布情況，從而影響發(fā)動機(jī)艙整體的散熱情況。本文所采用風(fēng)扇為480 W風(fēng)扇，扇葉直徑為480 mm。風(fēng)扇實測P-Q曲線測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 480 W風(fēng)扇P-Q性能曲線

1.2.4散熱器進(jìn)風(fēng)量

研究中散熱器進(jìn)風(fēng)量采用fluent三維仿真計算，選用1個長方體計算域來模擬風(fēng)洞，理論上來說計算域越大，數(shù)值模擬結(jié)果越接近真實值，同時計算量就越大。在保證整車外流場和發(fā)動機(jī)艙內(nèi)流場充分發(fā)展的基礎(chǔ)上，定義計算域尺寸的示意圖(見圖8)，其中L表示車長，W表示車寬，H表示車高。冷卻風(fēng)通道布置如圖9所示。

圖9 冷卻風(fēng)通道布置

研究中計算的整車前端氣路由以下系統(tǒng)構(gòu)成，包括格柵，中冷器、冷凝器、散熱器和風(fēng)扇。迎面風(fēng)通過格柵進(jìn)入氣路循環(huán)，通過中冷器、冷凝器、散熱器、風(fēng)扇至排出。

選用車輛進(jìn)行冷卻系匹配試驗研究，首先考慮極限工況下的熱平衡試驗。這里選用滿載工況下低速爬坡和高速爬坡作為冷卻系散熱能力的考核點和模擬計算的工況點。根據(jù)長期試驗的經(jīng)驗，車輛在爬坡高扭矩點的冷卻工況往往更惡劣，同時選用這兩個工況點進(jìn)行車輛穩(wěn)定運行，從而易于控制試驗狀態(tài)，獲得的試驗數(shù)據(jù)重復(fù)性好，同時可以得到發(fā)動機(jī)和部件對應(yīng)工況下的整車環(huán)境艙試驗數(shù)據(jù)。在試驗條件方面，迎面風(fēng)機(jī)的風(fēng)速選用 50 km/h及80 km/h，這與車輛在爬坡狀態(tài)下的車速基本一致。

2 考核、工況下計算結(jié)果分析

通過運用一維仿真軟件flowmaster搭建數(shù)模獲得的仿真結(jié)果為：在環(huán)境溫度38 ℃情況下，最惡劣情況出現(xiàn)在低速高扭矩爬坡工況點，利用計算機(jī)輔助工程(CAE)仿真發(fā)動機(jī)的出水溫度為118 ℃，超過耐受溫度110 ℃(圖10～圖12)。

圖10 發(fā)動機(jī)冷卻一維仿真模型

圖11 影響發(fā)動機(jī)冷卻原因分析

3 結(jié)論

(1)冷卻模塊CRFM布置：盡量將需要換熱的原件暴露在風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)核心區(qū)域，換熱需求小的可適當(dāng)被前保險杠遮擋。如圖12所示，可將中冷器適當(dāng)往下移，讓出更多進(jìn)風(fēng)區(qū)域。

圖12 車輛前端結(jié)構(gòu)遮擋

(2)前端結(jié)構(gòu)遮擋：在保證安全前提下盡量減小前端遮擋區(qū)域，如車輛的水箱下橫梁。水箱下橫梁影響進(jìn)風(fēng)投影面積，可適當(dāng)要求減小，增加進(jìn)風(fēng)量，減小風(fēng)扇功率的壓力。

(3)風(fēng)扇功率的合理選擇：風(fēng)扇是氣路循環(huán)的主要動力源，因此選擇1個適合風(fēng)扇尤為重要。當(dāng)選擇風(fēng)扇功率過大時，會額外增加整車單件成本，以及噪聲-振動-平順性的風(fēng)扇噪聲。當(dāng)風(fēng)扇功率選擇較小時，將出現(xiàn)發(fā)動機(jī)水溫“開鍋”甚至“拉缸”現(xiàn)象。

(4)前端格柵開口：格柵設(shè)計一般按照投影至散熱器面積的30%左右[4]，當(dāng)格柵開口過大時，影響風(fēng)阻系數(shù)阻力Cd值，增加油耗。當(dāng)格柵開口過小時，將出現(xiàn)散熱器進(jìn)風(fēng)量不足，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)出水溫度過高，必須用更大功率風(fēng)扇來彌補。

[1] 成曉北，潘立，鞠洪玲．現(xiàn)代車用發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)研究進(jìn)展[J]．車用發(fā)動機(jī)，2008，(1)：1-6．

[2] 夏廣飛，陶其銘，許志寶. 前進(jìn)氣格柵在發(fā)動機(jī)艙熱管理中的作用[J]. 中國汽車工程學(xué)會年會論文集, 2011，(15)：301-304.

[3] 賈青，楊志剛. 汽車前端部件結(jié)構(gòu)對冷卻性能的影響[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2014，(8)：202-204.

[4] 于海群．發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)匹配設(shè)計及動態(tài)特性仿真[D]．碩士學(xué)位論文，江蘇大學(xué)，2007：10-25．