某型号柴油机冷却系统分析及优化

高巧，刘吉林，王宏大，王次安

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某型号柴油机冷却系统分析及优化

高巧，刘吉林，王宏大，王次安

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于Flowmaster软件建立发动机冷却系统一维模型，分析系统内部流量分布。针对出现的暖风支路流量偏低情况，通过一维模型的压力分布查找故障点，并对该结构进行了三维计算确认。结合一维分析模型和实际布置情况，筛选并确定了最终的优化改进方案。

发动机；冷却系统；暖风；模拟分析；Flowmaster

CLC NO.:U461.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-117-03

引言

为适应下阶段油耗法规，进一步提升发动机效率，在某型号柴油机的改型开发工作中，对冷却系统进行了优化升级，增设新型智能控制模块以实现精确冷却。在适配该模块时，对冷却系统各支路的汇合方式做出相应调整。由于结构的改变，这将会对各支路流量产生影响[1,2]。本文以Flowmaster为主要工具，建立一维冷却系统模型，评估全系统的流量分配，并对存在问题的支路提出了可行的优化方案。

1、Flowmaster 模型搭建

该款柴油机冷却系统原理图如图1所示，冷却液从水泵出发流入缸体水套，向上进入缸盖水套，然后分别进入散热器、机油冷却器、暖风、EGR冷却器以及小循环五个支路，整体上呈并联关系。其中，智能控制模块位于水泵进水口，即各支路都在此汇合后再共同进入水泵。而各个支路的取水口则根据实际需要分别位于缸体或缸盖水套的某处开口。当符负荷最大时上述所有支路将同时打开。

图1 冷却系统原理图

1.1 外围管路及部件的模型建立

根据冷却系统三维设计数模在Flowmaster中搭建一维分析模型。管路组件直接根据几何形状和尺寸选取合适的元件；而散热器油冷器等组件使用阻尼元件替代，相应的阻尼曲线由试验测定，如图2所示。

图2 各组件阻尼数据

Flowmaster软件并不能直接使用水泵的测试数据，为适应更宽泛的模拟需求，需要按特殊格式录入。水泵性能曲线如图3所示。

图3 无量纲水泵性能曲线

2.2 发动机水套模型建立

图4 额定流量下水套压力云图

图5 水套在各个支路上的等效阻尼数据

发动机水套结构复杂且存在多处支路出口，相当于一进四出的歧管，且各个通道间存在相互影响，故不能使用单一元件模拟其流动和换热特性[3]。通过三维软件建立水套的分析模型，按额定流量带入计算，可得如图4所示的水套压力分布云图。通过该数据可知水套整体上压力损失合理，不会额外增加水泵功耗。通过读取各个出口截面上的总压与入口总压做差后即可得到该流量下相应支路的压力损失。同理，在额定流量的一定范围内选取多组流量带入模型计算，可获得各个支路在不同流量下的阻尼数据。最终数据汇总如图5所示。搭建模型时，使用并联的四路阻尼元件替代水套，并使用获取的阻尼数据。

将上述数据代入Flowmaster软件后，得到一维分析模型，如图6所示。由于没有增加换热元件，故该模型仅作分析流量使用。

图6 一维分析模型

2、模拟分析

系统在额定点的无量纲流量分布如表1所示，发现暖风支路的流量明显低于其他支路，且已经接近暖风系统采暖所需最低流量。

表1 各支路流量分布

图7 暖风支路汇合点三维结构及压力云图

图8 暖风支路汇合点一维模型及压力分布

分析系统压力分布后发现，暖风回流支路与机油冷却器、EGR冷却器等支路汇合前后压损异常，是导致暖风支路流量偏低的主要原因。该汇合点管路属于智能控制模块的一部分，几何结构复杂，见图7，用Flowmaster搭建管路模型时进行了一定的简化近似，见图8，可能存在失真。

为排查该问题，使用三维流体分析软件对该处管路进行建模，以Flowmaster计算的各支路流量为边界进行了模拟计算，压力云图如图7所示，确存在压力突变。三维计算的压差与Flowmaster计算的压差对比如表2所示，差异在可接受范围内。故，认定一维模型的简化近似无误，计算结果可信。确认暖风支路存在流量偏低的问题。

表2 三维和一维计算汇合点压差对比

3、方案优化

尽管智能控制模块上的这三个支路的接口空间距离很近，但受外围零部件的影响，这三条支路仍有无法连接到的管口，无法实现理论上的六种连接方式。备选的布置方案有2种：1机油冷却器和暖风接口互换；2暖风和EGR冷却器的接口互换。各方案对应的流量数据如表3所示，方案1暖风支路流量更低且为逆向流动，不符合设计要求。方案2与原方案相比，暖风支路流量增长至原来的三倍，效果较为理想。经校核，方案2对应的各支路流量能够满足各部件的散热或采暖需求。

表3 备选方案流量分布

4、结论

通过分析可知，方案2与原方案相比能够提供更合理的流量分配，当控制策略切换至该流动状态时能够提更好的热平衡性能。

运用三维与一维互相补充的分析策略能够充分发挥一维计算的速度和三维计算的精度，从而最大限度的发挥CAE分析的优势，为设计工作提供有力支持。

[1] 张应兵,王次安等.某增压车型冷却系统分析与验证[J].汽车实用技术. 2016(9), 204-206.

[2] 滕建耐,张增光等.某款汽油发动机冷却系统的优化设计[J].时代农机. 2016(9), 36-37.

[3] 王次安,王宏大等.某国IV发动机冷却系统的优化设计[J].车辆与动力技术.2015(2), 21-24.

Analysis and Optimization for the Cooling System of a Diesel Engine

Gao Qiao, Liu Jilin, Wang Hongda, Wang Ci’an
( Anhui Jianghuai Automobile Group Corp., Ltd, Anhui Hefei 230601 )

Based on the Flowmaster software the1D model for the cooling system of the engine is established to analyze the whole flowrate inside. The 3D simulation is employed to verify the connection fault confirmed by checking the 1D calculation network pressure distribution, which results in the low flowrate in cabin heater branch. The final optimization case is selected according to the 1D simulation result and the actual assembling situation.

Diesel engine; Cooling system; Cabin heater; Simulation; Flowmaster

U461.2

A

1671-7988 (2017)08-117-03

高巧（1982-），女，高级工程师，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司，主要从事发动机设计工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.040