基于KULI发动机冷却系统的仿真与试验研究

2013-12-30张克鹏

专用汽车 2013年3期

张克鹏

ZHANG Ke-peng

陕西重型汽车有限公司陕西西安 710200

1 引言

重型商用车由于发动机功率大，所产生的热量也相应的较大，再加上商用车较乘用车工况更加复杂和恶劣，普遍存在发动机冷却液温度过高的问题。因此，考虑在有限的发动机舱空间里，设计一个可靠而高效率的发动机冷却系统，用合理的冷却系统将发动机产生的热量散发到外界空气中，在汽车整车开发过程中变得越来越重要[1,2]。

发动机冷却系统的设计匹配，传统的方法是制作物理样机，通过试验分析各个子系统之间的相互影响，这样需要不断地制作样机进行试验对比，由于重型商用车发动机冷却系统的复杂性，按传统方法开发周期比较漫长，试验费用也较为昂贵。同传统的建造试验方法相比，利用数字建模进行模拟计算分析，能在产品前期开发匹配过程中，就得到发动机冷却系统的冷却效率初步分析结果，避免了后期改进、完善、试验验证的时间消耗和成本浪费，对发动机冷却系统的成功开发和设计带来非常显著的作用[3-5]。

KULI软件是由斯太尔工程技术中心（ Magna Steyr Engineering Center）开发的汽车热管理的一维仿真软件，利用该软件可以方便地进行冷却系统的整体布置和计算。本文基于某重型商用车发动机冷却系统，利用KULI软件对该发动机冷却系统进行4个典型工况的仿真计算，并将仿真结果与试验数据进行对比，验证仿真的准确性，为车辆冷却系统匹配和优化提供技术支持和新的解决方案。

2 发动机冷却系统参数设定

所研究某重型商用车冷却系统的布置如图1所示。发动机为增压中冷式大功率柴油发动机，主要技术参数见表1。根据该重型商用车的结构形式，设计了进口压降（KULI软件中为CP阀模块）、中冷器、散热器、机械风扇、水泵、内部压降（KULI软件中为内部阻力模块）和出口压降等的仿真模型，这些模型包括以下信息：a. 部件的外形尺寸和位置参数；b. 流体模型，主要为内部流动流体和外部流动流体的压力损失特性；c. 中冷器和散热器等热交换器部件的传热特性[6]。

表1 柴油机主要技术参数

2.1 散热器模型

2.1.1 散热器物理参数

按照车辆设计参数，确定散热器外形尺寸：宽度为818 mm，高度为680 mm，厚度为40 mm；位置坐标按照车辆设计总布置，确定散热器位置坐标为：(X,Y,Z)=(0,0,0)；按照车辆实际安装使用条件，确定内部流动方向为-Z方向；根据车辆设计布置确定散热器入口位置为左上方；内布置管道参数：根据车辆散热器设计参数，确定管道总数为68，管道排数为1，管道截面积为53.53 mm2，浸润周长为81.44 mm。

2.1.2 散热器内部流动特性

散热器内部流动冷却液为水和乙二醇混合液，混合比例为50%，水箱压力损失比为30%。

根据散热器风洞性能试验值，在定义散热器内部流动特性时，将其输入KULI软件，在软件中形成散热器冷却液流动压力损失特性曲线，如图2所示。

2.1.3 散热器外部流动特性

散热器外部流体为从汽车格栅进入发动机舱的空气，入口绝对压力为101.3 kPa，空气湿度为50%，相对温度为33℃。

根据散热器在风洞性能试验中的数值，在定义散热器外部流动特性时，将其输入KULI软件，在软件中形成散热器外部流动（冷空气）特性曲线，如图3所示。

2.1.4 散热器热传导特性

散热器热传递特性，根据试验测试数据，在定义散热器热传递特性时，将其输入KULI软件，在软件中形成其特性曲线如图4所示。

2.2 中冷器模型

2.2.1 中冷器物理参数

按照车辆设计参数，确定中冷器外形尺寸：宽度为780 mm，高度为465 mm，厚度为50 mm；位置坐标按照车辆设计总布置，确定中冷器位置坐标为：(X,Y,Z)=(-150,50,0)；按照车辆实际安装使用条件，确定内部流动方向为-Z方向；根据车辆设计布置确定中冷器入口位置为左上方；内布置管道参数根据车辆中冷器设计参数，确定管道总数为24，管道排数为1，管道截面积为390 mm2，浸润周长为433 mm。

2.2.2 中冷器内部流动特性

中冷器内部流动入口绝对压力为102.7 kPa，水箱压力损失比为30%。

在定义中冷器内部热侧流动特性时，将中冷器风洞性能试验中内部热侧的流量-压力损失对应数值输入到KULI软件中冷器特性参数界面下，在软件中形成中冷器内部热侧流动压力损失特性曲线，如图5所示。

2.2.3 中冷器外部流动特性

中冷器外部流体为从汽车格栅进入发动机舱的空气，入口绝对压力为102.7 kPa，空气湿度为33%，相对温度为28℃。

同样根据中冷器风洞性能试验数据，在KULI软件中形成中冷器外部流动（冷空气）特性曲线，如图6所示。

2.2.4 中冷器热传导特性

中冷器热传递特性，根据试验测试数据，在定义中冷器热传递特性时，将其输入KULI软件，在软件中形成其特性曲线如图7所示。

2.3 风扇模型

2.3.1 风扇物理参数

风扇外形参数：直径为646 mm，叶片宽度为70 mm，厚度为94 mm，叶片数为9；按照车辆设计总布置，确定中冷器位置坐标为：(X,Y,Z)=(200,400,340)；采用机械直接式风扇，风扇与发动机转速传输比为1。

2.3.2 风扇特性

风扇特性边界条件：冷空气入口温度为20℃，入口压力为101.3 kPa，空气湿度为50%。

将冷却风扇性能试验中风扇转速-冷却流量-压力损失对应数值输入到KULI软件的冷却风扇特性参数界面下，在软件中形成冷却风扇的特性曲线如图8所示。

2.4 水泵模型

2.4.1 水泵物理参数

水泵与发动机转速传输比为1.867。

2.4.2 水泵特性

水泵特性边界条件：冷却液进入温度为80℃，入口绝对压力为201.3 kPa。

将水泵性能试验中水泵转速-冷却液流量-压力损失三者的对应值输入到KULI软件的水泵特性参数界面下，在软件中形成水泵的特性曲线如图9所示。

2.5 其他模型

2.5.1 进出口压降

空气流道特性引起的压差由式(1)所示：

式中，△p为压差，kPa；CP为空气流道特性值；ρ为冷空气密度，kg/m3；vinlet为冷空气流速，km/h。

前端空气流道特性用进口CP阀模块表示，按照车辆设计总布置确定位置坐标为：(X,Y,Z)=(-400,400,340)；特性值设定：入口区域面积=0.40 m2，CP=0.9。

后端空气流道特性用出口CP阀模块表示，按照车辆设计总布置确定位置坐标为：(X,Y,Z)=(450,400,340)；特性值设定：出口区域面积=1 m2,CP=-0.1。

2.5.2 内部压降

内部压降在KULI软件里面通过内部阻力模块表示，其位置按照车辆设计总布置为：(X,Y,Z)=(400,400,340)；根据试验时候的大气温度，预设入口温度为20℃，空气湿度为10%，入口压力为101.3 kPa。

模拟行驶车速=15 km/h，参数化压降由式(2)表示：

式中，y为压降；x为流量；a、b、c为常系数。流动方向的常系数设定为：a=45，b=0，c=0。边界限值设定：最小值=-1，最大值=1。

2.5.3 格栅区域阻力

外形参数：宽度为550 mm，高度为630 mm，厚度为26 mm；位置坐标按照车辆设计总布置，确定格栅区域位置坐标为：(X,Y,Z)=(-300,50,0)；根据试验时候的大气温度，预设入口温度为20℃，空气湿度为10%，入口压力为101.3 kPa。

参数化压降由式(2)表示，流动方向的常系数设定为：a=25，b=0，c=0。边界限值设定：最小值=0.1，最大值=4.6。

3 循环定义

3.1 内循环定义

内循环包括散热器冷却液回路和中冷器流体回路，如图10所示。

3.2 外部循环定义

外部循环主要针对冷却系统外部冷却空气的流动路径，定义了空气流经路线的5个节点，每个节点前后分别为部件参数模型，以此来表示冷却空气流经各个部件模型的先后次序，如图11所示。

4 模拟计算与分析

根据台架模拟运行试验数据和发动机冷却系统模型参数设置，确定仿真模型模拟计算工况，主要包括发动机转速、平均有效压力、行驶车速、大气湿度和压力等，研究针对发动机最大转速、最大扭矩等几个典型工况进行分析，具体工况如表2所示。

表2 模拟计算工况

通过分析计算，得到包括散热器的进出水温度及温差、散热器进出水压力及压力差、中冷器的进出气温度及温差、中冷器的进出气压力及压差等结果，如表3所示。

表3 模拟计算结果

5 仿真结果与试验对比

通过重型商用车柴油机台架试验获得发动机冷却系统性能数据。试验过程中，测量参数有温度测量点，压力测量点和水流量测量点，同时控制发动机输出扭矩和转速。最大扭矩工况(工况2)和额定转速工况(工况4)下所有参数试验数据和仿真模拟数据对比如图12、13所示。

从图12、13中可以看出，除了中冷器进出气压差和散热器进出水温差，其误差超过了8%，其他试验数据和仿真模拟数据结果误差很小，最大不超过5%，最小的误差在1%以内。造成误差偏大的原因是：模型选取的是部件的理想情况，没有充分考虑热交换器部件内部介质的流动和换热损失；试验过程中各种参数测量存在有测量误差；误差较大的这两项基数偏小，与此对应的误差百分比就比较大。因此可以认为，基于KULI软件进行该重型商用车发动机冷却系统分析具有非常高的准确度，为发动机冷却系统的设计与匹配能够提供理论依据。