基于最小耗功的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設計研究

劉曉東 石秀勇 倪計民

摘要：應用商用仿真軟件GT-Cool對某客車柴油機建立冷卻系統(tǒng)一維仿真計算模型。基于最小耗功原則，在設定發(fā)動機進出口溫差和發(fā)動機出口溫度的情況下，獲得最合適的冷卻液流量和冷卻空氣流量特性需求，為水泵和風扇的傳動系統(tǒng)以及節(jié)溫器的匹配提供了優(yōu)化的邊界條件。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機冷卻系統(tǒng)；最小耗功；GT- Cool；匹配計算

中圖分類號：U464.138 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2012）02-0042-05

Analysis of Engine Cooling System Based on Minimum Power Consumption

LIU Xiao-dong，SHI Xiu-yong，NI Ji-min

（School of Automotive Studies, Tongji University，Shanghai 201804，China）

Abstract: By using simulation code GT-Cool，one-dimensional engine cooling system simulation model was established for a diesel engine. According to the minimum power consumption criteria，optimal engine coolant and cooling air flowrate were obtained on condition that temperature difference between engine entry and exit port and temperature of engine exit port were known，which were taken as boundary conditions of optimized matching of thermostat，coolant pump driving component and electromagnetic clutch.

Key words: engine cooling system；minimum power consumption；GT- Cool；matching

隨著對整車經(jīng)濟性要求的不斷提高，減小發(fā)動機冷卻系統(tǒng)耗功元件的耗功也越來越得到人們的重視。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的主要耗功元件是風扇和水泵。因此，對水泵和風扇的耗功進行分析顯得相當重要［1，2］。

在傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)校核設計計算中，在設計初期對水泵和風扇分別獨立設計，然后進行匹配組合。因而在匹配計算中，沒有同時對冷卻液流量和冷卻空氣流量進行優(yōu)化［3-8］，因而總耗功沒有實現(xiàn)最小化。

對此，本文將發(fā)動機冷卻液出口溫度設為定值，并且將發(fā)動機冷卻液進出口溫差作為邊界條件，在水泵、風扇和散熱器確定的情況下，在發(fā)動機外特性下，通過對水泵和風扇的功耗之和進行分析，獲得在不同轉(zhuǎn)速下的冷卻系統(tǒng)最小耗功、對應的冷卻液流量和冷卻空氣流量、水泵轉(zhuǎn)速和風扇轉(zhuǎn)速等，以及此時對應的水泵和風扇傳動比。并且根據(jù)冷卻空氣流量和風扇壓升的關(guān)系曲線，分析了風扇運行工況點在風扇性能曲線上的分布狀況，為風扇、水泵與發(fā)動機的優(yōu)化匹配提供依據(jù)。

1 冷卻系統(tǒng)的計算

1.1 傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)校核計算

傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)校核計算見圖1［7-9］。在使用驅(qū)動軸來直接驅(qū)動水泵以及風扇的情況下，因為水泵和風扇與發(fā)動機之間具有固定的傳動比，在確定了發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和散熱量后，就直接確定出水泵和風扇的轉(zhuǎn)速、效率、所消耗的功率等，以及發(fā)動機冷卻液出口溫度和發(fā)動機冷卻液進出口溫差。

1.2 基于發(fā)動機進出口溫差和出口溫度的計算

將發(fā)動機冷卻液出口溫度和進出口溫差作為輸入值，在確定了發(fā)動機散熱量的情況下，可以解出水泵和風扇的轉(zhuǎn)速、效率、消耗的功率等，見圖2。

1.3 系統(tǒng)最小耗功

通常，對于冷卻系統(tǒng)而言，系統(tǒng)所消耗的功率主要表現(xiàn)為水泵和風扇所消耗的功率。

水泵所消耗的功率計算公式［5］為：

式中:Nw為水泵消耗的功率；qvw為水泵流量；pw為水泵泵水壓力；?濁w為水泵總效率。

風扇所消耗的功率計算公式［5］為：

式中:Na為風扇消耗的功率；qva為風扇流量； pa為風扇的供氣壓力；?濁a為風扇總效率。

其中，水冷式冷卻系統(tǒng)空氣通道的阻力、也就是風扇的供氣壓力一般為［5］ ：

pa=?駐pR+?駐pL（3）

式中:?駐pR為散熱器的阻力；?駐pL為除散熱器外所有空氣通道的阻力，對于一般的汽車，?駐pL=（0.4~1.1）?駐pR。

因此，系統(tǒng)的總耗功為：

從該公式可以得出，系統(tǒng)總耗功與水泵流量、水泵泵水壓力、風扇流量、散熱器氣側(cè)阻力以及水泵和風扇的效率有關(guān)。

在考慮散熱器散熱性能的情況下，對公式（4）進行變形，獲得公式（5）：

式中：a1、a2為常數(shù)，c1為冷卻液比熱容，c2為冷卻空氣比熱容，Q為散熱量，?駐T12為發(fā)動機進出口溫差，T1為發(fā)動機出口溫度，T3為環(huán)境溫度，k為散熱器傳熱系數(shù)，A為散熱器熱交換面積。

1.4 基于最小耗功的匹配計算

基于發(fā)動機進出口溫差和出口溫度的計算流程，同時根據(jù)最小耗功原則，建立基于最小耗功的匹配計算過程，見圖3。

基于最小耗功的匹配計算的核心是，在確定了散熱量的情況下，設定發(fā)動機冷卻液出口溫度以保證“不開鍋”，并且假定在確定了散熱器、風扇和水泵的情況下，還可以通過在一定范圍內(nèi)改變發(fā)動機冷卻液進出口溫差，獲得水泵和風扇即冷卻系統(tǒng)的最小耗功，以及與最小耗功對應的冷卻液流量和冷卻空氣流量、對應的水泵轉(zhuǎn)速和風扇轉(zhuǎn)速。根據(jù)獲得的水泵轉(zhuǎn)速和風扇轉(zhuǎn)速，對風扇傳動比或風扇離合器、水泵傳動比進行匹配計算。

本文研究的重點是在確定了冷卻系統(tǒng)的主要零部件散熱器、風扇和水泵的情況下，對風扇匹配的“合理性”進行分析研究，并且對風扇和水泵驅(qū)動件的傳動比進行了分析計算。

2 某發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的計算結(jié)果分析

某客車柴油機冷卻系統(tǒng)（見圖4）使用機械式傳動方式來驅(qū)動水泵，并且使用電磁離合器來驅(qū)動風扇。在匹配時，為獲得最合適的水泵流量，節(jié)溫器全開。

2.1 建立發(fā)動機冷卻系統(tǒng)模型

使用GT-Cool軟件建立發(fā)動機冷卻系統(tǒng)仿真計算模型。根據(jù)第1.2節(jié)的計算流程，在模型中，水泵和風扇與發(fā)動機解耦，并且通過控制調(diào)節(jié)水泵和風扇的轉(zhuǎn)速，獲得預設的發(fā)動機進出口溫差以及發(fā)動機出口溫度。

2.2 額定轉(zhuǎn)速下最小耗功的確定

目前，柴油機的進出口溫差一般控制在3 ℃~7 ℃，而柴油機的正常工作溫度控制在80 ℃~95 ℃［6］。此外，在設計時，外界環(huán)境溫度，即散熱器氣側(cè)進氣溫度一般可取40 ℃~45 ℃［9］。

發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速為2 300 r/min，外界環(huán)境溫度設置為45 ℃。同時，柴油機冷卻液出口溫度設置為95 ℃，柴油機冷卻液進出口溫差在4 ℃~12 ℃的范圍內(nèi)變動。水泵和風扇的功率特性曲線分別見圖5和圖6。

仿真計算結(jié)果見圖7。由于水泵的特性曲線已經(jīng)確定，所能達到的溫差只能為4 ℃~9 ℃。

從圖7可見，隨著發(fā)動機進出口溫差的增加，在發(fā)動機散熱量一定的情況下，水泵流量會相應地減少。通常水泵流量與水泵泵水壓力成正比，因此根據(jù)公式（1），水泵消耗的功率也相應地減小。并且，根據(jù)公式（5），隨著發(fā)動機進出口溫差的增加，系統(tǒng)總耗功為先減小后增加，因此，在該工況下存在最小系統(tǒng)總耗功，即此時存在最合適的水泵流量與風扇流量。

2.3 外特性下總功耗以及最合適的水泵流量和風扇流量

用同樣方法，可獲得外特性下不同發(fā)動機進出口溫差時的總功耗和發(fā)動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線，見圖8。從圖8可見，在發(fā)動機高轉(zhuǎn)速區(qū)域，發(fā)動機進出口溫差為6℃時系統(tǒng)耗功最小，在發(fā)動機中低轉(zhuǎn)速區(qū)域，發(fā)動機進出口溫差的改變對總功耗的影響較小。同時獲得外特性下最合適的水泵流量、風扇流量與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系，見圖9。

3 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的匹配分析

3.1 風扇的匹配分析

該車型所匹配的風扇特性曲線見圖10，圖10顯示了風扇在風扇轉(zhuǎn)速為2 100 r/min、2 400 r/min、2 700 r/min和3 000 r/min時風扇的流量與靜壓的關(guān)系曲線，同時還顯示了風扇在各個轉(zhuǎn)速下的效率等值線。圖10中的虛線為上文所得的最合適風扇流量所對應的風扇運行工況點。

從圖10可見，即便按照最小功耗原則確定運行工況點，所得的風扇運行工況點并未分布在風扇特性曲線上的效率最高區(qū)域。由此可見，雖然使用該風扇可以保證發(fā)動機“不開鍋”，也盡量做到功耗最小，但是該風扇與發(fā)動機并不是最佳匹配，所以，需要在冷卻系統(tǒng)計算平臺上進行相關(guān)零部件的優(yōu)化匹配設計。

3.2 風扇驅(qū)動部件的匹配分析

同時，還獲得風扇轉(zhuǎn)速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線，以及對應的速比，見圖11。從圖11可見，風扇速比的最高值為1.35。因此電磁離合器的最高擋位速比可取1.35。

3.3 水泵傳動比的匹配分析

根據(jù)最小功耗原則計算得到的對應的水泵速比見圖12。從圖12可見，水泵速比的最高值為1.17。因此，如果采用機械式驅(qū)動方式，那么水泵速比應采用1.17。此時，在其它水泵速比不為1.17的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下，由于速比的增大，使得水泵提供的流量大于根據(jù)最小耗功原則求得的流量，該部分多余的流量只能通過節(jié)溫器分流。

4 結(jié)論

（1） 根據(jù)某客車的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立了發(fā)動機冷卻系統(tǒng)仿真模型。

（2） 根據(jù)最小耗功原則，獲得了最合適的冷卻液流量和冷卻空氣流量與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。

（3） 獲得了風扇運行工況點在風扇特性曲線上的分布，表明雖然該風扇可滿足“不開鍋”的要求，然而風扇并未運行在效率最高區(qū)域。

（4） 根據(jù)獲得的外特性下水泵轉(zhuǎn)速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線，如果采用機械式驅(qū)動方式，水泵與發(fā)動機轉(zhuǎn)速之間的速比應為1.17，同時獲得風扇轉(zhuǎn)速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線，可知電磁離合器的最高檔位的速比應取1.35。

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