重卡冷卻系統的仿真與試驗研究

胡雙洋

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重卡冷卻系統的仿真與試驗研究

胡雙洋

（徐州徐工汽車制造有限公司 技術中心，江蘇 徐州 221000）

文章介紹了國六重卡開發中使用零部件試驗參數，對發動機冷卻系統進行KULI仿真計算，模擬出發動機在功率點和扭矩點各個轉速下冷卻系統的參數；并與整車輪轂試驗數據進行了對比分析，驗證了KULI計算數據的可靠性，證明了KULI仿真在重卡開發中的可行性和重要性。

重卡；發動機；KULI仿真；冷卻系統；試驗參數

前言

隨著國六政策的逐步實施，發動機的功率在不斷的增加，由于部分發動機采用高效EGR路線，對發動機冷卻能力要求也越來越高。但是在有限的發動機艙空間下，如何設計一個穩定和高效的冷卻系統，在整車熱管理的開發當中變得至關重要。

由于熱管理系統的復雜性，傳統方法是通過樣機試驗分析各子系統之間的相互影響，要付出大量的時間和昂貴的試驗費用，所以在整車設計的初期階段，為了降低成本，一般采用零部件試驗參數和仿真相結合的方法。計算出發動機進出水溫度和中冷器進出氣溫度和壓力，從而得出液氣溫差，以及整車的許用環境溫度。本文結合試驗數據，總結出基于KULI冷卻系統的仿真方式，對其進行了仿真計算，并與試驗數據進行對比分析，證明了仿真計算的可行性[1-2]。

1 發動機熱管理仿真平臺的建立

在整個冷卻系統仿真中，分為三部分：前端部分是格柵，中間部分是冷卻包（包括：冷凝器、中冷器、散熱器等），后端部分是機械風扇。這些模型主要包括3類信息：（1）各個零部件的尺寸和位置；（2）流體模型，主要包含內部流體流動（冷卻液）和外部流動流體（空氣）的壓力損失特性；（3）散熱器等熱交換器的放熱特性[3]。本文研究的是某商用車采用濰柴WP13增壓式500馬力發動機，主要參數見表1，采用強制循環水冷式冷卻系統，要求滿足扭矩點許用環境溫度為41℃，功率點許用環境溫度為46℃[4]。冷卻系統布置如圖1。

表1 柴油發動機的主要參數

2 熱交換器模型

2.1 散熱器模型的建立

2.1.1散熱器的物理參數

散熱器尺寸：寬：789mm，高：1000mm，厚：52mm；散熱器仿真位置坐標：x=0，=0，z=0；散熱器內部流動方式：縱流式，-Z方向；散熱器入口位置：左上方；芯體結構：采用管帶式，散熱管總數：84根，管道排數：1，管道截面積為93.6mm2，濕周為107.6mm。

2.1.2散熱器的內部流動特點

冷卻液介質：50%乙二醇；流動特性：非復合形式；水箱壓力比損失為30%。

使用KULI軟件，對散熱器內部流動特點進行數據分析，下面是散熱器冷卻液流動壓力隨著流量損失特性曲線，如圖2所示。

圖2 散熱器冷卻液流動壓力損失特性曲線

2.1.3散熱器外部流動特性

散熱器外部流體經進氣格柵進入冷卻包，下面是其特性參數：空氣濕度：65%；參考溫度：21℃；絕對壓力：101.3kPa；

散熱器外部流動阻力特性曲線如圖3所示。

圖3 散熱器外部流動阻力特性曲線

2.1.4散熱器放熱特性

散熱器放熱特性曲線和散熱器放熱特性3D分布圖，分別如圖4和圖5所示。

2.2 中冷器模型

2.2.1中冷器物理參數

中冷器尺寸：寬：740mm，高：846mm，厚：50mm；中冷器仿真位置坐標：x=-100，y=30，z=0；

中冷器芯部流動方式：橫流式，內部流動方向為+y方向；中冷器入口位置：右上方；

芯體結構：采用管帶式，散熱管總數：44根，管道排數：1，管道截面積為505mm2，濕周為120.2mm。

2.2.2散熱器的內部流動特性

中冷器入口的絕對壓力為2700hPa，壓力比損失為30%。

使用KULI軟件，輸入中冷器內部流動特性參數，下面是中冷器內部熱側流動壓力隨著流量損失特性曲線，如圖6所示。

2.2.3中冷器外部流動特性

中冷器外部流體經進氣格柵進入冷卻包，下面是其特性參數：空氣濕度：65%；參考溫度：21℃；絕對壓力：101.3kPa；

中冷器外部流動阻力特性曲線如圖7所示。

圖4 散熱器放熱特性曲線

圖5 散熱器放熱特性3D分布圖

圖6 中冷器內部熱側流動壓力隨著流量損失特性曲線

圖7 中冷器外部流動阻力特性曲線

2.2.4中冷器放熱特性

中冷器放熱特性曲線和放熱特性3D分布圖，分別如圖8和圖9所示。

圖8 中冷器放熱特性曲線

圖9 中冷器放熱特性3D分布圖

2.3 冷凝器模型

冷凝器尺寸：寬：809mm，高：454mm，厚：30mm，冷凝器功率：12kw。

冷凝器仿真位置坐標：x=-150，y=0，z=200；

根據冷凝器性能試驗數值，利用KULI軟件，對冷凝器流動特性進行計算分析，下面是冷凝器壓降隨著流量損失特性曲線，如圖10所示。

圖10 冷凝器壓降隨著流量損失特性曲線

2.4 風扇模型

2.4.1風扇物理參數

風扇外形參數：直徑：750mm，厚度：130葉片寬度：144mm，葉片數：11；

風扇仿真位置坐標：x=100，y=390，z=500；

風扇與發動機轉速傳輸比為1.2，風扇形式：機械直接式。

2.4.2風扇特性

風扇冷空氣入口溫度:30℃；風扇冷空氣入口壓力：101.3kPa；空氣濕度：48%。根據風扇風洞性能試驗數值，利用KULI軟件，對風扇內部流動特性進行計算分析，得到風扇轉速-冷卻流量-壓力損失特性3D分布曲線，如圖11所示。

圖11 風扇轉速-冷卻流量-壓力損失特性3D分布曲線

3 定義流體回路

3.1 內部流動回路

首先建立冷卻系統內部循環，其連接方式如圖12所示。

圖12 冷卻系統內部循環

3.2 外部流動回路

KULI中的外部流動是指經進氣格柵進入冷卻包的空氣，如圖12所示。本文將Bir定義為格柵、冷凝器、散熱器等部件的阻抗設定。設置進口 Cp= 0.9，出口 Cp = 0。在KULI模型中，依照整車零件布置，建立Block（冷凝器、中冷器、和散熱器），如圖13所示。

圖13 外部流動回路

4 仿真與試驗驗證

4.1 KULI仿真

表2 模擬工況

定義車輛在不同工況下的模擬運行參數，模擬出不同工況下散熱器的進水溫度等仿真數據，研究發動機在最大轉速、最大扭矩等具體工況冷去系統的參數，模擬工況具體如表2所示。

通過KULI分析計算，得到中冷器、散熱器進出溫度和進出壓力及壓差，如表3所示。

表3 模擬計算結果

4.2 整車熱平衡試驗驗證

對整車進行輪轂試驗，與KULI計算仿真結果進行對比，試驗環境溫度31℃，空氣濕度80%，大氣壓力103kPa，整車整備質量8860kg。同時為了與仿真結果數據保持一致性，在中冷器、散熱器、進出口布置溫度和壓力傳感器，每隔2min記錄一次溫度，將穩定后的溫度作為試驗結果，試驗結果見表4。

表4 熱平衡試驗數據

4.3 仿真結果與試驗對比分析

整車熱平衡試驗結果與系統仿真對比如下圖14和表圖15所示。

圖14 最大功率點工況（發動機轉速1900r/min）

圖15 最大扭矩工況（發動機轉速1400r/min）

經過實車試驗結果和仿真數據的對比，發現在設計工況條件下，散熱器出水溫度在功率點1900r/min，仿真值比試驗值低了4.09℃，誤差率為5.1%，散熱器出水溫度在扭矩點1400r/min，仿真值比試驗值高了2.32℃，誤差率為2.8%，總體試驗數據與仿真數據偏差上限控制在7%以內，整車極限使用環境溫度均滿足功率點大于46℃，扭矩點大于41℃。可以肯定的是KULI仿真得到的計算數據是可靠的。

5 結論

本文建立了重卡冷卻系統仿真模型，包含了格柵、冷卻包（冷凝器、中冷器、散熱器）、風扇、內外部阻力的仿真模型，完成了重卡發動機冷卻系統仿真，為發動機匹配散熱能力相當的冷卻包，提供了理論依據和計算方法。

重卡冷卻系統仿真模型中，各部件的數據模型是建立在試驗數據的基礎上，KULI仿真計算結果的精確性，很大程度上取決于部件試驗數據的準確性。

應用KULI仿真，對重卡發動機冷卻系統進行計算分析，對于整車是否滿足熱平衡使用要求具有重大參考意義，同時又可以在項目開發上，有效的縮短開發周期和降低研發費用。

[1] Mahmoud K G, Loibner E, Wiealer B. Simulation based vehicle ther -mal management systemconcept andmethodolo gy [C]. SAE Paper 2003010276.

[2] 王賢海,杜傳進,王文端.汽車熱管理研究現狀及新進展[J].拖拉機與農用運輸車,2005(5):810俞小莉.發動機熱平衡仿真研究現狀與發展趨勢[J].車用發動機,2005（5）:1-5.

[3] Magna Steyr Engineering Center. KULI8.0 Reference Help[G],2010.

[4] 俞小莉.發動機熱平衡仿真研究現狀與發展趨勢[J].車用發動機, 2005(5):1-5.

Simulation and Experimental Study of Heavy Truck Cooling System

Hu Shuangyang

( XCMG Automobile Manufacturing Co., Ltd. Technology Center, Jiangsu Xuzhou 221000 )

This paper introduces the use of component test parameters in the development of the national six-card, the KULI simulation calculation of the engine cooling system, simulates the parameters of the cooling system of the engine at the power and torque points, and the data collected with the whole wheel hub test. The comparative analysis is carried out to verify the reliability of KULI calculation data and prove the feasibility and importance of KULI simulation in heavy truck development.

Heavy truck;engine;KULI simulation;cooling system;test parameters

A

1671-7988(2019)05-67-04

U467

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1671-7988(2019)05-67-04

U467

胡雙洋，工程師，就職于徐州徐工汽車制造有限公司，從事整車熱管理工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.020