某重型車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的冷卻性能的優(yōu)化設計(

MB型車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的冷卻性能的優(yōu)化 設計* 李文尚，龍芋宏，劉均亮，蔡杰 （桂林電子科技大學機電工程學院，廣西桂林541004） 摘要：以某重型車發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)為研究對象，根據(jù)供應商提供的熱交換器的風洞實驗數(shù)據(jù)，運用KULI軟件對該重型 車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)模型進行優(yōu)化設計。重點研究在散熱器與中冷器不完全覆蓋的情況下，探討中冷器的安裝位置對整體 散熱性能的影響。結論是對于中冷器與散熱器的迎風面積不是全覆蓋的情況，中冷器芯子與散熱器芯子的安裝高度應盡 量一致，有助于提供散熱器的冷卻效果。該方法可為重型車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設計前期提供參考。 關鍵詞：重型車；冷卻系統(tǒng)；KULI；優(yōu)化配置 中國法分類號U463 文獻標志碼A 1引言 隨著重型車載重量的不斷提高，使得發(fā)動機轉速和功率也相應地提高。而作為車輛的重要組成部分 冷卻系統(tǒng)是保障發(fā)動機正常穩(wěn)定運轉的重要輔助系統(tǒng)之一。有數(shù)據(jù)顯示，燃油燃燒后產生的熱量分配大 約為：30%用于推動活塞做功，30%通過排氣散發(fā)掉，而30%的熱量需要通過冷卻系統(tǒng)散發(fā)掉。這就對發(fā) 動機的冷卻系統(tǒng)提出了更高的要求，要求冷卻系統(tǒng)能夠具有更好的散熱效果，使發(fā)動機在高功率下能夠 正常的運轉IE。而與此同時，現(xiàn)在很多汽車廠商在汽車設計過程中，為了保證駕駛室有足夠的空間而縮 小了發(fā)動機艙的空間。因此，在有限的發(fā)動機艙空間里，散熱條件惡劣的情況下，設計出既能保證有足 夠散熱能力和強度又能提高效率降低能耗已成為冷卻系統(tǒng)未來發(fā)展的必然趨勢if。 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的開發(fā)和實驗通常需要在風洞中做大量試驗，其理論設計涉及傳熱學和流體力學等 學科，計算量大，這無疑加大了發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的設計周期和昂貴的試驗費°KULI軟件是由斯太爾工程 技術中心研發(fā)的汽車熱管理的設計和仿真的一維軟件⑹。它系統(tǒng)地考慮零部件與零部件，零部件與系統(tǒng) 間的性能配置。運用KULI汽車熱管理一維軟件可以方便快速地設計出某個發(fā)動機冷卻系統(tǒng)模型，縮短 設計周期降低開發(fā)成本。本文利用該軟件對某重型車冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)化并與實驗數(shù)據(jù)對比，從而得到該 冷卻系統(tǒng)配置的優(yōu)化方案。 2冷卻系統(tǒng)模型的建立 本文是以某重載車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)為研究對象，該冷卻系統(tǒng)主要采用閉式強制水冷循環(huán)的方式，主 要由冷卻水套、水泵、風扇、散熱器、進氣中冷器、節(jié)溫器、機油冷卻器以及循環(huán)管路等組成。 2.1冷卻系統(tǒng)的散熱量Q w 該重載車使用的發(fā)動機主要技術參數(shù)如表1所示： 表1發(fā)動機主要技術參數(shù) Table 1: the main technical parameters of engine 缽文受桂林市科學研究與技術開發(fā)研究項目（編號:20120102-1）.柳州市科學研究與技術開發(fā)研究項目（編號：2013H020401）和廣西制造系統(tǒng) 與先進制造技術重點實驗室主任課題（編號：桂科能11-031-12_009）資助。 作者簡介：李文尚 （1988-），J男，江辦省鹽城市*人，碩士研.^^生，研力-向I為y勺車動力學。Email: 281206398@ 導師介紹：龍芋宏（1974-），女，湖南省岳陽市人，教授，研究方向為機械動力學。通訊地址：桂林電子科技大學機電工程學院，541004。 發(fā)動機參數(shù) 參數(shù)值 進氣形式 增壓中冷 汽缸數(shù) 6 缸徑X行程（mm） 120X130 排量（L） 8.8 額定轉速/ - min-1 ) 2100 額定功率（KW） 275 最大扭矩（N ?m） 1550 最大扭矩轉速”■min-1） 1300 冷卻系統(tǒng)散出的熱量Q ，受許多復雜因素的影響， w 很難精確計算，一般采用經驗公式估算［7： Q ="化 w 3600 (1) 式中：Qw為冷卻系統(tǒng)散走的熱量，單位：KJ - s-1 ； k為發(fā)動機傳給冷卻系的熱量占燃料總熱量的 百分數(shù)；g°為發(fā)動機燃料消耗率，單位：kg ■（kw-h）-1 ； %為發(fā)動機標定功率，單位：kw ； «為燃 料低熱值，單位：KJ.kg-1。 上式中：k取0.2； g^取0.32； h.取41870。求出冷卻系統(tǒng)散出的熱量Q^為205KJ -s-1。 2.2冷卻水的循環(huán)量^w （2） WWW 式中：△、為冷卻水在發(fā)動機內循環(huán)是的容許溫升，對現(xiàn)代強制循環(huán)冷卻系，可取△\=6?12°C； rw 為水的比重，取1000kg/m3； Cw為水的比熱，取4.187KJ/kg - C。 求得冷卻水的循環(huán)量為380 Lmin。 2.3冷卻系統(tǒng)模型建立 根據(jù)該重型車發(fā)動機艙結構形式，在KULI中建立進口壓降（KULI軟件中為CP閥）、格柵阻力、中 冷器、散熱器、機械風扇、內部壓降（KULI軟件中為內部阻力）以及出口壓降的仿真模型。其中中冷器、 散熱器以及風扇的性能特性由供應商提供。散熱量與循環(huán)水量由上面計算得出。建立的冷卻系統(tǒng)模型如 圖1和圖2所示。 ■1.CF 鞍熱H 內邸3力 出口壓睢 圖1內循環(huán)回路 Figure 1: the internal loop 圖2外循環(huán)回路 Figure 2: the external loop 3模擬計算參數(shù) 3.1模擬計算參數(shù)設定 根據(jù)臺架模擬運行實驗數(shù)據(jù)和零部件模型參數(shù)設置，確定數(shù)字模型模擬計算參數(shù)，主要包括發(fā)動機 轉速、有效壓力均值、模擬行駛車速、空氣濕度和壓力等。對發(fā)動機最大轉速、最大扭矩等三種工況進 行分析研究。如表2所示： 表2模擬計算參數(shù)設定 Table 2: the setting of simulating parameters 工況 工況1 工況2 工況3 發(fā)動機轉速[rpm] 1300 1500 2100 有效壓力均值[kPa] 145 168 158 模擬車速[km/h] 15 15 15 大氣壓力[hPa] 1013 1013 1013 環(huán)境溫度[°C] 35 35 35 空氣濕度[%] 45 45 45 風扇轉速[rpm] 1300 1500 2100 空調狀態(tài) 關閉 關閉 關閉 散熱器內部流量率[l/min] 208 240 380 散熱器內部壓力[bar] 2 2 2 散熱器內部熱流量[kW] 77 91.5 135 中冷卻內部流量率[kg/s] 0.2 0.25 0.4 中冷卻內部壓力[bar] 2.42 2.5 2.75 中冷卻內部媒介溫度[C] 144 145.9 165 3.2模擬計算結果 通過KULI的仿真分析，得到以下主要結果數(shù)據(jù)，包括散熱器的進、出水溫度及進出水溫差、散熱 器的進、出水壓力及進出水壓差、中冷器的進、出氣溫度及進出氣溫差、中冷器的進、出氣壓力及進出 氣壓差。如表3所示： 表3模擬計算結果 Table 3: simulating results 工況 工況1 工況2 工況3 發(fā)動機轉速[rpm] 1300 1500 2100 散熱器進水溫度［C］ 88.45 97.83 93.96 散熱器出水溫度［C］ 85.19 91.93 87.46 散熱器進出水溫差［K］ 3.26 5.90 6.5 散熱器進水壓力［bar］ 2 2 2 散熱器出水壓差［bar］ 1.82 1.69 1.49 散熱器進出水壓力差［bar］ 0.18 0.31 0.51 中冷器進氣溫度［C］ 144.53 145.90 165.00 中冷器出氣溫度［C］ 46.63 48.09 54.53 中冷器進出氣溫差［K］ 97.90 97.81 106.47 中冷器進氣壓力［bar］ 2.42 2.50 2.75 中冷器出氣壓力［bar］ 2.39 2.47 2.68 中冷器進出氣壓力差［bar］ 0.03 0.03 0.07 從表3中可以看出，在最大扭矩工況（工況2）和額定轉速工況（工況3）下，散熱器出水溫度都保 持在85°C?95°C以內，在發(fā)動機允許的溫度范圍內；中冷器出氣溫度（即發(fā)動機進氣溫度）保持在50°C 左右，在發(fā)動機最佳進氣范圍內。因此可以認為，在發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設計前期，運用KULI軟件和供應 商提供的性能參數(shù)可以初步確定發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的各參數(shù)。為發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的設計和匹配提供參考依 據(jù)。 4冷卻系統(tǒng)優(yōu)化配置 通過以上方法可指導發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設計者正確進行散熱器、中冷器以及風扇的選型和計算。但是 考慮到發(fā)動機功率的提高及發(fā)動機艙空間的縮小，有必要對冷卻系統(tǒng)整體布局進行優(yōu)化使其具有更好的 散熱能力。 針對該重型車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中散熱器與中冷器的迎風面積不同，兩者不能完全重疊。根據(jù)流體力 學理論，冷卻空氣在散熱器和中冷器組件中流動時，在中冷器進口截面和散熱器出口截面之間的各個部 分壓力降都是相同的，所以冷卻空氣流過重疊部分和非重疊部分的流速是不同的，流過重疊部分因阻力 大其流速較小，而流過非重疊部分因阻力小其流速較高。所以散熱器上水室冷卻水溫受到中冷器安裝位 置的影響［8］本文分別用KULI軟件仿真和理論計算的方法對中冷器位于散熱器上部、中部、下部這三種 情況展開研究。三種位置關系如圖3所示： Aw；以費器上水亳冷卻水溫 “;散熱街下水室隆卻水詛 『5里西部分的交界處冷卻溫宣 Q1 ；北王益部分觸[皤散走的恩長 ©2; Me部分*，空能走的熱昌 兌】：三淫吾凈分骸熱器比冷卻冬力 必：更簽部分散痔器比;合卻白汕 4 :中冷血口處冷卻空氣侶廈 A ;中冶■脂出口處冷卻空■蔑溟 圖3中冷器的布置 Figure 3: the layout of intercooler 4.1模型仿真 根據(jù)上面設計出的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)，在KULI中建立該發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中冷器的三種不同布置的模 型，保持其他參數(shù)不變，只改變中冷器的位置參數(shù)。其位置參數(shù)如表4： 表4：各部件位置參數(shù) Table 4: the location parameters of parts 參數(shù) 中冷器下置 中冷器中置 中冷器上置 坐標[mm] （X，y，z） （X， y， z） (x，y，z) 中冷器[CAC] (0,37,0) (0,37,175) (0,37,350) 進口壓降[CP1] (-200,300,450) 格柵阻力1 [Aresl] (-50,12,0) 格柵阻力2 [Ares2] (-50,12,400) 散熱器[RAD] (100,0,0) 風扇[Fan] (300,325,450) 內部阻力[BiR] (500,300,450) 出口壓降[CP2] (600,300,450) 為了能夠分析中冷器三種不同位置時散熱器表面散熱量的分布，將散熱器分成若干個50X50的小 模塊，這樣在后處理KULI lab中可以直觀的反映出散熱器表面溫度的分布情況。 4.2仿真結果 本論文以額定功率為研究工況，通過KULI的仿真分析，得到散熱器進、出水溫度及中冷器進、出 氣溫度等主要結果數(shù)據(jù)。如表5所示： 表5：模擬計算結果 Table 5: simulation results 參數(shù) 中冷器下置 中冷器中置 中冷器上置 發(fā)動機額定轉速[rpm] 2100 散熱器進水溫度[°C] 93.9622 93.1973 92.4276 散熱器出水溫度[°C] 87.4633 86.4979 85.5270 散熱器進出水溫差[C] 6.4989 6.6994 6.9006 中冷器進氣溫度[C] 165 165 165 中冷器出氣溫度[C] 58.5268 58.5541 58.5817 中冷器進出氣溫差[C] 106.4731 106.4459 106.4183 由仿真計算結果可以看出，當散熱器內部冷卻水自上往下，中冷器內部冷卻水自左往右流動時，中 冷器的三種布置方式對散熱器的散熱效果具有一定的影響。中冷器上置時散熱效果要優(yōu)于中冷器中置和 下置。 將仿真結果導入KULI lab軟件中，可以看出不同布置對散熱器表面散熱能力均勻性有一定的影響。 （a） （b） （c） 圖4中冷器不同布置時散熱器溫度分布（a）中冷器下置；（b）中冷器中置；（c）中冷器上置 Figure 4: the temperature distribution of radiator for intercooler in different location 對比圖4三種不同布置散熱器溫度分布圖可以直觀的看出，圖（a）中散熱器自上而下溫度分布差值 較大，圖（c）的溫度分布差值較小，而圖（b）的溫度分布介于這兩者之間。由此說明在這三種不同布置 中，當中冷器上置時散熱器的散熱更均勻，溫度過渡平順，散熱效果要更好。 4.3理論分析 根據(jù)車輛冷卻傳熱理論，散熱器散走的熱量可通過下面兩個表達式來計算。如式（3）、式（4）所 示： Q = q F ?（/ -12） （3） 。廣 式中：Qw為冷卻系統(tǒng)散走的熱量；F為散熱器的迎風面積；1m為散熱器的平均溫度；12為中冷 器出口處冷卻空氣溫度；Gw為水泵的流量；。引為冷卻水的等壓比熱；q為比冷卻能力，其物理意義 是冷卻器（散熱器或中冷器）單位迎風面積、單位溫差（冷卻器平均溫度與冷卻空氣溫度之差）所散走 的熱量。 1 疽（1wu V2 （5） 結合圖3所示三種中冷器的布置結構，將中冷器下置、中置和上置時的散熱器分為重疊部分和非重 疊部分來討論，并分別將各參數(shù)帶入式（3）（4）（5）組成方程組如下: 中冷器下置時方程組為： Q w1 （6） （7） Qwi =氣?C"(，廣" ⑻ （10） Qw2 = % C" (tw1 - ? ⑼ Qw = QZ Qw2 式中：［為散熱器與中冷器非重疊部分面積；孔為散熱器與中冷器重疊部分面積; 同理，可以得出中冷器上置時方程組為： Q w1 =q s1 （11） Qw2 = qs 2 ^ Fb ^ 't +1 —wu w1 — t 2 2 7 （12） Qw1 =氣，C" (tw1 - ? (13) Qw2= % C" "wu-U E Qw = Qw1+ Qw 2 （15） 聯(lián)合上面各式可以解得散熱器上水室冷卻水溫t的計算式。如下: wu 中冷器下置時，散熱器上水室的溫度t*計算式為： wu Q ? A ? B 2q ? F ? t ? A + 2q ? F ? t ? D t * = w \ + S2 b 2 s1 a 1 wu G ? c \A ? B — C ? D) A ? B — C ? D （16） 中冷器上置時，散熱器上水室的溫度t.計算式為： Q ? A ? B 2q ? F ? t ? B + 2q ? F ? t ? C tu = w \ + s1 a 1 S2 b 2 (17) wu G - C \A ? B — C ? D) A ? B — C ? D 其中：A = 2G C + q F （18） B = 2G C + q K (19) C = 2GCw - qsiF (20) D = 2G C -q F (21) 貝g： tu — td = "si" s 2_a_b G — t ) (22) wu wu G C q F + G C q F i 2 w p'w s 2 b w p'w si a 其中：12 — ti =Vt , Vt為中冷器進出口冷卻空氣的溫升。 由上式結果可知，當中冷器上置時，散熱器的散熱性能更好。這與在KULI中仿真結果一致。 所以對于中冷器和散熱器不完全覆蓋的情況時，可以把中冷器安裝成與散熱器等高，這樣既可以提 高散熱器的冷卻效率，也能使散熱器內部的散熱分布更均勻，延長散熱器的使用壽命。理論分析進一步 驗證了仿真結果。 5結論 本文以某重型車發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)為研究對象，運用KULI軟件對該重型車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)模型進 行優(yōu)化設計。重點研究在散熱器與中冷器不完全覆蓋的情況下，探討中冷器的安裝位置對整體散熱性能 的影響。理論和仿真結果表明：對于中冷器與散熱器的迎風面積不是全覆蓋的情況，為了使冷卻水得到 有效的冷卻，中冷器芯子安裝高度應盡量與散熱器芯子的高度一致，有助于提供散熱器的冷卻效果。運 用KULI汽車熱管理一維軟件可以方便快速的設計出某個發(fā)動機冷卻系統(tǒng)模型，縮短設計周期降低開發(fā) 成本，可為重型車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設計前期提供參考。 參考文獻： [1] 尉慶國，蘇鐵熊,董小瑞.汽車發(fā)動機構造及原理[M].北京：國防工業(yè)出版社,2012:139-151 Wei Q G, Su T X, Dong X R. Automabile engine structure and principle[M]. Beijing : National Defence Industry Press, 20i2: i39-i5i [2] 戴繁榮.內燃機車冷卻裝置[M].北京：中國鐵道出版社，1993:1-5 Dai F R. Cooling device of diesel locomotive[M]. 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Further considering imperfect coverage for the frontal areas of radiator and intercooler, the affects of overall heat performance by intercooler installation location was mainly discussed. The result is that it can improve radiator cooling effect when the height of intercooler core is highly consistent with the height of radiator core. This method can provide a reference for the design of engine cooling system on heavy vehicle. Keywords: heavy vehicle； cooling system； KULI； optimization