雷良新，陶樂仁,2，孫悅，陶宏，桂超

（1.200093上海市 上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院；2.200093上海市 上海市動力工程多相流動與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.201206上海市 上海海立新能源技術(shù)有限公司）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，車輛及其發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，燃油汽車給人們帶來便利的同時，也對環(huán)境造成了一定的污染，因此，世界各國對汽車尾氣的排放量加以嚴(yán)格控制，人們開始重視發(fā)動機(jī)燃油的經(jīng)濟(jì)性[1-2]。發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的作用就是讓發(fā)動機(jī)能夠在任何環(huán)境、各種運(yùn)行條件下維持發(fā)動機(jī)在合適的溫度范圍內(nèi)可靠并持續(xù)地運(yùn)行，從而保證了發(fā)動機(jī)具有良好的動力性和經(jīng)濟(jì)性[3-4]。根據(jù)冷卻介質(zhì)選擇的不同，發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)通常分為風(fēng)冷式冷卻系統(tǒng)、水冷式冷卻系統(tǒng)和油冷式冷卻系統(tǒng)，現(xiàn)代的汽車主要采用的是水冷式冷卻系統(tǒng)，其中以閉式強(qiáng)制循環(huán)冷卻系統(tǒng)為主[5]。

目前，國內(nèi)外許多高校和科研院所對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的熱管理技術(shù)開展了相關(guān)研究，主要集中在散熱器對冷卻系統(tǒng)性能的影響以及節(jié)溫器、風(fēng)扇、水泵等配件對冷卻系統(tǒng)性能的影響[6]。在發(fā)動冷卻系統(tǒng)中采用電控節(jié)溫器和電動水泵代替?zhèn)鹘y(tǒng)節(jié)溫器和機(jī)械泵[7-8]，根據(jù)發(fā)動機(jī)冷卻液溫度和空氣流速的不同，用變速冷卻風(fēng)扇代替?zhèn)鹘y(tǒng)風(fēng)扇，提高了發(fā)動機(jī)冷卻效率[9]。吉林大學(xué)李君[10]等人以典型農(nóng)用發(fā)動機(jī)為例，利用AMESim一維仿真軟件建立了發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的模型，對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱器的有效正面積優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。結(jié)果表明，發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)對散熱器寬度更加敏感，合理地增大散熱器的有效正面積可以提高冷卻系統(tǒng)的冷卻效果。袁新[11]利用CFD技術(shù)建立了風(fēng)扇、散熱器的仿真分析模型，結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)對風(fēng)扇和散熱器在最佳工況點(diǎn)進(jìn)行研究，并得出最佳工況點(diǎn)下的冷卻能力能夠滿足發(fā)動機(jī)的要求。

本文在前人的研究基礎(chǔ)上，以某型號的發(fā)動機(jī)為參考對象，基于AMESim仿真軟件建立完整的發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)模型，利用該模型研究了發(fā)動機(jī)在4種運(yùn)行工況下發(fā)動機(jī)出口冷卻液溫度、發(fā)動機(jī)進(jìn)口冷卻液溫度、散熱器出口冷卻液溫度的變化情況；針對發(fā)動機(jī)容易出現(xiàn)“開鍋”的現(xiàn)象，合理調(diào)整散熱器散熱芯體的寬度以增大散熱器的有效正面積，并同時調(diào)整節(jié)溫器、風(fēng)扇的啟停溫度來避免發(fā)動機(jī)出現(xiàn)“開鍋”的現(xiàn)象，以達(dá)到優(yōu)化發(fā)動機(jī)冷卻效果的目的；驗(yàn)證了重新匹配參數(shù)后的仿真模型的有效性，為深入仿真分析冷卻系統(tǒng)提供了參考依據(jù)。

1 冷卻系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和工作原理

發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)常常采用閉式強(qiáng)制循環(huán)水冷式冷卻系統(tǒng)，這種冷卻系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要部件有：發(fā)動機(jī)機(jī)體、節(jié)溫器、散熱器、冷卻風(fēng)扇、水套、水泵、補(bǔ)償水桶等。

圖1 發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of engine cooling system

工作原理：當(dāng)冷卻液流過水泵時，壓力上升，再經(jīng)過分水管進(jìn)入發(fā)動機(jī)水套中，在發(fā)動機(jī)氣缸里吸收發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的熱量，之后，從發(fā)動機(jī)缸蓋處流出來進(jìn)入節(jié)溫器，節(jié)溫器根據(jù)冷卻液的溫度分配進(jìn)入散熱器的流量，隨后經(jīng)過散熱器散熱芯與室外空氣進(jìn)行熱交換，最后，冷卻液經(jīng)過散熱器后回到水泵入口，完成一次冷卻循環(huán)。同時，冷卻風(fēng)扇通過溫度傳感器上顯示的溫度來確定冷卻風(fēng)扇的啟停，這樣如此重復(fù)循環(huán)，使得發(fā)動機(jī)出口冷卻液溫度控制到合理的溫度范圍內(nèi)。

2 建立冷卻系統(tǒng)仿真模型

2.1 發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真模型

發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響著發(fā)動機(jī)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，所以，對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)中主要零部件的優(yōu)化分析非常有必要。本文基于AMESim一維仿真軟件建立了發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真模型。AMESim（Advanced Modeling Environment For performing Simulations of Engineering Systems）是一款由IMAGINE公司設(shè)計(jì)開發(fā)出來的工程上應(yīng)用的仿真軟件[12]，其仿真范圍廣，可實(shí)現(xiàn)多學(xué)科、多領(lǐng)域的建模與仿真。在建立一維仿真模型中，需要對各個部件進(jìn)行嚴(yán)格的測試與試驗(yàn)驗(yàn)證，并對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置，從而保證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

AMESim軟件中包含著熱液壓庫、機(jī)械庫、信號庫、空調(diào)庫、熱庫、冷卻系統(tǒng)庫等。使用AMESim軟件中的熱液壓庫、信號庫、冷卻系統(tǒng)庫、熱庫的部件完成了發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真模型的設(shè)計(jì)與建模，按照草圖模式、子模型模式、參數(shù)模式及仿真模式4個工作步驟搭建發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真模型，其仿真模型如圖2所示。從圖中可以看出：其主要由發(fā)動機(jī)機(jī)體、節(jié)溫器、散熱器、冷卻風(fēng)扇、水套、水泵、補(bǔ)償水桶、冷卻系統(tǒng)管路等子模型構(gòu)成。

圖2 發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真模型Fig.2 Simulation model of engine cooling system

2.2 發(fā)動機(jī)子模型

本文以一臺2.5 L直列4缸某型號汽油發(fā)動機(jī)為研究對象，其整車的主要參數(shù)如表1所示。其中，發(fā)動機(jī)模型采用AMESim仿真軟件中Cooling System庫中CSEN00元件。發(fā)動機(jī)散熱量Q1根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行求解[13]。

式中：a0——發(fā)動機(jī)散熱量占燃料總熱量的百分比，汽油機(jī)取0.21～0.30，本文取0.25；ge——發(fā)動機(jī)燃料的消耗率，kg/(kW·h)，查內(nèi)燃機(jī)性能參數(shù)表取值，取0.25；P——發(fā)動機(jī)功率，kW；Hn——燃料的低熱值，kJ/kg。

表1 整車主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the whole vehicle

2.3 散熱器子模型

散熱器在發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)中的作用非常大，冷卻系統(tǒng)冷卻能力不足或者過度冷卻都會對發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)行造成一定的影響，進(jìn)而影響到發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、動力性和可靠性。散熱器模型選用軟件中Cooling System庫中帶有風(fēng)扇的CSRA20元件，補(bǔ)償水桶選用Thermal Hydraulic庫中的TFAC000元件，補(bǔ)償水桶與散熱器之間連接熱壓阻力元件，其選用的是Thermal Hydraulic Resistance庫中的TF0RF0元件，其散熱器模型的基本參數(shù)如表2所示。

表2 散熱器主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of radiator

計(jì)算散熱器的最大散熱量時，應(yīng)在發(fā)動機(jī)散熱量Q1的基礎(chǔ)上乘以1.1～1.25的系數(shù)[5]，才能保證整個冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠在最惡劣的環(huán)境下正常運(yùn)行，散熱器的冷卻液的循環(huán)量Vw根據(jù)式（3）求得

式中：ρw——冷卻水的密度，kg/m3；Cp,w——冷卻水的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)，本文取4.18；Δtw——發(fā)動機(jī)冷卻水在冷卻循環(huán)過程中的溫升，根據(jù)強(qiáng)制循環(huán)冷卻系統(tǒng)，可取6～12 ℃[14]。

同理，在強(qiáng)制循環(huán)冷卻系統(tǒng)中，冷卻空氣量Va可根據(jù)熱平衡方程來求得，其計(jì)算公式：

式中：ρa(bǔ)——空氣的密度，kg/m3；Cp,a——空氣的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；Δta——空氣在冷卻循環(huán)過程中的溫升。

2.4 節(jié)溫器子模型

節(jié)溫器子模型采用仿真軟件中Cooling System庫中CSTH1元件，其采用兩通非遲滯性的蠟式節(jié)溫器。節(jié)溫器在給定的初始溫度Tin為85 ℃下開始打開，在給定的最終溫度Tfi為95 ℃下完全打開，即當(dāng)發(fā)動機(jī)出口冷卻液的溫度低于85 ℃時，節(jié)溫器沒有打開，只進(jìn)行一個小循環(huán)，當(dāng)發(fā)動機(jī)出口冷卻液的溫度高于95 ℃時，節(jié)溫器完全打開，此時，只進(jìn)行大循環(huán)，小循環(huán)關(guān)閉。假設(shè)節(jié)溫器入口處閥開的面積與節(jié)溫器石蠟的溫度呈線性關(guān)系，其關(guān)系式：

式中：f——節(jié)溫器入口處當(dāng)前閥開面積與最大的閥開面積之比；T——節(jié)溫器入口處的石蠟的溫度，℃；Tin——節(jié)溫器剛開啟時所對應(yīng)的石蠟的溫度，℃；Tfi——節(jié)溫器完全開啟時所對應(yīng)的石蠟的溫度，℃。

2.5 水泵及風(fēng)扇子模型

水泵子模型采用仿真軟件中Cooling System庫中CSCP100離心式水泵元件，水泵的傳動比為1.33。風(fēng)扇的啟停通過溫度傳感器采集散熱器出口冷卻液的溫度來控制，設(shè)風(fēng)扇的開啟溫度為92 ℃，風(fēng)扇的關(guān)閉溫度為82 ℃。

3 仿真計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 仿真工況的設(shè)定

為了全面了解發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的冷卻效果，尤其要滿足在最惡劣的運(yùn)行條件下工作時，發(fā)動機(jī)出口冷卻液的溫度要維持合適的溫度范圍之內(nèi)。本文主要設(shè)計(jì)了4種運(yùn)行工況，其中工況1為一般工況，工況2為最大扭矩工況，工況3為高溫長時間爬坡工況，工況4為最大功率工況，各個仿真工況的參數(shù)設(shè)定如表3所示。本次仿真時間為600 s，積分器類型選用標(biāo)準(zhǔn)積分器，通信間隔設(shè)為0.1 s。

表3 仿真工況參數(shù)Tab.3 Simulation condition parameters

3.2 仿真結(jié)果分析與討論

仿真結(jié)果以輸出的發(fā)動機(jī)進(jìn)出口冷卻液溫度和散熱器進(jìn)出口的溫度來作為評價發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)性能優(yōu)劣的依據(jù)，其仿真結(jié)果如圖3—圖6所示。

一方面，由圖3—圖6可以看出，隨著運(yùn)行時間的變化，發(fā)動機(jī)出口冷卻液溫度最終會趨于一個穩(wěn)定值，符合冷卻系統(tǒng)工作應(yīng)有的特性，說明該冷卻系統(tǒng)能夠在這4種工況下正常運(yùn)行，同時，也驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性。圖3、圖4、圖6中3種工況下，發(fā)動機(jī)出口冷卻液的溫度都維持在發(fā)動機(jī)較佳工作溫度范圍內(nèi)，而圖5中，發(fā)動機(jī)出口冷卻液溫度最終趨于107 ℃，發(fā)動機(jī)會出現(xiàn)“開鍋”現(xiàn)象，不能夠滿足發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的要求，故需要對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)中的部件參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

圖4 工況2下冷卻液溫度變化情況Fig.4 Change of coolant temperature under condition 2

圖5 工況3下冷卻液溫度變化情況Fig.5 Change of coolant temperature under condition 3

圖6 工況4下冷卻液溫度變化情況Fig.6 Change of coolant temperature under condition 4

另一方面，由于4個圖的曲線趨勢基本一致，本文中以圖3中一般運(yùn)行工況為例進(jìn)行分析。從圖3中可以看出，在汽車剛剛起步時，隨著時間的變化，發(fā)動機(jī)出口冷卻液的溫度不斷上升，而散熱器出口溫度維持在一個定值，此時，節(jié)溫器處于關(guān)閉狀態(tài)，只進(jìn)行小循環(huán)，散熱器沒有起到作用；大約在67 s時，發(fā)動機(jī)出口冷卻液溫度達(dá)到一個最大值，此時，節(jié)溫器開啟，散熱器開始起作用，在泵的作用下，原來儲存在散熱器中的冷卻液進(jìn)入發(fā)動機(jī)，這樣就會使得發(fā)動機(jī)出口冷卻液溫度下降，經(jīng)過多個循環(huán)波動之后，最終會趨于一個穩(wěn)定值。產(chǎn)生這種循環(huán)上下波動的原因可能是：節(jié)溫器中石蠟芯體與冷卻液之間的換熱系數(shù)低，熱交換量就少，石蠟芯體溫度上升的速度要小于冷卻液溫度上升的速度，故會出現(xiàn)上下波動的現(xiàn)象。其在4種工況下到達(dá)穩(wěn)定后的溫度對比情況如表4所示。

表4 在4種工況下穩(wěn)定后的溫度的對比Tab.4 Comparison of temperature after stabilization under four working conditions

圖3 工況1下冷卻液溫度變化情況Fig.3 Change of coolant temperature under condition 1

由表4可知，當(dāng)汽車在工況3下行駛時，發(fā)動機(jī)出口冷卻液的溫度是最高的，這是由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高，產(chǎn)生的熱量也多，而此時車速較低，進(jìn)風(fēng)量較少，導(dǎo)致散熱器與空氣的熱交換量較少；再加上室外環(huán)境溫度較高，與空氣的熱交換量變得更少，發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的熱量不能夠被及時冷卻，使得熱量堆積在發(fā)動機(jī)表面，無法散發(fā)出去，故發(fā)動機(jī)出口冷卻液的溫度是最高的。與工況2相比，工況3中的發(fā)動機(jī)出口冷卻液溫度要高11 ℃，說明環(huán)境溫度變化對發(fā)動機(jī)出口冷卻液溫度的影響挺大。而在工況4中，雖然發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)最大，產(chǎn)生的熱量最多，但其車速也最大，散熱器的進(jìn)風(fēng)量較大，散熱器中與空氣的熱交換量變大，其值要大于由于轉(zhuǎn)數(shù)高所產(chǎn)生的熱量，故使得發(fā)動機(jī)能夠維持在合理的溫度范圍內(nèi)。

為了改善工況3出現(xiàn)的這種現(xiàn)象，合理增大散熱器的有效正面積，尤其增大散熱器芯體的寬度，可以提高發(fā)動機(jī)冷卻效果[10-15]。針對發(fā)動機(jī)“開鍋”現(xiàn)象，提出了提高冷卻系統(tǒng)冷卻效果的方案，即增大散熱器散熱芯體的寬度，使其比原有尺寸大，增大至561 mm，增加了14 mm，同時，降低節(jié)溫器的開啟溫度為82 ℃，全開時溫度設(shè)為93 ℃，使其能夠滿足發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的冷卻效果的要求。優(yōu)化參數(shù)后的發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 優(yōu)化參數(shù)后工況3下冷卻液溫度變化情況Fig.7 Change of coolant temperature under condition 3 after optimization of parameters

由圖7可知，經(jīng)過優(yōu)化參數(shù)之后，運(yùn)行時間為250 s左右，發(fā)動機(jī)進(jìn)出口冷卻液及散熱器出口冷卻液溫度就開始趨于穩(wěn)定值，在高溫長時間爬坡工況下，其發(fā)動機(jī)出口冷卻液的溫度最終穩(wěn)定在103 ℃左右，滿足該型號汽車的發(fā)動機(jī)出口冷卻液溫度低于105 ℃的要求。參數(shù)重新設(shè)置后，在其他3種運(yùn)行工況下也能保持發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)具有較好的冷卻效果。該建?；痉蠈?shí)際情況，可為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究提供參考。

4 結(jié)束語

本文以AMESim一維仿真軟件為平臺搭建了發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真模型，模擬了4種工況下的發(fā)動機(jī)進(jìn)出口冷卻液溫度和散熱器出口冷卻液溫度隨時間的變化情況。結(jié)果表明：在高溫長時間爬坡工況下，發(fā)動機(jī)會出現(xiàn)“開鍋”現(xiàn)象，在其他3種工況能夠維持在較佳的工作溫度。通過改變散熱器的結(jié)構(gòu)、調(diào)整節(jié)溫器的參數(shù)加以解決，優(yōu)化后的方案能夠維持在較佳的工作溫度范圍內(nèi)，為后續(xù)發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究提供理論依據(jù)。