基于整車行駛工況的熱管理系統綜合評價體系研究

馬信元 倪計民 石秀勇 夏廣范 劉越

（同濟大學，上海 201804）

基于整車行駛工況的熱管理系統綜合評價體系研究

馬信元 倪計民 石秀勇 夏廣范 劉越

（同濟大學，上海 201804）

以某款客車的發動機熱管理系統作為研究對象，以客車14常用工況點下水泵和風扇的平均功耗作為發動機熱管理系統的經濟性評價指標，并結合冷卻性能指標和限制性指標，建立發動機熱管理系統的綜合評價體系。以此評價體系作為評價指標，運用GT-Drive和GT-Cool軟件，以仿真模擬和試驗相結合的方法，對散熱器、水泵和風扇的不同選型方案進行優化匹配。結果表明，系統功耗由2.61 kW降低到1.60 kW，沸騰環境溫度值由49℃提升到60℃。

1 前言

汽車熱管理技術對汽車節能減排和提高整車性能有重要作用，曾被美國列為21世紀商用車的關鍵技術之一[1]。以往的研究都是在最大扭矩和最大功率點結合冷卻常數或者冷卻系統功耗等指標對冷卻系統零部件進行匹配[2～3]，很少考慮車輛的實際行駛狀況。因此，本文在現有熱管理系統評價指標的基礎上，提出了基于客車行駛工況的熱管理系統綜合評價體系，并以此作為評價指標進行熱管理系統的零部件選型匹配。

2 基于行駛工況的熱管理綜合評價體系

現行的熱管理系統評價指標主要有：冷卻常數、沸騰環境溫度（Air TO Boil,ATB）、冷卻系統能耗、冷卻效率、功率系數和體積系數。這些評價指標只是對熱管理系統某一方面進行評價，缺乏對熱管理系統的整體性評價。本文在原有指標的基礎上提出了一種基于車輛實際行駛工況的熱管理系統綜合評價體系，用于評價實車運行環境下冷卻系統的性能。

2.1 評價指標的選擇

2.1.1 限制性指標

車輛熱管理系統的首要目標是滿足車輛正常行駛過程中的散熱需求。重型商用車冷卻系統的限制指標是指在極限環境條件和極限工況下，發動機冷卻液不超過最高許用溫度。

目前，一般規定極限環境條件為環境溫度45℃，極限工況為外特性下最大扭矩和最大功率點。

2.1.2 冷卻能力指標

參照國家標準GB/T 12542—2009《汽車熱平衡能力道路試驗方法》，使用發動機極限工況下的ATB作為冷卻系統冷卻能力的評價指標。

2.1.3 經濟性指標

冷卻風扇和水泵是冷卻系統中的主要耗功部件，在對冷卻系統經濟性進行評價時，以車輛行駛工況下冷卻系統的平均功耗作為評價指標，其計算公式為：

式中，E為基于車輛行駛工況下的冷卻系統平均功率；Pi為車輛行駛工況i下的冷卻系統功率；Pwi為車輛行駛工況i下的冷卻液側的功率；Pai為車輛行駛工況i下的冷卻空氣側的功率；wi為車輛行駛工況i下的運行時間比例（權重系數）。

由公式（1）可以看出，所提出的經濟性指標可以衡量客車常用行駛工況下熱管理系統的能耗。

根據以上評價指標的選擇，建立熱管理系統綜合評價體系的層次分析模型，如圖1所示。

圖1 冷卻系統綜合評價體系的層次模型

2.2 權重的確定

構成評價體系目標函數的另一個關鍵因素就是權重系數的分配。權重系數的分配可以依據層次分析理論，構造判斷矩陣計算得到，但更多的是通過經驗來完成。在熱管理系統綜合評價體系中，權重系數可以根據自身的需求分配，相對靈活。本文在滿足熱管理系統限制性指標的情況下，更注重于熱管理系統的經濟性，因此對于權重值的分配為冷卻能力∶經濟性=3∶7。

2.3 量綱統一化

在建立的熱管理系統綜合評價體系中，ATB為追求極大值的指標，熱管理系統平均功率為追求極小值的指標。將變化趨勢統一為越大越好，采用量綱統一化公式，極大值和極小值為：

式中，Si為參考值；Ci為方案計算（或試驗）結果值；比值Ni的量綱為1，反映了不同冷卻系統方案相對于參考方案在第i個指標上性能的優化/劣化程度，且Ni值越大，表明優化程度越大。

2.4 綜合評價體系

結合權重系數分配和量綱統一化，得到冷卻系統綜合評價體系中的目標函數：

式中，T即為冷卻系統最終的綜合評價指數，反映了該方案相對于參考方案的優化/劣化幅度；k1、k2分別為ATB和冷卻系統平均功率在綜合評價體系中的總權重，其值為該項指標權重與所對應的類指標權重的乘積；N1、N2分別為ATB和熱管理系統平均功率量綱統一化后的值。

3 熱管理系統綜合評價體系應用研究

3.1 客車常用工況的確定

應用GT-Drive軟件建立客車的仿真計算模型，基于客車的行駛循環（C-WTVC,WTVC,World Transient Vehicle Cycle），通過仿真得到整車行駛循環下的發動機運行工況點。

3.1.1 客車GT-Drive整車建模與標定

根據不同的仿真計算任務，搭建整車動力總成匹配仿真模型，并進行標定和仿真計算。模型的主要標定參數如表1所列，其中標定參數的試驗數據來源于客車的整車道路試驗[4]。從表1可以看出，仿真計算值和試驗值吻合較好。

表1 整車GT-Drive模型的標定參數及誤差

3.1.2 C-WTVC循環工況下發動機常用工況點

C-WTVC循環工況是在GB/T 27840—2011《重型商用車輛燃料消耗量測量方法》中規定了用來評價重型車燃油經濟性的循環工況。該循環工況由市區、公路和高速工況3部分組成，不同類別的車輛運行情況不同。

所研究車輛類別屬于客車，滿載質量為14 000 kg，根據標準可知市區、公路和高速工況的比例為1∶2∶7（GVW＞12 500 kg），其中GVW為包括乘客質量的車輛總質量。

3.1.3 GT-Drive仿真結果分析與處理

根據C-WTVC的循環工況數據，在建立的整車GTDrive模型中，分別運行市區循環、公路循環和高速循環，仿真計算結果如圖2～圖4所示，其中BMEP為發動機平均有效壓力。發動機在C-WTVC循環下工作，圖中負工況是由于循環中的急減速過程中制動器工作造成的，該扭矩即為制動力扭矩，發動機在該轉速下的輸出扭矩為零。

圖2 C-WTVC市區循環客車發動機運行特性

圖3 C-WTVC公路循環客車發動機運行特性

圖4 C-WTVC高速循環客車發動機運行特性

將GT-Drive整車模型計算得到的發動機運行工況點及時間頻率進行處理。可以看到，在市區、公路和高速循環中，發動機分布在700～1 350 r/min區間內的工況點較少，且時間頻率很小，因此將其作為一個工況區域處理；將1 350～2 300 r/min區間均勻劃分為16個工況區域，如表2所列。

表2 工況分布劃分規則

在滿足一定的許用誤差下，瞬態循環工況可以用若干個穩態工況點替代原瞬態工況以進行等效簡化，方便進行發動機臺架試驗[5]。按此規則分別對市區、公路和高速循環發動機運行工況分布圖做劃分處理，然后將單個工況區域內的工況點用一個常用穩態工況點表征。常用工況點由每個工況區域的平均點來代替，其加權系數（時間頻率）由區域內所有工況點的總時間頻率確定，得到市區、公路和高速循環發動機的常用穩態工況點及其時間頻率如圖5～圖7所示。

由文獻[6]可知，在對NEDC循環進行穩態工況點簡化時，當簡化工況點的數目大于10個時，基于加權簡化工況點的發動機油耗計算結果已經基本趨于穩定，當繼續增加簡化工況點的數目，油耗計算結果基本不變。由于目前簡化后的工況點數目大于10個，為方便評價進行如下處理：

a.按照市區∶公路∶高速=1∶2∶7的比例，得到各簡化工況在C-WTVC中的總權重系數。

b.對相鄰的工況點求其平均點，判斷的準則是相鄰兩工況的轉速和負荷均相差±2%以內。

c.剔除總權重系數小于1%的工況，最后對篩選得到的工況點重新計算權重系數。

最終得到14個高頻工況點如圖8所示。

3.2 客車熱管理系統GT-Cool建模及標定

所研究客車熱管理系統中冷卻水泵采用皮帶傳動；冷卻風扇采用三擋式電磁離合器傳動；空調的冷凝器與蒸發器一起安裝在客車頂部，通過獨立風扇來強制散熱。應用GT-Cool軟件建立客車熱管理系統的仿真模型。通過GT-Drive軟件可以計算得到整車熱平衡道路試驗工況下對應的發動機運行工況點，以此作為GTCool仿真時的發動機工況。GT-Cool仿真時，按照整車道路試驗[4]時發動機的狀態，節溫器設置全開，冷卻模塊的入口流速按照整車發動機艙冷卻模塊流場試驗[4]的擬合值設置，環境溫度25℃，環境壓力為100 kPa，仿真結果如表3所列。

圖5 市區循環發動機常用穩態工況點

圖6 公路循環發動常用穩態工況點

圖7 高速循環發動機常用穩態工況點

圖8 C-WTVC循環簡化工況點分布

由表3可知，GT-Cool模型的仿真值和整車道路熱平衡試驗的試驗值變化趨勢比較吻合，且誤差在5%以內，其中誤差來源于多個方面，主要有模型中經驗值的采用、試驗值的測量誤差等。

表3 GT-Cool仿真結果誤差分析

3.3 原車GT-Cool仿真計算結果分析

3.3.1 原車外特性工況仿真

在GT-Cool中設置環境溫度為45℃，發動機在外特性下運行，冷卻液的進出口溫度如圖9所示。

圖9 外特性下發動機冷卻液進出口溫度

由圖9可以看出，發動機冷卻液出口溫度隨轉速呈先升后降的趨勢。這是因為發動機散熱量隨轉速的提高而增加，水泵和風扇的工作能力也隨之提高，冷卻液流量和冷卻風量增加，使得熱管理系統的散熱能力也不斷提升，因此導致高轉速區間內冷卻液的出口溫度逐漸降低，在轉速1 600 r/min（最大扭矩點附近）時，發動機冷卻液的出口溫度最高，達到96.4℃，仍低于最高許用溫度100℃，滿足熱管理系統的強制性指標。

3.3.2 原車ATB值計算

在GT-Cool中設置不同的環境溫度，計算得到發動機最大扭矩點下的冷卻液出口溫度，如圖10所示。

圖10 不同環境溫度下冷卻液出口溫度

由圖10可以看出，隨著環境溫度的提高，冷卻液出口與冷卻空氣間的溫差減小，發動機冷卻溫度上升。在環境溫度為49℃時，冷卻液達到100℃而沸騰，因此原車熱管理系統的ATB為49℃。

3.3.3 原車熱管理系統平均功耗計算

在GT-Cool中設置發動機在14常用工況下運行，計算得到各工況下水泵、風扇功耗，如圖11所示。

圖11 客車14常用工況下水泵和風扇的功耗

根據前文客車14常用工況的權重系數，將發動機熱管理系統的總功耗按照公式（1）處理，得到發動機熱管理的平均功耗為2.60 kW。

4 客車熱管理系統零部件優化選型

發動機熱管理系統涉及散熱器、水泵和風扇等多個零部件，系統綜合性能的好壞不僅取決于單個零部件的性能，同時也取決于各個零部件之間的參數匹配。基于發動機熱管理系統綜合評價體系，對不同的零部件匹配方案進行評價，以選擇最優的匹配方案。

根據供應商提供的熱管理系統各零部件信息，經過篩選，最終確定3款散熱器（A1、A2、A3）、2款水泵（B1、B2）和3款風扇（C1、C2、C3）作為熱管理系統的匹配部件，具體參數見表4。其中，A1、B1、C1為原車熱管理系統零部件，其余為待選的散熱器、風扇、水泵。通過對各零部件進行排列組合，可以得到18種不同的匹配方案。

表4 熱管理系統可選部件參數

4.1 各匹配方案強制性指標檢驗

在GT-Cool模型中分別輸入各匹配方案的零部件結構和性能參數，對以上各匹配方案進行發動機熱管理系統強制性指標檢驗，發現A1B1C2和A1B2C2這兩組方案在環境溫度45℃，節溫器全開的狀態下，冷卻液出口溫度大于100℃（見圖12），不滿足要求。

圖12 各匹配方案在最大扭矩點下的冷卻液出口溫度

4.2 各匹配方案ATB值計算

對滿足發動機熱管理系統限制性指標的16組匹配方案做進一步仿真計算，對計算結果進行處理，得到各方案的ATB值，如圖13所示。

圖13 各匹配方案的ATB值

比較相同冷卻液和冷卻空氣流量下散熱器的換熱量，可知采用散熱器A2和A3方案的ATB要高于采用A1的方案。因此，在滿足強制性指標的前提下，如果選擇散熱能力相對較弱的散熱器，要匹配冷卻液和冷卻空氣流量相對較強的水泵和風扇，而這直接導致熱管理系統的功耗上升。

4.3 各匹配方案熱管理系統平均功耗計算

根據仿真結果計算得到熱管理系統的平均功耗，如圖14所示。

從圖14可以看出，采用風扇C2方案的熱管理系統平均功耗要低于采用風扇C1和C3的方案。需要注意的是，采用較小流量的風扇需要匹配合適的散熱器和水泵，否則會不滿足發動機的散熱需求而導致“開鍋”現象。

4.4 基于綜合評價體系的匹配方案優選

采用客車熱管理系統綜合評價體系對各匹配方案進行綜合優選。為便于比較其它方案相對于原車的優劣程度，在計算過程中將原車方案（A1B1C1）設為參考值，故原車的綜合評價值為0，若其它方案的綜合評價值大于0，則該方案的綜合性能優于原車方案，反之則其綜合性能劣于原車方案。

圖14 各匹配方案平均功耗

將各匹配方案的ATB和熱管理系統平均功耗按照公式（4）進行處理，得到各個匹配方案的綜合評價值，如圖15所示。

圖15 不同方案的綜合評價值

選定綜合評價值最高的A3B1C2方案作為最終方案，綜合評價值為0.338。在冷卻能力方面，該方案的ATB為60℃，比原車方案提高了11℃；在經濟性方面，該方案的平均功耗為1.60 kW，比原車方案降低了1.01 kW，降低幅度為38.8%。

5 結束語

a.進行了客車的常用（高頻）工況研究，按客車行駛循環工況C-WTVC，用GT-Drive軟件仿真計算得到了客車的14個常用工況及其權重系數。把發動機熱管理系統冷卻能力和經濟性的綜合評價建立在整車實際行駛狀況的基礎上，使得綜合評價更貼近實際情況。

b.按建立的綜合評價體系的指標，從18種不同匹配方案中獲得了最佳的匹配方案A3B1C2，相對于原車方案，熱管理系統平均耗功由2.61 kW降低為1.60 kW，系統最大扭矩點下的ATB由49℃提高到了60℃，以原車為參考值的綜合評價指數達到了0.338。

c.結合客車的行駛工況提出了新的熱管理系統綜合評價指標，相對于原有單一評價指標更為精細，經濟性的評價結合整車實際行駛工況，更貼近實際。

1 王賢海,杜傳進,王文端.汽車熱管理研究現狀及新進展.拖拉機與農用運輸車,2005（5）:11～13,24.

2 仲韻.整車熱管理系統的仿真與優化：[學位論文].上海：同濟大學，2008.

3 顧寧.汽車熱管理系統的優化設計與匹配研究：[學位論文].上海：同濟大學，2010.

4 沈凱.后置發動機客車熱管理研發體系構建和設計方法研究：[學位論文].上海：同濟大學，2014.

5 韓永強,劉忠長,許允,等.用發動機臺架試驗研究輕型車排放.吉林工業大學學報（工學版）,2002（4）:1～6.

6 李捷輝,唐敏.NEDC循環工況法輕型汽車排放特性模擬計算.小型內燃機與摩托車,2010（4）:49～52.

（責任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2016年8月15日。

Research on Comprehensive Evaluation System of Engine Thermal Management System Based on Bus Operating Conditions

Ma Xinyuan,Ni Jimin,Shi Xiuyong,Xia Guangfan,Liu Yue（Tongji University,Shanghai 201804）

Based on a bus engine thermal management system,an engine thermal management comprehensive evaluation system is established in this research,which consists of cooling performance indicator,restricted indicator and economic evaluation indicator including the water pump and fan average power consumption based on the 14 high frequency operation conditions.With this comprehensive evaluation system as evaluation index,the different combinations of radiator,water pump and fan are evaluated to obtain the best match by using GT-Drive and GT-Cool.Results show that the power consumption decreases from 2.61 kW to 1.60 kW and theATBvalue is increased to 60℃from 49℃.

Engine thermal management,Bus 14 high-frequency condition,Comprehensive evaluation

發動機熱管理系統 客車14常用工況 綜合評價體系

U461.2

A

1000-3703（2017）04-0023-06