基于KULI發動機冷卻系統的仿真與試驗研究

張克鵬

ZHANG Ke-peng

陜西重型汽車有限公司 陜西西安 710200

1 引言

重型商用車由于發動機功率大，所產生的熱量也相應的較大，再加上商用車較乘用車工況更加復雜和惡劣，普遍存在發動機冷卻液溫度過高的問題。因此，考慮在有限的發動機艙空間里，設計一個可靠而高效率的發動機冷卻系統，用合理的冷卻系統將發動機產生的熱量散發到外界空氣中，在汽車整車開發過程中變得越來越重要[1,2]。

發動機冷卻系統的設計匹配，傳統的方法是制作物理樣機，通過試驗分析各個子系統之間的相互影響，這樣需要不斷地制作樣機進行試驗對比，由于重型商用車發動機冷卻系統的復雜性，按傳統方法開發周期比較漫長，試驗費用也較為昂貴。同傳統的建造試驗方法相比，利用數字建模進行模擬計算分析，能在產品前期開發匹配過程中，就得到發動機冷卻系統的冷卻效率初步分析結果，避免了后期改進、完善、試驗驗證的時間消耗和成本浪費，對發動機冷卻系統的成功開發和設計帶來非常顯著的作用[3-5]。

KULI軟件是由斯太爾工程技術中心（ Magna Steyr Engineering Center）開發的汽車熱管理的一維仿真軟件，利用該軟件可以方便地進行冷卻系統的整體布置和計算。本文基于某重型商用車發動機冷卻系統，利用KULI軟件對該發動機冷卻系統進行4個典型工況的仿真計算，并將仿真結果與試驗數據進行對比，驗證仿真的準確性，為車輛冷卻系統匹配和優化提供技術支持和新的解決方案。

2 發動機冷卻系統參數設定

所研究某重型商用車冷卻系統的布置如圖1所示。發動機為增壓中冷式大功率柴油發動機，主要技術參數見表1。根據該重型商用車的結構形式，設計了進口壓降（KULI軟件中為CP閥模塊）、中冷器、散熱器、機械風扇、水泵、內部壓降（KULI軟件中為內部阻力模塊）和出口壓降等的仿真模型，這些模型包括以下信息：a. 部件的外形尺寸和位置參數；b. 流體模型，主要為內部流動流體和外部流動流體的壓力損失特性；c. 中冷器和散熱器等熱交換器部件的傳熱特性[6]。

表1 柴油機主要技術參數

2.1 散熱器模型

2.1.1 散熱器物理參數

按照車輛設計參數，確定散熱器外形尺寸：寬度為818 mm，高度為680 mm，厚度為40 mm；位置坐標按照車輛設計總布置，確定散熱器位置坐標為：(X,Y,Z)=(0,0,0)；按照車輛實際安裝使用條件，確定內部流動方向為-Z方向；根據車輛設計布置確定散熱器入口位置為左上方；內布置管道參數：根據車輛散熱器設計參數，確定管道總數為68，管道排數為1，管道截面積為53.53 mm2，浸潤周長為81.44 mm。

2.1.2 散熱器內部流動特性

散熱器內部流動冷卻液為水和乙二醇混合液，混合比例為50%，水箱壓力損失比為30%。

根據散熱器風洞性能試驗值，在定義散熱器內部流動特性時，將其輸入KULI軟件，在軟件中形成散熱器冷卻液流動壓力損失特性曲線，如圖2所示。

2.1.3 散熱器外部流動特性

散熱器外部流體為從汽車格柵進入發動機艙的空氣，入口絕對壓力為101.3 kPa，空氣濕度為50%，相對溫度為33℃。

根據散熱器在風洞性能試驗中的數值，在定義散熱器外部流動特性時，將其輸入KULI軟件，在軟件中形成散熱器外部流動（冷空氣）特性曲線，如圖3所示。

2.1.4 散熱器熱傳導特性

散熱器熱傳遞特性，根據試驗測試數據，在定義散熱器熱傳遞特性時，將其輸入KULI軟件，在軟件中形成其特性曲線如圖4所示。

2.2 中冷器模型

2.2.1 中冷器物理參數

按照車輛設計參數，確定中冷器外形尺寸：寬度為780 mm，高度為465 mm，厚度為50 mm；位置坐標按照車輛設計總布置，確定中冷器位置坐標為：(X,Y,Z)=(-150,50,0)；按照車輛實際安裝使用條件，確定內部流動方向為-Z方向；根據車輛設計布置確定中冷器入口位置為左上方；內布置管道參數根據車輛中冷器設計參數，確定管道總數為24，管道排數為1，管道截面積為390 mm2，浸潤周長為433 mm。

2.2.2 中冷器內部流動特性

中冷器內部流動入口絕對壓力為102.7 kPa，水箱壓力損失比為30%。

在定義中冷器內部熱側流動特性時，將中冷器風洞性能試驗中內部熱側的流量-壓力損失對應數值輸入到KULI軟件中冷器特性參數界面下，在軟件中形成中冷器內部熱側流動壓力損失特性曲線，如圖5所示。

2.2.3 中冷器外部流動特性

中冷器外部流體為從汽車格柵進入發動機艙的空氣，入口絕對壓力為102.7 kPa，空氣濕度為33%，相對溫度為28℃。

同樣根據中冷器風洞性能試驗數據，在KULI軟件中形成中冷器外部流動（冷空氣）特性曲線，如圖6所示。

2.2.4 中冷器熱傳導特性

中冷器熱傳遞特性，根據試驗測試數據，在定義中冷器熱傳遞特性時，將其輸入KULI軟件，在軟件中形成其特性曲線如圖7所示。

2.3 風扇模型

2.3.1 風扇物理參數

風扇外形參數：直徑為646 mm，葉片寬度為70 mm，厚度為94 mm，葉片數為9；按照車輛設計總布置，確定中冷器位置坐標為：(X,Y,Z)=(200,400,340)；采用機械直接式風扇，風扇與發動機轉速傳輸比為1。

2.3.2 風扇特性

風扇特性邊界條件：冷空氣入口溫度為20℃，入口壓力為101.3 kPa，空氣濕度為50%。

將冷卻風扇性能試驗中風扇轉速-冷卻流量-壓力損失對應數值輸入到KULI軟件的冷卻風扇特性參數界面下，在軟件中形成冷卻風扇的特性曲線如圖8所示。

2.4 水泵模型

2.4.1 水泵物理參數

水泵與發動機轉速傳輸比為1.867。

2.4.2 水泵特性

水泵特性邊界條件：冷卻液進入溫度為80℃，入口絕對壓力為201.3 kPa。

將水泵性能試驗中水泵轉速-冷卻液流量-壓力損失三者的對應值輸入到KULI軟件的水泵特性參數界面下，在軟件中形成水泵的特性曲線如圖9所示。

2.5 其他模型

2.5.1 進出口壓降

空氣流道特性引起的壓差由式(1)所示：

式中，△p為壓差，kPa；CP為空氣流道特性值；ρ為冷空氣密度，kg/m3；vinlet為冷空氣流速，km/h。

前端空氣流道特性用進口CP閥模塊表示，按照車輛設計總布置確定位置坐標為：(X,Y,Z)=(-400,400,340)；特性值設定：入口區域面積=0.40 m2，CP=0.9。

后端空氣流道特性用出口CP閥模塊表示，按照車輛設計總布置確定位置坐標為：(X,Y,Z)=(450,400,340)；特性值設定：出口區域面積=1 m2,CP=-0.1。

2.5.2 內部壓降

內部壓降在KULI軟件里面通過內部阻力模塊表示，其位置按照車輛設計總布置為：(X,Y,Z)=(400,400,340)；根據試驗時候的大氣溫度，預設入口溫度為20℃，空氣濕度為10%，入口壓力為101.3 kPa。

模擬行駛車速=15 km/h，參數化壓降由式(2)表示：

式中，y為壓降；x為流量；a、b、c為常系數。流動方向的常系數設定為：a=45，b=0，c=0。邊界限值設定：最小值=-1，最大值=1。

2.5.3 格柵區域阻力

外形參數：寬度為550 mm，高度為630 mm，厚度為26 mm；位置坐標按照車輛設計總布置，確定格柵區域位置坐標為：(X,Y,Z)=(-300,50,0)；根據試驗時候的大氣溫度，預設入口溫度為20℃，空氣濕度為10%，入口壓力為101.3 kPa。

參數化壓降由式(2)表示，流動方向的常系數設定為：a=25，b=0，c=0。邊界限值設定：最小值=0.1，最大值=4.6。

3 循環定義

3.1 內循環定義

內循環包括散熱器冷卻液回路和中冷器流體回路，如圖10所示。

3.2 外部循環定義

外部循環主要針對冷卻系統外部冷卻空氣的流動路徑，定義了空氣流經路線的5個節點，每個節點前后分別為部件參數模型，以此來表示冷卻空氣流經各個部件模型的先后次序，如圖11所示。

4 模擬計算與分析

根據臺架模擬運行試驗數據和發動機冷卻系統模型參數設置，確定仿真模型模擬計算工況，主要包括發動機轉速、平均有效壓力、行駛車速、大氣濕度和壓力等，研究針對發動機最大轉速、最大扭矩等幾個典型工況進行分析，具體工況如表2所示。

表2 模擬計算工況

通過分析計算，得到包括散熱器的進出水溫度及溫差、散熱器進出水壓力及壓力差、中冷器的進出氣溫度及溫差、中冷器的進出氣壓力及壓差等結果，如表3所示。

表3 模擬計算結果

5 仿真結果與試驗對比

通過重型商用車柴油機臺架試驗獲得發動機冷卻系統性能數據。試驗過程中，測量參數有溫度測量點，壓力測量點和水流量測量點，同時控制發動機輸出扭矩和轉速。最大扭矩工況(工況2)和額定轉速工況(工況4)下所有參數試驗數據和仿真模擬數據對比如圖12、13所示。

從圖12、13中可以看出，除了中冷器進出氣壓差和散熱器進出水溫差，其誤差超過了8%，其他試驗數據和仿真模擬數據結果誤差很小，最大不超過5%，最小的誤差在1%以內。造成誤差偏大的原因是：模型選取的是部件的理想情況，沒有充分考慮熱交換器部件內部介質的流動和換熱損失；試驗過程中各種參數測量存在有測量誤差；誤差較大的這兩項基數偏小，與此對應的誤差百分比就比較大。因此可以認為，基于KULI軟件進行該重型商用車發動機冷卻系統分析具有非常高的準確度，為發動機冷卻系統的設計與匹配能夠提供理論依據。

6 結論

a. 利用數值計算方法可以在車輛開發前期對其發動機冷卻系統進行研究，縮短開發時間，降低開發成本。

b. 基于一維熱管理仿真軟件KULI建立發動機冷卻系統模型，計算了冷卻系統各部件的散熱情況，為發動機冷卻系統的設計匹配提供理論依據和新的解決方案。

c. 數值模擬與臺架試驗相結合，為發動機冷卻系統集成優化開發提供平臺和流程方面支持，從而減少大量試驗，節省大量的人力和物力成本，縮短開發周期。

[1] 陳家瑞.汽車構造[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2] 劉惟信.汽車設計[M].北京:清華大學出版社,2001.

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[4] 成曉北,潘立,周祥軍.車用發動機冷卻系統工作過程與匹配計算[J].汽車工程,2008.30(9):758-763.

[5] 俞小莉.發動機熱平衡仿真研究現狀與發展趨勢[J].車用發動機,2005(5):1-5.

[6] Magna Steyr Engineering Center. KULI8.0 Reference Help[G],2010.