基于AMESim發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)數(shù)值模擬參數(shù)匹配仿真分析陳壽霞

摘要：以AMESim仿真軟件為平臺(tái)，對(duì)某車型1.8T發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)搭建一維和三維模擬仿真模型，分析冷卻系統(tǒng)的冷卻能力，發(fā)現(xiàn)在高溫低速長(zhǎng)距離爬坡的工況下發(fā)生“開(kāi)鍋”現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)工作過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析零部件參數(shù)值變化對(duì)冷卻系統(tǒng)性能的影響，提出對(duì)冷卻系統(tǒng)零部件參數(shù)重新匹配的解決方案，并驗(yàn)證了該方案的有效性，研究結(jié)果為冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化匹配提供參考。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng);AMESim;數(shù)值模擬;參數(shù)匹配

中圖分類號(hào)：S219.031 " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

進(jìn)年來(lái)各國(guó)政府高度重視環(huán)保問(wèn)題[1]，要求發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)在常態(tài)工況和惡劣工況下，能都保證發(fā)動(dòng)機(jī)以適合的溫度狀態(tài)可靠而持續(xù)地工作。冷卻系統(tǒng)中各零部件參數(shù)匹配的合理性[2]是發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，讓冷卻液溫度能保持在一個(gè)適當(dāng)范圍內(nèi)的重要條件。技術(shù)人員研究了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中流體動(dòng)力學(xué)和改變單個(gè)零部件參數(shù)，用仿真軟件分析它們的變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的影響[3]。用AMESim為仿真軟件，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)、散熱器、節(jié)溫器和電子扇等零部件進(jìn)行選型[4]，對(duì)冷卻系統(tǒng)工作狀態(tài)和冷卻性能進(jìn)行了仿真分析。利用AMESim軟件建立了1.5 L發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的一維仿真模型[5]，提出了對(duì)原有冷卻系統(tǒng)中節(jié)溫器和電子扇的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行重新匹配的解決方案。

1 模型建立

本文研究某車型冷卻系統(tǒng)為水冷系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的工作原理和該車型發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)冷卻液軟管連接圖為建模理論依據(jù)，建立了該車型的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真模型（圖1）。

2 零部件參數(shù)設(shè)置

2.1 整車及發(fā)動(dòng)機(jī)

研究車型長(zhǎng)、寬和高分別為4 527 mm×1 829 mm×1 659 mm，整備質(zhì)量為1 605 kg。發(fā)動(dòng)機(jī)為1.8 L直列四缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，怠速轉(zhuǎn)速為800 r/min，在4 300～6 250 r/min時(shí)可輸出最大功率132 kW，壓縮比為9.6：1。

2.2散熱器

需冷卻系統(tǒng)散走的熱量Qw，可用經(jīng)驗(yàn)估算公式。如公式（1）所示。

（1）

式中：A為燃料傳遞給冷卻系統(tǒng)熱量占燃料熱能的百分比，汽油機(jī)取0.23～0.30，取值0.25。ge內(nèi)燃機(jī)燃油消耗率，可以經(jīng)過(guò)內(nèi)燃機(jī)性能表來(lái)進(jìn)行取值，汽油機(jī)取0.205～0.320，取值0.255。Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率，取最大功率132 kW。Hu內(nèi)燃機(jī)燃料低拉熱由內(nèi)燃機(jī)性能表查得，取值44 000 kJ/k。散熱器內(nèi)芯尺寸為648 mm×446 mm×32 mm，芯體正面面積0.289 m2，散熱管料厚0.32 mm。

2.3 電子扇

為了提高電子扇的效率，電子扇應(yīng)具有要求的散風(fēng)量、噪聲低和功率損耗小。電子扇風(fēng)量Q、直徑d和轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系如公式（2）所示。

Q=Knd3 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

式中K為比例系數(shù)。電子扇由溫度傳感器和觸發(fā)器模型共同控制啟停，本文車型中電子扇的開(kāi)啟溫度設(shè)定為94℃，關(guān)閉溫度為84℃。

2.4 中冷器及節(jié)溫器

中冷器內(nèi)芯尺寸為612 mm×410 mm×34 mm，按研究車型原始參數(shù)，節(jié)溫器開(kāi)啟溫度為87℃，全開(kāi)溫度為102℃。且當(dāng)節(jié)溫器全開(kāi)時(shí)，小循環(huán)完全關(guān)閉。

3 仿真工況設(shè)定與仿真分析

3.1 仿真工況設(shè)定

為了全面研究冷卻系統(tǒng)的性能，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行條件設(shè)定了4個(gè)仿真工況，并進(jìn)行了仿真運(yùn)行分析。工況1，以較佳工況為條件而設(shè)置，以便與其他特殊工況作對(duì)比。工況2，為城市行駛中汽車起停頻繁工況。工況3，為空調(diào)控制策略開(kāi)啟時(shí)的工況。工況4，為夏季高溫長(zhǎng)距離爬坡的惡劣工況，以檢驗(yàn)極端工況下冷卻系統(tǒng)的工作能力。具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

3.2 仿真結(jié)果分析

由圖2-4可知，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出口冷卻液溫度趨于穩(wěn)定后，均能保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作在較佳的工作溫度。工況四仿真結(jié)果如圖5所示，發(fā)動(dòng)機(jī)出口冷卻液溫度趨于穩(wěn)定后達(dá)到了107℃，該發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)“開(kāi)鍋”現(xiàn)象，說(shuō)明冷卻系統(tǒng)的冷卻性能不能滿足該工況的冷卻要求。

4 數(shù)值模擬與參數(shù)匹配

針對(duì)在極端工況下出現(xiàn)了“開(kāi)鍋”現(xiàn)象，通過(guò)建立的仿真模型進(jìn)行三維模擬仿真，三維模型里包含了中冷器、散熱器和電子扇。根據(jù)該車型中冷器、散熱器和電子扇尺寸大小與它們之間的距離關(guān)系，建立的三維模型如圖6所示。

通過(guò)對(duì)冷卻系統(tǒng)的數(shù)值模擬和各工況的仿真結(jié)果分析，提出了重新匹配參數(shù)后的方案是：降低節(jié)溫器的開(kāi)啟溫度為83℃，設(shè)置全開(kāi)溫度為94℃;電子扇開(kāi)啟溫度設(shè)定為92℃，關(guān)閉溫度為83℃;重新設(shè)置散熱器電子扇的外徑尺寸，使其比原有尺寸增大20 mm，以增大電子扇開(kāi)啟時(shí)散熱器散熱效果;設(shè)定散熱器內(nèi)芯寬度尺寸比原有尺寸增大10 mm。并根據(jù)對(duì)實(shí)車?yán)鋮s系統(tǒng)零部件的安裝位置和空間布局進(jìn)行測(cè)量分析，重新匹配后的零部件尺寸能夠滿足裝車及布局要求。

如圖7所示是重新匹配零部件參數(shù)后工況4的仿真分析結(jié)果。由圖可知，在苛刻工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的出口溫度穩(wěn)定在大約102℃，滿足本文研究車型要求發(fā)動(dòng)機(jī)出口冷卻液溫度低于105℃的溫度設(shè)計(jì)，能夠滿足該工況的冷卻要求。通過(guò)對(duì)其余工況進(jìn)行仿真分析，發(fā)動(dòng)機(jī)亦能在其他工況處于較佳的工作溫度。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文使用AMESim為某車型搭建了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真模型，根據(jù)車輛實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)為仿真分析設(shè)定了4個(gè)仿真工況，并對(duì)各個(gè)工況點(diǎn)冷卻系統(tǒng)的冷卻性能進(jìn)行仿真分析。對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分別對(duì)主要零部件的參數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，重新為本文研究車型發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)匹配零部件參數(shù)。匹配后的參數(shù)通過(guò)仿真驗(yàn)證分析，冷卻液溫度能達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的要求，研究結(jié)果為冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化匹配提供參考。