某型號柴油機冷卻系統分析及優化

高巧，劉吉林，王宏大，王次安

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某型號柴油機冷卻系統分析及優化

高巧，劉吉林，王宏大，王次安

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于Flowmaster軟件建立發動機冷卻系統一維模型，分析系統內部流量分布。針對出現的暖風支路流量偏低情況，通過一維模型的壓力分布查找故障點，并對該結構進行了三維計算確認。結合一維分析模型和實際布置情況，篩選并確定了最終的優化改進方案。

發動機；冷卻系統；暖風；模擬分析；Flowmaster

CLC NO.:U461.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-117-03

引言

為適應下階段油耗法規，進一步提升發動機效率，在某型號柴油機的改型開發工作中，對冷卻系統進行了優化升級，增設新型智能控制模塊以實現精確冷卻。在適配該模塊時，對冷卻系統各支路的匯合方式做出相應調整。由于結構的改變，這將會對各支路流量產生影響[1,2]。本文以Flowmaster為主要工具，建立一維冷卻系統模型，評估全系統的流量分配，并對存在問題的支路提出了可行的優化方案。

1、Flowmaster 模型搭建

該款柴油機冷卻系統原理圖如圖1所示，冷卻液從水泵出發流入缸體水套，向上進入缸蓋水套，然后分別進入散熱器、機油冷卻器、暖風、EGR冷卻器以及小循環五個支路，整體上呈并聯關系。其中，智能控制模塊位于水泵進水口，即各支路都在此匯合后再共同進入水泵。而各個支路的取水口則根據實際需要分別位于缸體或缸蓋水套的某處開口。當符負荷最大時上述所有支路將同時打開。

圖1 冷卻系統原理圖

1.1 外圍管路及部件的模型建立

根據冷卻系統三維設計數模在Flowmaster中搭建一維分析模型。管路組件直接根據幾何形狀和尺寸選取合適的元件；而散熱器油冷器等組件使用阻尼元件替代，相應的阻尼曲線由試驗測定，如圖2所示。

圖2 各組件阻尼數據

Flowmaster軟件并不能直接使用水泵的測試數據，為適應更寬泛的模擬需求，需要按特殊格式錄入。水泵性能曲線如圖3所示。

圖3 無量綱水泵性能曲線

2.2 發動機水套模型建立

圖4 額定流量下水套壓力云圖

圖5 水套在各個支路上的等效阻尼數據

發動機水套結構復雜且存在多處支路出口，相當于一進四出的歧管，且各個通道間存在相互影響，故不能使用單一元件模擬其流動和換熱特性[3]。通過三維軟件建立水套的分析模型，按額定流量帶入計算，可得如圖4所示的水套壓力分布云圖。通過該數據可知水套整體上壓力損失合理，不會額外增加水泵功耗。通過讀取各個出口截面上的總壓與入口總壓做差后即可得到該流量下相應支路的壓力損失。同理，在額定流量的一定范圍內選取多組流量帶入模型計算，可獲得各個支路在不同流量下的阻尼數據。最終數據匯總如圖5所示。搭建模型時，使用并聯的四路阻尼元件替代水套，并使用獲取的阻尼數據。

將上述數據代入Flowmaster軟件后，得到一維分析模型，如圖6所示。由于沒有增加換熱元件，故該模型僅作分析流量使用。

圖6 一維分析模型

2、模擬分析

系統在額定點的無量綱流量分布如表1所示，發現暖風支路的流量明顯低于其他支路，且已經接近暖風系統采暖所需最低流量。

表1 各支路流量分布

圖7 暖風支路匯合點三維結構及壓力云圖

圖8 暖風支路匯合點一維模型及壓力分布

分析系統壓力分布后發現，暖風回流支路與機油冷卻器、EGR冷卻器等支路匯合前后壓損異常，是導致暖風支路流量偏低的主要原因。該匯合點管路屬于智能控制模塊的一部分，幾何結構復雜，見圖7，用Flowmaster搭建管路模型時進行了一定的簡化近似，見圖8，可能存在失真。

為排查該問題，使用三維流體分析軟件對該處管路進行建模，以Flowmaster計算的各支路流量為邊界進行了模擬計算，壓力云圖如圖7所示，確存在壓力突變。三維計算的壓差與Flowmaster計算的壓差對比如表2所示，差異在可接受范圍內。故，認定一維模型的簡化近似無誤，計算結果可信。確認暖風支路存在流量偏低的問題。

表2 三維和一維計算匯合點壓差對比

3、方案優化

盡管智能控制模塊上的這三個支路的接口空間距離很近，但受外圍零部件的影響，這三條支路仍有無法連接到的管口，無法實現理論上的六種連接方式。備選的布置方案有2種：1機油冷卻器和暖風接口互換；2暖風和EGR冷卻器的接口互換。各方案對應的流量數據如表3所示，方案1暖風支路流量更低且為逆向流動，不符合設計要求。方案2與原方案相比，暖風支路流量增長至原來的三倍，效果較為理想。經校核，方案2對應的各支路流量能夠滿足各部件的散熱或采暖需求。

表3 備選方案流量分布

4、結論

通過分析可知，方案2與原方案相比能夠提供更合理的流量分配，當控制策略切換至該流動狀態時能夠提更好的熱平衡性能。

運用三維與一維互相補充的分析策略能夠充分發揮一維計算的速度和三維計算的精度，從而最大限度的發揮CAE分析的優勢，為設計工作提供有力支持。

[1] 張應兵,王次安等.某增壓車型冷卻系統分析與驗證[J].汽車實用技術. 2016(9), 204-206.

[2] 滕建耐,張增光等.某款汽油發動機冷卻系統的優化設計[J].時代農機. 2016(9), 36-37.

[3] 王次安,王宏大等.某國IV發動機冷卻系統的優化設計[J].車輛與動力技術.2015(2), 21-24.

Analysis and Optimization for the Cooling System of a Diesel Engine

Gao Qiao, Liu Jilin, Wang Hongda, Wang Ci’an
( Anhui Jianghuai Automobile Group Corp., Ltd, Anhui Hefei 230601 )

Based on the Flowmaster software the1D model for the cooling system of the engine is established to analyze the whole flowrate inside. The 3D simulation is employed to verify the connection fault confirmed by checking the 1D calculation network pressure distribution, which results in the low flowrate in cabin heater branch. The final optimization case is selected according to the 1D simulation result and the actual assembling situation.

Diesel engine; Cooling system; Cabin heater; Simulation; Flowmaster

U461.2

A

1671-7988 (2017)08-117-03

高巧（1982-），女，高級工程師，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司，主要從事發動機設計工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.040