基于AMESim的发动机冷却系统 散热性能研究

朱烨，杨章林，贾会星

(滁州职业技术学院机械与汽车工程学院，安徽滁州239000)

随着石油资源的匮乏与环保要求的提高，汽车的燃油经济性越来越被重视．发动机冷却系统的设计对油耗有重大影响，如何进行冷却系统的优化设计分析，缩短产品设计开发周期，提高发动机热效能，是汽车工程师追求的目标．

传统的做法是选择冷却系统不同结构参数的零部件，直接进入试验分析部分，这种方法存在很大的盲目性，优化能力也非常有限．近些年，国内研究人员利用计算机仿真大大提高了效率．顾宁等人在汽车发动机冷却系统设计过程中兼顾燃油经济性与冷却性能，研究出一套节能优化设计方案，并对某款车型进行了冷却系统参数的仿真与优化[1]．贵州大学的马秀勤以实际问题为出发点，设计了一种收腰型散热管，通过风洞试验与仿真计算结果的对比，证明了设计的收腰型散热管模型可行性[2]．广汽的曾志新等搭建了一款车型的发动机冷却系统准三维模型与一维模型，通过计算仿真，提出了改进方案[3]．徐工集团的郑建丰等对工程机械冷却风扇液压驱动系统的组成及效果进行了原理分析，推导出了冷却风扇性能优化的匹配方法，并进行了实验平台的验证[4]．重庆理工大学杨英等对散热器迎风面积、散热器排数、水泵传动比等多个重要因素进行了冷却性能的分析，获得了系统出水口温度曲线随参数变化的规律，通过对比实验数据和仿真数据可知，误差在6%以内，证明了仿真平台的正确性[5]．

在前人研究的基础上，本文针对某排量为 1.5 L的发动机冷却系统，建立了AMESim模型，研究了不同工况下该冷却系统的性能，并对仿真结果进行了分析．本研究有利于提高冷却系统前期设计的效率．

1 模型建立与参数设置

1.1 模型建立

本文基于实际发动机冷却系统的工作原理与结构组成，结合AMESim软件中强大的物理可视化仿真库，使用了信号库、热力库、空调系统库、冷却系统库等，完成了冷却系统的模型建立．AMESim软件完成完整的仿真需要4个步骤，即草图模式搭建、子模型选择、参数设置、模拟分析，其中冷却系统中零件的结构尺寸等参数设置是在第三个模式中完成的．本文搭建的具体模型与运行工况见图1．

图1 发动机冷却系统AMESim模型

发动机：模型建立选择的发动机是强制水冷式的，水泵的运转让冷却液可以在发动机水套中实现循环冷却，通过节温器阀门的开闭以及开启程度大小实现冷却液进入散热器流量的调节控制，它开启的时刻与开度大小与冷却水温度有关．冷却风扇采用电子风扇，风扇运转或关闭与软件中设置的温度值有关．发动机的仿真模型块需要匹配的参数，发动机的主要的基本结构参数见表2，根据实际发动机物理尺寸与性能参数进行设置，将数值导入到模块中，在仿真时自动进行参数的调用．

水泵：冷却系统中水泵选择的是机械叶片离心式的，模块中需要完成匹配的参数主要有水泵的流量和水泵的扬程．

管路：AMESim的管路模块需要匹配的参数主要有冷却管路的液压指数、长度、直径、横截面积、层流雷诺系数最大值、湍流雷诺系数最小值等．

散热器：模型采用管带式自带风扇的散热器，这种类型的散热器在散热性能、结构尺寸等方面都具有一定优势，非常符合此次发动机冷却系统的仿真要求．在AMESim仿真模型参数设置中，主要涉及的参数有风扇的起停温度、散热器的尺寸、风扇的尺寸、散热器的等效面积、散热器指数、散热器空气动力学系数等．风扇的开闭温度由温控开关模块决定．

节温器：节温器模型需要匹配的参数主要是主副阀门开启的温度．匹配的节温器当冷却液温度上升到86ºC时，主阀门逐渐开启，102ºC时节温器大循环主阀门完全打开，小循环副阀门完全关闭．当冷却液温度开始降低到86ºC时，冷却液大循环停止，副阀门完全打开，进入小循环模式．

温控开关：模型可以根据需要来设定风扇工作的温度范围，与温度传感器模型配合使用．仿真时，当冷却液温度上升时，风扇的启动温度设定为90ºC，当冷却液温度下降时，风扇关闭的温度设定为84ºC．

冷却液：冷却介质为冷却系统提供一定属性的冷却液，仿真中冷却液参数一般都为默认值，也可以在仿真时根据特殊要求进行改变．

全局变量：在冷却系统的仿真中，将其参数设置为汽车的车速，可以将车速信号转换为单位为m/s的速度信号传递给散热器模块．

热风元件：参数设置类似散热器，需要输入冷却液体积、节流面积等数值参数和与冷却液流量和风速相关的换热量数表等参数．

驾驶模式：该子模型用来模拟汽车行驶的工况，在仿真时，可以根据用户的需要提供随时间变化的车速、汽车传动比、行驶坡度，外界的初始温度等．

汽车使用性能：用户可以根据实际设定空调开启时消耗的发动转速、发动机转速和最大转速、动力传递效率等．

以上完成了AMESim仿真时主要模型的搭建和参数匹配，当然模型中也有很多参数的取值都采用了AMESim软件中默认值的方式．

1.2 整车参数设置

模型中的车型为5档手动版轿车，整车参数主要包括整车尺寸、质量、轴距、最高车速等，具体数值如表1所示．

表1 整车相关参数

1.3 发动机子模型

汽油在燃烧室燃烧产生热量，构成了热量的主要来源，发动机主要的数学模型已在AMESim软件中默认集成，具体参数见表2．

表2 发动机参数

根据热力学知识，发动机单位时间散热量为：

冷却液吸收的热量为：

式中，h为对流换热系数，A为热交换接触面积，Teng为发动机气缸壁温度，Tin和Tout分别为发动机冷却液的进出口温度．

根据热力学发动机的热平衡方程有：

式中C为发动机机体热容量．

1.4 散热器和风扇

为提高散热器工作效率，利用冷却风扇加快空气流动，带走散热器表面热量．散热器模型的热力学公式为：

式中，Qrad为散热器总的单位时间内的热交换量，Aexch为散热器内部的热交换面积，U为换热系数，(Tin-Tout)为散热器进出口处的温差．散热器与风扇主要结构尺寸如表3所示．

风扇的控制由温度传感器与触发器模型共同作用．考虑到冷却液温度的振荡会造成风扇频繁启停，设置风扇的开启温度与关闭温度差值应超过5℃[6]．在软件参数模式设置中，风扇的启动温度与关闭温度分别设定为90℃和84℃．

表3 散热器和风扇参数

1.5 节温器

冷却系统实现大小循环的切换的重要部件是节温器，节温器性能结构参数见表4．软件中默认节温器打开过程没有迟滞性，节温器芯体打开的温度为86℃，完全打开的温度为102℃，于是得出如下结论：

当T≥Tmax时，A=1；T≤Tmin时，A=0；当Tmin＜T＜Tmax时，

式中，A为节温器阀门的开启比例，能够反应节温器的开启程度，即主阀门的开启程度；T为节温器内部石蜡芯体的温度；Tmin和Tmax分别为节温器阀门刚刚开启与完全打开时的对应温度．

表4 节温器参数

2 多工况下仿真结果分析

2.1 仿真工况参数设定

为了让该车冷却系统性能更加可靠全面，进行了较为严格的工况测试．仿真过程选取了2个工况，工况1为城市常见工况，因为城市行驶中车速有限，车速设为30 km / h，变速器传动比设置为2.05；工况2为高温爬坡极限工况，对其冷却能力要求比较高，变速器传动比设为3.3，环境温度为40℃，坡度为10%．选用AMESim regular求解器，仿真时间为300 s，通信步长一般选择0.1 s，选择标准积分器，其他参数采用默认设置．具体参数见表5．

表5 两种工况参数

2.2 不同工况下冷却系统仿真分析

冷却系统主要的组成部件按前述包括散热器、节温器及发动机等，各模块相关参数在软件参数模式下完成设置，就可以求解得到发动机与散热器的出口温度曲线以及节温器的开度变化曲线．

工况1仿真结果如图2、图3所示．图2为发动机与散热器的出口温度曲线图．从图2可以看到，在发动机启动的前期，发动机出口冷却液温度随时间增加，此时冷却系统处在小循环阶段，节温器关闭，在约80 s后节温器开启，冷却液进入散热器强制散热，此时温度产生振荡，这是因为冷却系统中，小循环进入大循环时节温器渐渐开启导致，在100 s后水温逐渐稳定，然后达到发动机热效率高效温度区间．发动机达到稳定运行的节温器开度对比如图3所示，常温工况下节温器的最大开启比例为12%，稳定运行后的节温器开度开启比例很小，说明在该工况下，发动机冷却系统能够很好地承担散热任务．

图2 发动机与散热器出口温度曲线（工况1）

图3 节温器开度曲线（工况1）

工况2仿真结果如图4、图5所示，可见在40℃的环境温度、10%的道路坡度的情况下，节温器在50 s就开始开启，进入大循环，发动机出口处冷却温度达到100℃后迅速下降，最后稳定在91.2℃，节温器的最大开启比例为24%，最终稳定在21%，说明在此极限工况下该套冷却系统散热能力储备充足，可以满足高温低速爬坡极限工况在的要求，当然，其余稳态工况的散热要求均可确保满足．

图4 发动机与散热器出口温度曲线（工况2）

图5 节温器开度曲线（工况2）

通过比较两种工况下的散热性能曲线可以发现，高温爬坡对冷却系统散热有更高的要求．在更苛刻的工况下，也要保证发动机不能出现“开锅”现象，在满足散热性能前提下，后期可以进一步优化风扇、散热器、节温器等部件的尺寸，使尺寸更小，结构更合理，优化成本，而且能够满足散热要求．

3 结束语

本文通过AMESim软件建立了某排量1.5 L发动机的冷却系统模型，进行一维仿真，对各子模型的参数按照实际情况进行了设置．通过仿真分析得到了发动机和散热器出口温度及节温器开度随时间的变化曲线图，所得结果对冷却系统零部件参数设计有一定参考意义．利用搭建的AMESim热管理模型可以修改冷却系统相关参数来研究其对发动机散热性能的影响，这对提高开发效率具有重要意义．