某增壓車型冷卻系統(tǒng)分析與驗(yàn)證

張應(yīng)兵，王次安，王宏大，劉吉林

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某增壓車型冷卻系統(tǒng)分析與驗(yàn)證

張應(yīng)兵，王次安，王宏大，劉吉林

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

為了驗(yàn)證冷卻系統(tǒng)仿真分析在整車?yán)鋮s系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的意義，根據(jù)某增壓車型冷卻系統(tǒng)布置原理建立冷卻系統(tǒng)分析模型，基于水套CFD分析及冷卻系統(tǒng)一維模型確定各轉(zhuǎn)速工況下冷卻系統(tǒng)各支路流量分配情況，然后將分析結(jié)果與整車?yán)鋮s系統(tǒng)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證分析的精度，確定冷卻系統(tǒng)分析在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的意義。

1D；冷卻系統(tǒng)；水套；CFD；試驗(yàn)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.11.038

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)11-103-03

前言

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的任務(wù)是使發(fā)動(dòng)機(jī)得到適度的冷卻，從而保持在最適合的溫度范圍內(nèi)工作[1]，如果發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻能力不足，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件惡化，進(jìn)而引起發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性全面變差[2]，近年來(lái)，高效、高增壓比的渦輪增壓器設(shè)計(jì)已成為增壓技術(shù)主要的發(fā)展方向[3]，但是增壓技術(shù)的應(yīng)用在提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的同時(shí)，對(duì)冷卻系統(tǒng)也提出了更高的要求[4]，所以增壓發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也就尤為重要，這也就需要尋找一種高效、準(zhǔn)確的冷卻系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法。

本文利用三維和一維聯(lián)合分析方法對(duì)某增壓車型冷卻系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，確定冷卻系統(tǒng)流量分配情況。然后進(jìn)行整車?yán)鋮s系統(tǒng)試驗(yàn)，與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)相比，整車?yán)鋮s系統(tǒng)試驗(yàn)流量數(shù)據(jù)更接近實(shí)際狀態(tài)，根據(jù)仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比判斷仿真精度，驗(yàn)證冷卻系統(tǒng)仿真分析在整車?yán)鋮s系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的意義。

1、發(fā)動(dòng)機(jī)水套CFD分析

圖1　冷卻系統(tǒng)仿真分析流程

整車?yán)鋮s系統(tǒng)分析流程如圖1所示，冷卻系統(tǒng)1D建模主要邊界包括管路尺寸、水套流阻特性、各部件流阻特性和水泵性能，建立冷卻系統(tǒng)1D分析模型計(jì)算確定系統(tǒng)流量分配和壓力分布情況。

首先確定水套流阻特性，水套流阻數(shù)據(jù)一般通過(guò)水套CFD分析獲得，首先對(duì)該增壓發(fā)動(dòng)機(jī)水套的CAD模型進(jìn)行前處理，并進(jìn)行面網(wǎng)格的劃分，然后將面網(wǎng)格以中間格式導(dǎo)入流體分析軟件中，進(jìn)行流體網(wǎng)格的劃分，為了保證計(jì)算收斂性及計(jì)算精度，需要對(duì)模型關(guān)鍵位置進(jìn)行細(xì)化。然后進(jìn)行分析設(shè)置，分析模型介質(zhì)為乙二醇溶液，冷卻液為不可壓縮穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)，采用復(fù)合壁函數(shù)來(lái)處理接觸壁面[5]，湍流模型采用穩(wěn)定性較好的k-ε模型，k-ε模型可以通過(guò)以下兩個(gè)方程來(lái)描述，即：

對(duì)水套模型設(shè)置不同的流量進(jìn)出口邊界，通過(guò)計(jì)算確定不同流量下水套各出口對(duì)應(yīng)的流阻數(shù)據(jù)，圖2為水套壓強(qiáng)分布圖，圖中對(duì)水套進(jìn)出口進(jìn)行標(biāo)注，從圖中可以看出水套散熱器出水口為整個(gè)水套壓力最低位置，水套壓力分布過(guò)渡均勻，壓力分布正常。各流量邊界下水套暖風(fēng)支路和散熱器支路流阻特性曲線如圖3所示。

圖2　水套壓強(qiáng)分布云圖

圖3　發(fā)動(dòng)機(jī)水套流阻特性曲線

2、冷卻系統(tǒng)一維分析

該增壓車型冷卻系統(tǒng)原理圖如圖4所示，根據(jù)系統(tǒng)原理圖知該增壓車型冷卻系統(tǒng)包括高溫循環(huán)回路和低溫循環(huán)回路，兩回路冷卻液通過(guò)膨脹水壺連接流動(dòng)。

圖4　冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

冷卻系統(tǒng)各主要部件流阻特性曲線如圖5所示，該數(shù)據(jù)根據(jù)零部件單體試驗(yàn)測(cè)試獲得，水泵性能數(shù)據(jù)如圖6所示，該水泵性能MAP圖根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試機(jī)數(shù)據(jù)差值獲得，通過(guò)MAP圖對(duì)水泵性能數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可以更準(zhǔn)確的反應(yīng)水泵真實(shí)性能。

根據(jù)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖和各邊界條件進(jìn)行冷卻系統(tǒng)一維分析模型的建模，分析模型如圖7所示，圖中對(duì)冷卻系統(tǒng)各主要部件進(jìn)行標(biāo)注。

圖5　各主要部件流阻特性

圖6　發(fā)動(dòng)機(jī)水泵特性

圖7　整車?yán)鋮s系統(tǒng)分析模型

冷卻系統(tǒng)計(jì)算工況點(diǎn)為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1500rpm、2000rpm、2500rpm、3000rpm、3500rpm、4000rpm、4500rpm和5000rpm，共8個(gè)工況點(diǎn)，表1為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速5000rpm工況下系統(tǒng)流量分配情況，系統(tǒng)各支路流量分配正常。其他各轉(zhuǎn)速流量變化情況如圖10所示。

表1　冷卻系統(tǒng)各支路的流量分配

3、整車?yán)鋮s系統(tǒng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證冷卻系統(tǒng)仿真分析的精確度，進(jìn)行整車?yán)鋮s系統(tǒng)試驗(yàn)，整車?yán)鋮s系統(tǒng)各傳感器布置方式如圖8所示， 由圖可知各傳感器與冷卻系統(tǒng)各支路連接方式。實(shí)車中水流量傳感器布置方式如圖9所示，為方便傳感器與系統(tǒng)連接，增加部分管路長(zhǎng)度，為降低增加管路對(duì)系統(tǒng)流阻的影響，要求增加的管路直徑比原管徑大，并且管路接頭過(guò)渡平緩。

圖10　分結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

分別控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為以上8個(gè)工況點(diǎn)，進(jìn)行整車?yán)鋮s系統(tǒng)試驗(yàn)，測(cè)量并記錄各傳感器試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，判斷仿真分析的精確度，具體對(duì)比結(jié)果如圖10所示。

根據(jù)對(duì)比結(jié)果可知，冷卻系統(tǒng)分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好，個(gè)別工況下試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在波動(dòng)，與分析結(jié)果存在一定偏差，但兩結(jié)果整體符合較好，且大部分工況點(diǎn)下偏差小于10%，說(shuō)明仿真分析的精度較高。

4、結(jié)論

為驗(yàn)證冷卻系統(tǒng)仿真分析在整車?yán)鋮s系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的精確度，選取某冷卻系統(tǒng)較復(fù)雜的增壓車型進(jìn)行冷卻系統(tǒng)建模分析，并進(jìn)行整車水流量測(cè)試試驗(yàn)，將分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果知除個(gè)別試驗(yàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)點(diǎn)外，仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好，兩結(jié)果偏差小于10%，說(shuō)明冷卻系統(tǒng)仿真具有較高的精確度，可以為冷卻系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供支持，提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率。

[1]劉艷莉等.汽車構(gòu)造與使用[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[2]馮貝貝,張少華等.增壓直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)優(yōu)化的研究[J].內(nèi)燃機(jī),2013,（2）21-25.

[3]張揚(yáng)軍,張樹(shù)勇，徐建中.內(nèi)燃機(jī)流動(dòng)熱力學(xué)與渦輪增壓技術(shù)研究. [J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2008，26（增刊）：90-95.

[4]胡群,韓同群,張?jiān)迄i. [J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào).2008. （22）:18-22.

[5]AVL fire user's guide version 3.3[R]. AVL LISTGmbH，2000.

Analysis and Test of Cooling System for Turbocharged Vehicle

Zhang Yingbing, Wang Cian, Wang Hongda, Liu Jilin
( Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In order to verify the importance of cooling system simulation, the cooling system model of turbocharged vehicle is built basing on arrangement principle of cooling system. The coolant flow rate of different branches can be got based on CFD and 1D simulation model. Then simulation results can be compared with test data. And the accuracy of simulation can be verified according to test.

1D; Cooling system; Water jacket; CFD; Test

U467.3

A

1671-7988(2016)09-103-03

張應(yīng)兵（1979-），男，工程師，就職于江淮汽車技術(shù)中心發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究院，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。