汽车发动机和乘员舱温升过程仿真建模分析

刘建祥 王次安 朱增怀 王宏大 端方勇

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心）

随着汽车技术的发展和人们生活水平的提高，客户对整车热性能需求越来越高。在整车热性能设计开发过程中，需要车辆在所有行驶工况下既不过热又不过冷，特别是寒带地区的客户对整车采暖性能的关注更加突出[1]。乘员舱温度上升较慢会造成客户对采暖热舒适性的主观评价差，同时发动机的温升慢会造成发动机油耗大，进而影响产品在寒带地区的口碑[2]。国内整车热性能开发主要是通过反复测试并不断优化，开发周期长、成本高，而国外主要以仿真为主，并结合试验的手段进行，大大缩短了研发周期[3]。文章研究了发动机和乘员舱温升过程一维仿真方法，总结了仿真流程、边界数据的获取方法，通过试验验证了模型的可信度。

1 仿真流程

发动机温升和乘员舱温升属于瞬态换热过程，主要考虑随着时间及工况的变化，系统温度的动态变化，如发动机温升变化、乘员舱采暖温度变化、节温器动态响应变化等。与稳态结果相比，瞬态过程分析需要输入的边界条件参数更多，模型复杂度高。

发动机温升和乘员舱瞬态换热过程分析基本流程，如图1所示。首先需要确定温升边界条件，主要边界条件包括：发动机几何结构参数（几何数模）、润滑系统分析数据、冷却系统分析数据、发动机热力学分析数据、乘员舱数模和整车数模。通过发动机数模获得发动机尺寸和材料参数，并对水套进行三维CFD 分析，获得不同流量边界下的水套换热系数；利用润滑系统分析获得不同温度和转速边界下的系统机油流量分配情况；利用冷却系统分析搭建冷却系统换热分析模型，得到系统流量分配情况；利用发动机热力学分析，获得燃烧室温度、排气歧管温度等；通过乘员舱模型获得乘员舱各部分的结构尺寸、材料物理属性等，确定乘员舱的换热参数。然后基于上述边界条件将参数代入温升分析模型之中，定义分析工况，进行温升瞬态分析。最后对结果进行评价，如果温升时间不满足评价标准，再进行各个不同优化方案的验证，直至分析结果满足标准，确定最终方案，指导产品开发。

图1 汽车发动机温升和乘员舱瞬态换热过程分析基本流程图

2 重要边界数据获取

2.1 发动机水套CFD分析

为了获取发动机水套换热系数，利用AVL Fire 软件进行CFD 仿真分析，如图2所示。设置不同的进出口流量边界并检测各部位的换热系数随冷却液流量的变化情况，获取水套压力分布、流阻数据及换热系数随流量的变化情况，该数据决定冷却系统吸收的热量。

图2 汽车发动机水套压力分布图

2.2 发动机热力学分析

为确定发动机缸内温度及排气流量，利用AVL Boost 软件对该机型进行热力学分析，分析模型，如图3所示。通过仿真分析获取缸内温度随转速和指示压力的变化情况，排气流量随转速和指示平均有效压力的变化情况，将计算得到的数据作为温升分析的热源数据。

图3 汽车发动机热力学分析模型图

2.3 其他边界数据

通过润滑系统建模与分析获得不同转速及温度边界下润滑系统各个支路流量的分配情况，图4 示出基于FloMASTER 软件搭建的润滑系统分析模型。根据润滑系统几何模型确定润滑系统分析模型，然后进行分析，获得曲轴、凸轮轴、机油泵等各个部件的流量MAP图，该流量分配结果为温升模型中润滑系统流量输入边界。

图4 汽车润滑系统分析模型示意图

冷却系统模型是温升模型中重要的组成结构，冷却系统搭建是否合理直接影响系统的分析结果，冷却水泵性能仿真，如图5所示[4]。节温器开启特性数据仿真，如图6所示。将通过模拟或供应商实测获得的数据，以及其它散热器及暖风换热性能MAP 图数据作为边界，进行发动机温升分析模型建模工作的输入。

图5 汽车发动机水泵性能仿真显示界面

图6 汽车发动机节温器开启特性仿真显示界面

3 瞬态温升模型搭建

依据冷却系统原理图、冷却系统数模结构，最终搭建某车型整车温升一维瞬态模型，如图7所示。至此进行计算工况的设置、运算模型，即可得到整车冷却液温度和乘员舱温度，并得到系统温升时间。

图7 某车型整车温升一维瞬态分析模型界面

4 模型试验验证

为了验证瞬态分析结果的可信度，在汽车上布置相应的温度传感器。图8 示出某车型乘员舱后排脚部测温传感器布置。图9 示出某车型乘员舱后排脚部温度仿真与测试结果对比。图10 示出冷却液温升过程仿真与测试结果对比。从图9 和图10 可以看出，通过文章所用的仿真方法得到的乘员舱温升和发动机水温结果与试验数据吻合较好，且温升趋势一致，具有较高的实用价值。

图8 某车型乘员舱后排温升温度传感器布置示意图

图9 某车型乘员舱后排脚部温升仿真与试验对比图

图10 某车型冷却液温升仿真与试验对比图

5 结论

文章基于 AVL Fire、AVL Boost 和 FloMASTER 等多款软件进行了整车瞬态温升分析模型边界数据获取方法研究，然后利用FloMASTER 平台搭建了某车型发动机和整车乘员舱瞬态分析模型并对结果进行预测，仿真与试验结果吻合度较高，尤其在技术研究阶段，该仿真方法具有较高的工程实用价值，极大地提高了乘员舱采暖性能开发的效率。