電站用柴油機冷卻系統設計與分析

那大功

（同濟大學汽車學院，上海200092）

電站用柴油機冷卻系統設計與分析

那大功

（同濟大學汽車學院，上海200092）

以發動機的冷卻系統為研究對象，詳細闡述冷卻系統臺架試驗研究和計算機仿真分析。采用試驗與計算機輔助設計相結合的方法可以最優地達到設計目的。選擇1款電站用柴油發動機，通過試驗驗證的方法，對比驗證幾種不同的冷卻系統配置，再用AMESim軟件搭建發動機冷卻系統各個子模塊仿真模型，并進行冷卻系統和各子系統的仿真計算，最終選擇出合適的方案。

發動機 熱管理 冷卻系統 AMESim仿真 模型

1 前言

隨著發動機強化程度不斷提高，發動機實際運行中產生的熱負荷也不斷增大。目前，幾乎所有的發動機強化都面臨如何解決熱管理問題；此外，排放標準的日益嚴格也不斷對冷卻系統提出新要求。冷卻系統工作性能的優劣直接影響到發動機性能的優劣。因此，為滿足進一步提升發動機功率和改善燃油經濟性需求以及日益嚴格的排放要求，必須開發高效可靠的冷卻系統。采用更加先進的設計理念、更加優化的設計方案對深入研究冷卻系統、開發高效可靠的冷卻系統具有重要的意義。試驗與計算機輔助設計并行可以最優地達到發動機冷卻系統分析和設計的目的。本研究工作采用試驗與計算機輔助設計并行方法，為某款電站用柴油機配套設計合適的冷卻系統，并進行冷卻系統試驗。

2 冷卻系統試驗研究

2.1 冷卻系統

典型的電站用柴油機冷卻系統采用閉式強制循環冷卻方式，主要由冷卻水泵、發動機、調溫器、散熱器、中冷器、冷卻風扇、膨脹水箱等零部件組成，見圖1。

2.2 冷卻系統試驗

傳統發動機熱管理研究以臺架試驗即熱平衡試驗為基礎[1]，試驗精度依賴測量儀器的精度，對測量設備的要求高。測量數據越全面、越準確，則試驗結果可靠性就越高。在一般熱平衡試驗中，發動機安裝在試驗臺架上，節溫器、水泵、風扇安裝在發動機本體上，中冷器、散熱器、膨脹水箱整合成1個零部件，固定在試驗臺架上，或根據需要安裝在合適的位置。

圖1 電站用發動機冷卻系統示意圖

以1款6缸直列4氣門增壓中冷電站用柴油發動機為試驗對象，驗證幾種現有的散熱器配置的冷卻能力，同時采集風扇試驗數據，如風扇功率、風扇風量，用于搭建計算機輔助設計模型。發動機的基本參數見表1。

表1 發動機基本參數

2.3 散熱器對比試驗

選3款現有的、與中冷器集成一體的散熱器A、B和C樣品，進行對比試驗。3款散熱器散熱面積不同，散熱芯子排數不同，外形尺寸略有差異。散熱器A、B、C配套的風扇直徑都為660 mm，但散熱器C配套的風扇速比不同。冷卻系統熱平衡試驗條件如下：（1）發動機不帶空氣濾清器和消聲器及尾管，發電機空載，帶散熱器（散熱器與中冷器一體）；（2）為滿足最終應用環境溫度50℃，試驗室環境溫度控制為50℃；（3）試驗工況為最大功率工況。試驗時，發動機出水溫度保持在92℃以上，機油溫度在95～115℃，最大功率工況保持穩定15min以上，使柴油機達到熱平衡，同時記錄測量數據。3種散熱器對比試驗數據見表2。

評判冷卻系統是否合適，可以根據以下條件來評估：（1）中冷后溫度-環境溫度≤20℃；（2）冷卻液沸點溫度-出水溫度+環境溫度≥50℃；（3）散熱器進出口水溫差＜10℃。分析表2試驗數據，可以得出以下結論：（1）雖然發動機出水溫度接近100℃，但考慮到膨脹水箱有壓力蓋，故可以認為該發動機冷卻系統配置可以在環境溫度50℃的條件下運行；（2）從中冷后溫度與環境溫度之差來看，散熱器B滿足要求，其余2個都大于20℃，表明他們配置的中冷器冷卻能力不足，會影響發動機性能；（3）散熱器C中冷前后壓差僅有2 kPa，按照經驗，中冷前后壓差應該小于10 kPa，但是也不能過小。這說明中冷器的冷卻能力不足，需要提高中冷器冷卻能力應該由此介入；（4）從發動機的功率來看，由于散熱器A散熱能力太差，發動機無法運行到最大功率；配散熱器B和C的發動機功率相差幾個千瓦，考慮到二者之間的區別僅為風扇速比不同，即風扇轉速不同，可以認為他們的差異是風扇消耗功率導致的；（5）從綜合指標看，散熱器B和C都滿足要求，其中B散熱器的冷卻能力還有一定的余量。

2.4 風扇消耗功率試驗

由于發動機附件中風扇消耗的功率最大，所以開發一套冷卻系統，需要知道風扇消耗的功率。可以通過試驗的方法來測量風扇在標定轉速下所消耗的功率。僅測試1款配置，選取直徑為660mm的風扇，風扇速比為1.44（風扇與發動機轉速之比）。測試時，先將風扇安裝在發動機上，連接好整個冷卻系統，將發動機運行到標定工況轉速，測量發動機在帶風扇情況下的各項參數，試驗數據見表3。然后拆下風扇，連接好整個冷卻系統再進行相同的試驗，測量發動機在不帶風扇情況下的各項參數，試驗數據見表4。

對比表3和表4中的功率數據可見，風扇消耗功率大約是10 kW。

2.5 風扇風速試驗

將散熱器表面大約均分成9個區域，用a至i 9個字母代表每個區域。每個區域安裝1個測點，測量通過散熱器表面的風量，即風扇風速值，見表5。該試驗可以與之前散熱器試驗同時進行。

從表5可見，第1種風扇的通風量最大，但是通風量不均勻，靠近中間的通風量明顯變小，說明散熱器芯子布置不均勻，中間密度過大，導致通風有些不暢，明顯影響散熱器的散熱效果。第2種風扇通風量與第1種差不多，但是散熱器中間的通風量有所增加，說明散熱器通風效果好許多，散熱器芯子布置比較合理。第3種風扇風量最小，這是因為風扇速比減小，即風扇轉速變小的緣故；但是散熱器通風量比較均勻，說明散熱器芯子設計得最好，布置比較合理。這與之前3款配置的散熱器試驗結論是一致的。

表2 3種散熱器對比試驗數據

表3 發動機帶風扇試驗數據

表4 發動機不帶風扇試驗數據

表5 風扇風速值m/s

從以上3款散熱器的試驗過程可以看出，這種試驗方法結果直觀、明顯。散熱器B滿足配套使用需求，最終選擇B樣品作為正式產品。但從試驗數據上看，散熱器B的冷卻能力過大，不是最佳選擇。如果選擇最佳樣品，需要繼續試驗多個不同的樣品，這樣會浪費大量的時間及費用。這可以通過計算機仿真計算的方式來解決這個問題。

3 冷卻系統仿真分析

3.1 熱管理系統仿真模型

近年來，隨著計算機技術水平的飛速發展，針對熱管理的仿真研究越來越深入，出現了各種仿真研究模型。如果選用一款計算機仿真軟件可以模擬實際的熱平衡狀態[2]，輸入一些發動機及整車參數，模擬中冷器、散熱器等冷卻系統關鍵零部件的主要參數配置，就可以在每款新產品的設計階段選出合適的配置，減少驗證階段的大量反復工作，大大縮短產品配套的設計周期，提高設計成功率，降低開發成本；對改進現有產品質量也有很大的參考意義。通過對熱管理的研究，可以明確改善熱量利用的方向，優化發動機冷卻系統和發動機整體設計，在材料的許用溫度下，達到提高發動機性能、降低有害氣體排放的目的。

選用AMESim軟件作為研究工具[3]。從軟件demo庫熱管理模型中選取1個模型模擬作為參考，搭建電站用柴油發動機冷卻系統仿真模型。根據發動機現有冷卻系統的配置，設定模型參數及工作條件。搭建模型如圖2所示。發動機、散熱器、中冷器、風扇、水泵、節溫器等關鍵零部件都需要單獨運行，計算結果與試驗數據進行對比，驗證模型的準確度。

圖2 AMESim冷卻系統仿真模型示意圖

3.2 主要零部件對冷卻性能的影響

3.2.1 散熱器迎風面積

一般水冷發動機的散熱器由散熱芯子、進水室和出水室3個部分組成。冷卻液在散熱芯子內流動，空氣從散熱芯子外高速通過，冷卻液和空氣通過散熱芯子進行熱量交換。散熱器作為冷卻系統中主要的熱量交換零件，對冷卻性能的影響是最主要的。常見的影響散熱器能力的因素有：散熱器的迎風面積、散熱芯子的排數、管片管帶結構形式、散熱芯子材料等。選幾種不同迎風面積的配置，模擬計算迎風面積對散熱器進出口水溫的影響，計算結果見圖3。

3.2.2 散熱芯子排數影響

散熱芯子排數是散熱器的重要參數之一。選1款散熱器，僅改變其散熱芯子排數，從1排變到5排，模擬計算散熱芯子排數對散熱器冷卻性能的影響，計算結果如圖4所示。

圖4 散熱芯子排數對冷卻性能的影響

從圖4可見，隨著散熱芯子排數的增加，散熱器進出水的溫度急劇下降，而進出口水溫差持續上升。這是因為散熱器的熱交換面積增大的原因。但散熱芯子排數受散熱器整體尺寸限制不能無限增加；另一方面，冷卻系統冷卻能力超過所需，對發動機的經濟性是不利的。由于散熱芯子排數對進出口水溫的變化是明顯的，所以設計發動機冷卻系統時需要優先考慮這個問題。

3.2.3 水泵速比影響

對電站發動機冷卻系統而言，由于電站用發動機工作是在恒定轉速下運行，所以可以通過調整水泵的速比來改變冷卻系統的冷卻液流量，從而達到改變冷卻系統換熱能力的目的。對于皮帶傳動的輪系，可以通過調整主動帶輪與水泵帶輪的直徑來改變水泵速比，這是相對比較容易實現的方案。采用不同水泵速比，模擬計算水泵速比對冷卻系統的影響，計算結果如圖5所示。

圖5 水泵速比對冷卻系統的影響

從圖5可見，隨著速比的增加，即隨著水泵轉速增加，散熱器進口水溫下降。這說明系統中的冷卻液流量增加，系統的換熱量也隨之增加。

3.2.4 風扇速比影響

風扇在整個冷卻系統中所起的作用也很大，而且風扇消耗功率占發動機附件消耗功率中很大一部分。在滿足冷卻能力的前提下適當減少風扇消耗功率是提高發動機燃油經濟性的一個途徑。風扇噪聲也是發動機NVH中一個重要來源。降低風扇速比，即降低風扇轉速，就能降低風扇消耗功率和風扇噪聲。選幾種不同的風扇速比，模擬計算風扇速比對冷卻系統的影響，計算結果見圖6。

圖6 風扇速比對冷卻系統的影響

從圖6可見，隨著風扇速比（即風扇速度）的增大，散熱器進出口水溫差在變大，這意味著冷卻系統的冷卻效果也在增加。因此增加風扇轉速也是一個提高冷卻系統冷卻能力的途徑。但是風扇轉速的增加會帶來風扇消耗功率和風扇噪聲的增加，風扇運行可靠性的下降。

3.3 環境溫度影響

環境溫度作為外部環境對冷卻系統的影響尤其明顯，冷卻系統中的散熱器及中冷器都是通過與空氣進行熱量交換來起到冷卻效果的。在發動機應用中，需要根據當地實際環境溫度變化范圍來考慮冷卻系統的匹配設計。

選50℃、45℃、40℃和25℃共4個不同環境溫度進行模擬計算，得到不同環境溫度下散熱器進出口水溫數據及溫差，見表6。從表6可見，環境溫度為25℃時，進出口水溫分別為83.9℃和62℃。對于發動機來而言，這樣的進出水溫是不理想的，發動機始終處于比較低的工作溫度，熱效率很差，不是合適的配置。當環境溫度為50℃時，進出水溫度分別為97℃和89℃，是比較適合的發動機工作溫度，因而發動機的燃油經濟性、排放等性能指標都有很大的改善。由此可見，該電站發動機的冷卻系統是按適應環境溫度50℃匹配設計，供高溫環境地區用戶使用。

表6 不同環境溫度下散熱器進出口水溫及溫差

3.4 冷卻系統優化設計

針對該發動機的冷卻系統，進行優化匹配設計。目前配置的冷卻系統是用于高溫地區（環境溫度為50℃）使用的發動機，通過模擬計算來驗證該配置的合理性，并在此基礎上再優化出適應于環境溫度40℃和30℃的冷卻系統配置。

采用相同配置的冷卻系統將環境溫度降到40℃，模擬計算散熱器進出口水的溫度。計算結果，進出口水溫差為10℃，有點偏大。這意味著散熱器的冷卻能力有點過大，導致散熱器進出口溫度僅為78℃和88℃。作為電站用發動機，工況變化不大，發動機長時間在這個溫度下工作，熱效率利用不高，熱量過多地被冷卻液帶走，需要進行優化。調整散熱器面積、風扇尺寸和轉速，對該冷卻系統進行模擬優化。優化后散熱器進出口水溫差小于8℃，進出口水溫度分別為87℃和95℃，冷卻系統冷卻能力減小，工作溫度提升到該發動機適宜的工作溫度，更有利于降低發動機油耗，提高發動機可靠性。

針對環境溫度為30℃（常規環境溫度），選擇幾款不同配置的冷卻系統進行熱平衡模擬計算，得到幾組散熱器進出口水溫曲線。最差的配置，進出口水溫度差為24℃，出口水溫度為64℃，完全不適合發動機。通過更改和選配散熱器散熱面積、風扇直徑和風扇轉速，優化三者之間的組合，得到最優的結果：散熱器進出口水溫差為8℃，進出口水溫分別為86℃和94℃，基本處于該款發動機的合理工作水溫。推薦使用這種冷卻系統組合配置。

4 小結

用試驗和仿真并行方法對1款電站用柴油發動機冷卻系統熱管理進行研究。先進行單機熱平衡試驗，然后為冷卻系統匹配合適的散熱器、冷卻風扇和風扇轉速；用AMESim軟件，搭建冷卻系統仿真模型，并對冷卻系統進行匹配計算。通過比較仿真計算結果與試驗結果，驗證仿真模型用于柴油機冷卻系統優化設計的可行性，為從事發動機冷卻系統研究的企業設計人員，打開思路，提供研究手段，也為后續的研究打下了一定的基礎。

本研究工作的主要結論如下：

（1）采用AMESim軟件，搭建某款電站用柴油機冷卻系統仿真模型和系統關鍵零件散熱器、水泵、風扇仿真模型。仿真計算結果與試驗結果基本吻合，在此基礎上建立了發動機冷卻系統的仿真模型。

（2）設定仿真邊界條件與試驗室臺架試驗一致，對幾種散熱器進行模擬計算，計算結果與試驗結果對比，誤差在5%以內，可以認為模型基本可信。在此基礎上，對冷卻系統的幾個關鍵零部件進行了優化匹配計算，包括散熱器迎風面積、散熱芯子排數、水泵速比、風扇速比，得到了各零部件變化對冷卻系統散熱能力的影響趨勢，證明了該仿真模型用于柴油機冷卻系統優化匹配設計的可行性。通過試驗和AMESim仿真研究了柴油機冷卻系統的優化匹配，為冷卻系統的優化設計提供了一個較好的方法，下一步的工作可以在以下幾個方面開展：

（1）建立柴油機仿真模型，研究熱管理系統、風扇水泵等運動件的控制策略對柴油機性能的影響規律，不僅可以優化發動機本身各系統的參數，而且可以優化整車匹配的動力性、經濟性等，進一步發揮AMESim仿真模型的優勢。

（2）整個冷卻系統中，影響因素很多，不止前面中提到的幾個零件、幾個參數。在實際應用中，主要考慮了幾個大的零部件影響，但是一些小細節對于冷卻系統的影響也很重要，如水管直徑、水管布置等。可以進一步應用計算機模擬技術，在模擬計算中盡可能考慮更多的影響因素。

[1]成曉北，潘立，鞠洪玲.現代車用發動機冷卻系統研究進展[J].車用發動機，2008(1)：1-7.

[2]齊斌，倪計民，顧寧，等.發動機熱管理系統試驗和仿真研究[J].車用發動機，2008(4)：40-43.

[3]魏君.LMSImagine.Lab AMESim Rev 8B[J].Cad/cam與制造業信息化，2009(11)：51-52.

Design and Research ofCooling System for Power DieselEngine

Na Dagong
（SchoolofAutomotives Studies,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

The cooling system of a diesel engine for generating setwas analyzed by bench test and computer simulation.The combination of testand simulation can achieve an optimal design.The testing of the system ofdifferentconfigurationsand their comparisonwere performed.Simulationmodelsof the cooling system and itseach sub-modulewerebuiltusing AMESim software,and the simulation of the cooling system and sub-system was carried out.With the testing and simulation an appropriate program for the cooling system wasmade.

engine,heatmanagement,cooling system,AMESim simulation,model

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.04.007

來稿日期：2017-06-27

那大功（1979-），男，主任級工程師，主要研究方向為客車應用配套。