匹配大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)性能分析

支保京（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

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匹配大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)性能分析

支保京
（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

摘要：重型卡車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)對發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能及可靠性、耐久性有很大影響。文章針對大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行正向匹配研究，后期建立數(shù)字模型，能在產(chǎn)品前期開發(fā)匹配過程中，就得到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的冷卻效率初步分析結(jié)果，避免了后期改進(jìn)、完善、試驗(yàn)驗(yàn)證的時(shí)間消耗和成本浪費(fèi)。通過使用數(shù)字建模模擬計(jì)算的方式來部分取代、甚至完全取代整車?yán)鋮s系統(tǒng)性能試驗(yàn)驗(yàn)證的工作，不但能降低試驗(yàn)研發(fā)的費(fèi)用，更能縮短整個(gè)開發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：重型卡車；冷卻系統(tǒng)；匹配計(jì)算；數(shù)字模型

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033

CLC NO.: U464.138Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-167-03

引言

汽車?yán)鋮s系統(tǒng)是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的部分熱量與空氣進(jìn)行熱交換的換熱設(shè)備，其散熱器性能的好壞對發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性有很大的影響。散熱器的散熱能力太小或過高對發(fā)動(dòng)機(jī)的性能都有影響。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)日益強(qiáng)化，其機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷問題越發(fā)突出[1]。

對于現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)，可以通過熱平衡試驗(yàn)，確定其燃燒放熱的總熱量中傳給冷卻液和潤滑油的那部分熱量。國內(nèi)外的熱平衡計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)傳給冷卻介質(zhì)的總熱量約占燃料燃燒所釋放熱量的20％～30％，汽油機(jī)為20％～28％。同時(shí)，由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦等機(jī)械損失也帶走一部分的能量[2]。

如何選擇散熱器型式，確定散熱器面積，合理布置多個(gè)散熱器組合以及在動(dòng)態(tài)的負(fù)荷下實(shí)現(xiàn)散熱性能優(yōu)化等都必須從系統(tǒng)的角度加以考慮。本文應(yīng)用車輛熱管理方法從系統(tǒng)和集成的角度，綜合考慮整車、發(fā)動(dòng)機(jī)和冷卻系統(tǒng)的關(guān)系，通過研究車輛的能量轉(zhuǎn)換、流動(dòng)與傳熱等過程，以及各子系統(tǒng)之間的內(nèi)在聯(lián)系，確保散熱系統(tǒng)正常工作，保障發(fā)動(dòng)機(jī)的正常性能，使冷卻系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)、整車的匹配最優(yōu)化。

1、性能計(jì)算

1.1風(fēng)扇性能

首先進(jìn)行風(fēng)扇的選型，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)廠家提供的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到風(fēng)扇需要使用大直徑系列。風(fēng)扇：外徑φ750，輪轂直徑φ328，葉片投影寬度105，葉片個(gè)數(shù)11，嚙合溫度90℃，分離溫度90℃。

計(jì)算風(fēng)扇的壓力如下公式所示：

式中：?PR—散熱器的阻力，?PR=100-700Pa，取10m/s風(fēng)速下各個(gè)散熱器對應(yīng)的系統(tǒng)風(fēng)阻，1P?—除散熱器以外的所有空氣通道的阻力，1P?=(0.4～1.3) ?PR，取1P?=1.0?PR，將相關(guān)參數(shù)代入式(1)可得系統(tǒng)的阻力。

風(fēng)扇存在兩種構(gòu)型如圖1所示，通過試驗(yàn)得到兩種風(fēng)扇的空氣流量如圖2所示。得到帶加強(qiáng)筋的風(fēng)扇在同樣轉(zhuǎn)速下風(fēng)量較大，故選設(shè)計(jì)B為冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇。

圖1　風(fēng)扇外形對比圖

1.2散熱器性能

1.2.1散熱器的散熱量等于冷卻系統(tǒng)的散熱量QW，冷卻空氣量Va等于流過散熱器的空氣量，其計(jì)算公式如下：

式中：Va——冷卻空氣理論需要量，m3/s；

?ta——空氣進(jìn)入散熱器以前與通過散熱器以后的溫度差，℃，取?ta=25℃；γa——空氣的重度，γa=1.01 kg/m3； CP——空氣定壓比熱，CP=1.047 kJ/kg·℃。

1.2.2根據(jù)冷卻空氣量Va，計(jì)算散熱器的正面積：

式中：FR——散熱器的理論正面積，m2；

Va—散熱器正面前的空氣流速，Va=8m/s～10m/s，取Va=10m/s。

1.2.3散熱器的散熱表面積

式中：F—散熱器的理論散熱表面積m2，KR—傳熱系數(shù)，KR=0.069 kJ/ m2·s·℃～0.117kJ/ m2·s·℃，KR=0.099kJ/m2·s·℃；?t—散熱器中冷卻液和冷卻空氣的平均溫差，取?t=41℃。

表1　散熱器性能參數(shù)

表2　中冷器性能參數(shù)

通過以上計(jì)算得到冷卻系統(tǒng)散熱器的需求尺寸，如表1所示，通過相關(guān)軟件可模擬出散熱器的散熱量，表2為匹配散熱器的中冷器尺寸及散熱性能。

1.3匹配計(jì)算

基于熱管理軟件進(jìn)行車輛熱管理數(shù)據(jù)的整理及模擬計(jì)算，后期將在軟件中建立車型對應(yīng)的冷卻系統(tǒng)。前期依據(jù)加寬冷卻模塊進(jìn)行簡單數(shù)據(jù)建模，模型建立對加寬冷卻模塊進(jìn)行冷卻能力驗(yàn)證，在發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量170KW，冷卻水流量6.7kg/s，環(huán)境溫度40℃[3]。計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度為91℃，符合發(fā)動(dòng)機(jī)散熱性能要求，為了匹配高溫地區(qū)散熱系統(tǒng)，在原散熱系統(tǒng)上進(jìn)行加大風(fēng)扇速比，得到發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度為86℃（計(jì)算如圖2所示）。通過計(jì)算得到了在兩種風(fēng)扇速比下的散熱參數(shù)，正常匹配完成后才能進(jìn)行高溫地區(qū)的冷卻系統(tǒng)匹配。在保證一個(gè)系類發(fā)動(dòng)機(jī)的最大冷卻能力后，不在進(jìn)行散熱器及中冷器的開發(fā)，通過改變風(fēng)扇的速比或直徑來達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)的合適出水溫度。

圖2　計(jì)算結(jié)果

2、流動(dòng)計(jì)算

2.1冷卻模塊外流動(dòng)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙是一個(gè)半封閉的空間，艙內(nèi)主要包括冷卻系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)及進(jìn)氣排氣系統(tǒng)、傳動(dòng)裝置，結(jié)構(gòu)布置緊湊，文中考慮了散熱元件的散熱量、高溫元件熱源、空氣的對流傳熱等因素，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)艙模型，利用CFD軟件對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場進(jìn)行數(shù)值仿真，通過穩(wěn)態(tài)計(jì)算得到了發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部氣流的速度、溫度分布、重要元件的表面溫度等參數(shù)。

確定散熱器及中冷器的性能后進(jìn)行帶風(fēng)扇的機(jī)艙氣流流動(dòng)計(jì)算，風(fēng)扇尺寸按照本文確定尺寸φ750。圖3為風(fēng)扇在大轉(zhuǎn)速情況下氣流通過散熱器及中冷器的速度分布，由于風(fēng)扇上置，故在中冷器和散熱器上部流動(dòng)速度比較高，流量較大。在中冷器及散熱器被冷凝器阻擋區(qū)域，速度較低，流量較小。通過以上計(jì)算及分析認(rèn)為需要抬高散熱器及中冷器位置，使風(fēng)扇的氣流面積盡量多的覆蓋散熱器表面積，提高散熱效率[4]。

圖3　氣流經(jīng)過中冷器及散熱器速度分布云圖

2.2機(jī)艙內(nèi)流動(dòng)

計(jì)算機(jī)艙內(nèi)部氣流流動(dòng)，工況及溫度：中低速40 km/h爬坡，坡10°；進(jìn)風(fēng)環(huán)境溫度40℃；排氣管、發(fā)動(dòng)機(jī)等表面溫度均為冷卻熱害試驗(yàn)結(jié)果參數(shù)；參數(shù)設(shè)置：多孔介質(zhì)阻抗系數(shù)的設(shè)置要根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的冷凝器、空冷器、油冷器、散熱器的壓力-流速曲線獲取[5]。

圖4　機(jī)艙速度流線云圖

圖4中可以清楚的看到在發(fā)動(dòng)機(jī)前艙上方存在較大的漩渦流，這是由于加熱氣體回流到發(fā)動(dòng)機(jī)前艙與流經(jīng)格柵的冷卻氣體相遇而造成的，渦流的存在嚴(yán)重的影響了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻模塊的進(jìn)氣量，提高了進(jìn)氣溫度，這給發(fā)動(dòng)機(jī)散熱帶來了更大的困難。

從圖4中清楚地顯示出冷卻氣體在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流動(dòng)的情況：冷卻空氣從進(jìn)氣格柵進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)前艙，在風(fēng)扇的吸力作用下，依次通過中冷器、散熱水箱和冷卻風(fēng)扇，然后吹向發(fā)動(dòng)機(jī)體，帶走機(jī)體表面多余熱量。由于冷卻風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)前端之間的間距較小以及機(jī)艙空間較為緊湊，導(dǎo)致流經(jīng)風(fēng)扇后的受熱氣體在機(jī)艙內(nèi)流通不暢，不能順暢的向機(jī)艙出口流出，再加上冷卻模塊前后壓力差的作用下，最終流進(jìn)導(dǎo)致冷卻模塊的受熱氣體回流到發(fā)動(dòng)機(jī)前艙，再次進(jìn)入中冷器和散熱器，回流的受熱氣體反復(fù)受到中冷器和散熱水箱的加熱，從而導(dǎo)致冷卻模塊散熱性能下降，致使發(fā)動(dòng)機(jī)的出水溫度偏高；進(jìn)氣口溫度明顯高于環(huán)境溫度，這勢必影響發(fā)動(dòng)機(jī)艙的散熱，導(dǎo)致機(jī)艙溫度過高。方框內(nèi)區(qū)域存在小范圍回流，但范圍僅位于護(hù)風(fēng)罩以上及散熱器后部。針對以上計(jì)算進(jìn)行管路更改及導(dǎo)流板及止流板的加裝。

3、結(jié)論

本文主要針對大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行正向匹配研究，后期建立數(shù)字化模型。重型商用車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)對發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能及可靠性、耐久性有很大影響。利用數(shù)字建模進(jìn)行模擬計(jì)算分析，能在產(chǎn)品前期開發(fā)匹配過程中，就得到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的冷卻效率初步分析結(jié)果，避免了后期改進(jìn)、完善、試驗(yàn)驗(yàn)證的時(shí)間消耗和成本浪費(fèi)。

本文主要對發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的數(shù)字建模模擬計(jì)算進(jìn)行研究，但對于整車開發(fā)來說，還有很多系統(tǒng)都是可以運(yùn)用數(shù)字建模的方式來模擬計(jì)算的。隨著企業(yè)數(shù)字化開發(fā)平臺的不斷深入和完善，相信今后能更多更好的用數(shù)字建模模擬計(jì)算的方式來取代傳統(tǒng)的整車系統(tǒng)性能試驗(yàn)驗(yàn)證的工作。

參考文獻(xiàn)

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The Analysis performance of matching high-powered engine cooling system

Zhi Baojing
( Shaanxi Automoblie Group Co.Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

Abstract:Truck diesel engine cooling system on engine performance and overall reliability and durability have a great impact. Wenwen be a positive match for the study of high-powered engines, the latter established digital model, the product can match the pre-development process, you get the cooling efficiency of the engine cooling system of the preliminary results of the analysis, avoiding late to improve, improve, test verification and time consuming and the cost of waste. Way through the use of digital modeling simulation to replace part of, or even completely replace the vehicle cooling system performance test verification work, not only to reduce test development costs, shorten the development cycle more.

Keywords:heavy duty truck; cooling system; matching calculation; digital model

中圖分類號：U464.138

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-7988 （2016）05-167-03

作者簡介：支保京，就職于陜西汽車股份有限公司。