某国IV发动机冷却系统的优化设计

王次安，王宏大，张 蕾

(1.安徽江淮汽车股份有限公司 合肥 230601;2.安徽交通职业技术学院 合肥 230601)

随着汽车保有量的增加，柴油机排出的废气对环境影响越来越大［1］，严格的排放法规使国IV柴油机应用更加广泛.冷却系统做为柴油机重要组成部分对排放性影响很大［2］，并且冷却系统对柴油机的动力性、经济性和可靠性也有很大影响［3］.国IV柴油机在工作中需要向SCR系统额外供给冷却液，这要求冷却系统必须有足够的性能保证车辆的正常工作，所以柴油机冷却系统设计是否合理也就尤为重要.如果通过建立实际结构进行冷却系统的设计验证，这会大大增加研发成本，所以现在计算机辅助工程的应用可以在设计阶段进行冷却系统评估，有效的缩短研发时间和降低研发成本.

文中利用流体分析软件Star-CD和一维分析软件Flowmaster对柴油机冷却系统进行仿真分析，并将分析结果与试验数据进行对比，验证仿真准确性，依据计算结果分析冷却系统布置合理性，并对冷却系统结构提出改进意见.

1 冷却系统仿真分析

1.1 柴油机水套CFD分析

冷却系统仿真分析计算流程如图1所示，首先进行水套的CFD分析，然后将得到的水套流阻数据和其他部件流阻特性、模型管路数据共同作为输入边界输入到Flowmaster一维冷却系统模型中，最后计算得到冷却系统中流量分配和压力分布情况.

对柴油机水套进行CFD分析首先应进行水套几何模型的前处理，水套三维模型中有许多小倒角和褶皱，不利于网格的划分，所以首先将模型导入HyperMesh中进行前处理，如图2所示为处理过的模型，模型中只有一个水套进口和一个水套出口，最后在HyperMesh中完成面网格划分.

图1 冷却系统仿真分析流程

图2 水套几何模型

将HyperMesh中得到的面网格导入Star-CD前处理工具Pro-AM中划分体网格，采用Trim网格类型，最终体网格中六面体单元约占95%，保证计算的精度.计算过程中冷却液类型为50%的乙二醇溶液，冷却液为不可压缩稳态湍流流动，湍流模型采用精度和稳定性更好的k－zeta－f模型，压力和速度耦合采用SILMPLE算法［4］，采用复合壁函数来处理接触壁面［5］.将不同流量作为边界输入进行水套的CFD分析，图3为水套绝对压强分布云图，柴油机额定转速工况下最大压强为2.8 bar.

图3 水套绝对压强分布云图

由柴油机水套CFD分析结果可以得到不同流量所对应的压降，由流量和压降关系得到如图4所示柴油机水套流阻特性.

图4 柴油机水套流阻特性曲线

2.2 冷却系统一维分析

2.7L柴油机冷却系统设计原理如图5所示.

散热器从缸盖前端取水，回水至缸体水套，SCR和暖风并联从缸盖前端取水，最终回水至水泵前端，油冷器从水泵后端取水，回水至水泵前端，尿素喷嘴加热器从SCR回路取水，回水至SCR回路.

图5 冷却系统设计原理图

冷却系统一维分析数据输入包括4部分:水泵性能、柴油机水套阻尼、冷却部件阻尼、管路阻尼参数.其中，水套流阻通过CFD分析得到，如图4所示;水泵性能数据由水泵厂家提供，拟合曲线如图6所示;暖风流阻数据、散热器流阻数据、SCR系统和油冷器流阻数据如图7所示;管路的长度和内径通过CAD模型获得，计算中管路模型采用Colebrook－White模型，该模型在不同雷诺数时的损失系数如公式 (1)、(2)、(3)所示［6］.

图6 水泵性能特性曲线

图7 其他冷却部件流阻特性曲

设置钢管表面粗糙度为0.025 mm，塑料管和橡胶软管粗糙度为0.0025 mm.建立冷却系统一维模型如图8所示，该计算模型包括散热器循环水路、油冷器循环水路、暖风循环水路、SCR循环水路和尿素喷嘴冷却器循环水路.计算中冷却液为50%乙二醇溶液，计算工况为柴油机额定转速工况和最大扭矩点转速工况，水泵与柴油机转速比为1.6，各柴油机转速对应的水泵转速为5120 r/min和3520 r/min，根据水泵性能曲线，计算中取水泵转速为5760 r/min，流量为191.99 L/min，水泵扬程为27.01 m.各参数设置完成后进行冷却系统稳态计算，计算得到冷却系统流量分配和压力分布情况，柴油机转速为3200 r/min和2200 r/min时的系统冷却液流量分配如表1所示.

表1 冷却系统流量分配表

图8 冷却系统一维计算模型

由表1知在柴油机额定转速下散热器流量值最大为155.17 L/min，由图7可知在几个主要冷却部件中，散热器的流阻较小，而且散热器为主要对外散热结构，所以要求散热器的流量较大;额定工况下SCR流量与设计值较接近，但在低转速下流量值偏低，所以应进行系统优化以提高其流量.根据冷却系统压力分布图可知，柴油机转速为3200 r/min和2200 r/min时系统整体压力损失为1.55 bar和0.81 bar，主要压力损失出现在柴油机水套位置，系统压力较高，发生气蚀的可能性较小.

2 冷却系统试验

2.1 冷却系统试验条件

为了验证冷却系统一维仿真的准确性，进行2.7L柴油机冷却系统台架试验，评价柴油机冷却系统是否满足设计要求.根据试验方案布置整车的冷却系统，有散热器、流量计、膨胀水箱等相关部件，试验过程中节温器全开，柴油机最大转速3200 r/min工况，整车防冻液，按照要求布置压力传感器，并且压力传感器的测量的量程和测量参数点的数值变化范围要适当.如图9为该型号柴油机在台架试验台上的试验状态，通过该试验可测得不同工况下冷却系统流量分配情况.

图9 柴油机台架试验台

2.2 冷却系统试验数据

额定转速下各部件试验数据如表2所示，该表进行模拟结果与试验采集数据的对比.

表2 仿真数据与试验数据对比

试验数据中系统总压力损失为1.703 bar，模拟数据系统总压力损失为1.55 bar，两者总压力损失偏差为8.9%.考虑到计算误差与测量误差的必然存在，根据经验，通常认为冷却系统流量分布的模拟分析值与试验值误差小于10%即可，由偏差对比知，各冷却部件流量模拟值与试验数据较好符合，这也验证了冷却系统一维仿真结果的准确性.

3 冷却系统优化设计

根据一维冷却系统分析结果可知，在柴油机额定转速 (3200 r/min)和柴油机最大扭矩点转速(2200 r/min)下，流过SCR尿素箱的流量分别为4.17 L/min和2.85 L/min，该部分的冷却液主要是实现低温环境下尿素结晶的及时解冻.根据BOSCH经验，零下25℃时，要求尿素溶液在40～50 min内解冻，柴油机中高速，尿素箱水流流量能够满足尿素箱加热需求，但柴油机低速水流量偏低，影响尿素解冻时间.通过一维分析可知在柴油机最大扭矩点转速 (2200 r/min)下通过尿素箱的流量偏低，特别柴油机怠速工况下 (750 r/min)通过SCR尿素箱的流量仅为1.24 L/min，柴油机低速工况下冷却液流量不满足尿素结晶及时解冻的条件，进而影响国IV柴油机性能，造成低速工况下排放性较差，所以应适当提高柴油机低速条件下通过尿素箱的冷却液流量.

为了提高SCR系统冷却液流量，应适当降低SCR系统回路流阻，通过分析SCR系统冷却液循环回路发现为了给尿素喷嘴供给冷却液，管路中连接两个主直径为10 mm的三通接头，如图10所示，其中管路1为高温冷却液流进尿素箱的管路，管路2为冷却液流出尿素箱的管路，这两条管路的直径均为14 mm，而三通主直径为10 mm，小直径起到较大的节流作用，增加管路流阻，所以，应适当增大直径.

图10 尿素箱管路

将与三通接头连接的软管管路直径扩大为16 mm，三通接头主直径扩大为14 mm，并将管路系统中其他金属管路直径由12 mm扩大为14 mm，再次进行冷却系统分析，计算得到在怠速工况下流过尿素箱的流量为1.76 L/min，与原结构相比，流量提升了42%，最大扭矩点转速下流量为3.71 L/min，流量的增加保证低温环境下尿素结晶的及时解冻.流过尿素箱的冷却液增加的原因是SCR系统回路流阻降低，进而整个冷却系统流阻降低，所以对其他冷却部件流量影响不大.

4 结论

对某国IV柴油机进行一维、三维联合仿真，分析典型工况下的冷却系统流量分配和压力分布情况，并通过试验验证仿真的准确性，基于分析结果提出SCR管路系统优化方案，以提高流过尿素箱冷却液的量，保证在寒冷地区尿素结晶的及时解冻，有利于SCR系统在最短的时间内正常运转，保证国IV柴油机排放性能，降低污染物的排放，对环境保护具有积极意义.

［1］麻友良.汽车电器与电子控制系统 ［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［2］陈家瑞.汽车构造 ［M］.北京:机械工业出版社，2011.

［3］王 刚，李云清，梁新月，等.对某型柴油机冷却系统的设计与匹配研究 ［J］.车辆与动力技术，2007(4):32-35.

［4］张应兵，陈怀望，许 涛.CFD技术在柴油机冷却水套优化设计中的应用 ［J］.汽车工程师，2012(4):56-58.

［5］AVL fire user＇s guide version 3.3［R］.AVL LIST GmbH，2000.

［6］Flow master V7中文技术手册 ［R］.27-28.