李文尚，龍芋宏，劉均亮，蔡 杰

（桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，桂林 541004）

某重型車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的冷卻性能的優(yōu)化設(shè)計

李文尚，龍芋宏，劉均亮，蔡 杰

（桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，桂林 541004）

0 引言

隨著重型車載重量的不斷提高，使得發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和功率也相應(yīng)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(jī)正常穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的重要輔助系統(tǒng)之一。有數(shù)據(jù)顯示，燃油燃燒后產(chǎn)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(jī)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(jī)在高功率下能夠正常的運(yùn)轉(zhuǎn)[1,2]。而與此同時，現(xiàn)在很多汽車廠商在汽車設(shè)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(jī)艙的空間。因此，在有限的發(fā)動機(jī)艙空間里，散熱條件惡劣的情況下，設(shè)計出既能保證有足夠散熱能力和強(qiáng)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[3～5]。

發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的開發(fā)和實(shí)驗(yàn)通常需要在風(fēng)洞中做大量試驗(yàn)，其理論設(shè)計涉及傳熱學(xué)和流體力學(xué)等學(xué)科，計算量大，這無疑加大了發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計周期和昂貴的試驗(yàn)費(fèi)。KULI軟件是由斯太爾工程技術(shù)中心研發(fā)的汽車熱管理的設(shè)計和仿真的一維軟件[6]。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(yùn)用KULI汽車熱管理一維軟件可以方便快速地設(shè)計出某個發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)模型，縮短設(shè)計周期降低開發(fā)成本。本文利用該軟件對某重型車?yán)鋮s系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，從而得到該冷卻系統(tǒng)配置的優(yōu)化方案。

1 冷卻系統(tǒng)模型的建立

本文是以某重載車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)為研究對象，該冷卻系統(tǒng)主要采用閉式強(qiáng)制水冷循環(huán)的方式，主要由冷卻水套、水泵、風(fēng)扇、散熱器、進(jìn)氣中冷器、節(jié)溫器、機(jī)油冷卻器以及循環(huán)管路等組成。

1.1 冷卻系統(tǒng)的散熱量 wQ

該重載車使用的發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

冷卻系統(tǒng)散出的熱量wQ，受許多復(fù)雜因素的影響，很難精確計算，一般采用經(jīng)驗(yàn)公式估算[7]：

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(jī)傳給冷卻系的熱量占燃料總熱量的百分?jǐn)?shù)；ge為發(fā)動機(jī)燃料消耗率，單位：kg· (kw·h)?1；Ne為發(fā)動機(jī)標(biāo)定功率，單位：kw；hn為燃料低熱值，單位：KJ·kg?1。

表1 發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

上式中：k取0.2；ge取0.32；hn取41870。求出冷卻系統(tǒng)散出的熱量Qw為205KJ·s?1。

1.2 冷卻水的循環(huán)量 Vw

式中：Δtw為冷卻水在發(fā)動機(jī)內(nèi)循環(huán)是的容許溫升，對現(xiàn)代強(qiáng)制循環(huán)冷卻系，可取Δtw=6～12℃；rw為水的比重，取1000kg/m3；cw為水的比熱，取4.187KJ/kg·℃。

求得冷卻水的循環(huán)量為380L/min。

1.3 冷卻系統(tǒng)模型建立

根據(jù)該重型車發(fā)動機(jī)艙結(jié)構(gòu)形式，在KULI中建立進(jìn)口壓降（KULI軟件中為CP閥）、格柵阻力、中冷器、散熱器、機(jī)械風(fēng)扇、內(nèi)部壓降（KULI軟件中為內(nèi)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(fēng)扇的性能特性由供應(yīng)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。

圖1 內(nèi)循環(huán)回路

2 模擬計算參數(shù)

2.1 模擬計算參數(shù)設(shè)定

根據(jù)臺架模擬運(yùn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和零部件模型參數(shù)設(shè)置，確定數(shù)字模型模擬計算參數(shù)，主要包括發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)最大轉(zhuǎn)速、最大扭矩等三種工況進(jìn)行分析研究。如表2所示。

圖2 外循環(huán)回路

表2 模擬計算參數(shù)設(shè)定

2.2 模擬計算結(jié)果

通過KULI的仿真分析，得到以下主要結(jié)果數(shù)據(jù)，包括散熱器的進(jìn)、出水溫度及進(jìn)出水溫差、散熱器的進(jìn)、出水壓力及進(jìn)出水壓差、中冷器的進(jìn)、出氣溫度及進(jìn)出氣溫差、中冷器的進(jìn)、出氣壓力及進(jìn)出氣壓差。如表3所示。

從表3中可以看出，在最大扭矩工況(工況2)和額定轉(zhuǎn)速工況（工況3）下，散熱器出水溫度都保持在85℃～95℃以內(nèi)，在發(fā)動機(jī)允許的溫度范圍內(nèi)；中冷器出氣溫度（即發(fā)動機(jī)進(jìn)氣溫度）保持在50℃左右，在發(fā)動機(jī)最佳進(jìn)氣范圍內(nèi)。因此可以認(rèn)為，在發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計前期，運(yùn)用KULI軟件和供應(yīng)商提供的性能參數(shù)可以初步確定發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的各參數(shù)。為發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計和匹配提供參考依據(jù)。

表3 模擬計算結(jié)果

3 冷卻系統(tǒng)優(yōu)化配置

通過以上方法可指導(dǎo)發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計者正確進(jìn)行散熱器、中冷器以及風(fēng)扇的選型和計算。但是考慮到發(fā)動機(jī)功率的提高及發(fā)動機(jī)艙空間的縮小，有必要對冷卻系統(tǒng)整體布局進(jìn)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(jī)冷卻系統(tǒng)中散熱器與中冷器的迎風(fēng)面積不同，兩者不能完全重疊。根據(jù)流體力學(xué)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(jìn)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(guān)系如圖3所示。

3.1 模型仿真

根據(jù)上面設(shè)計出的發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)，在KULI中建立該發(fā)動機(jī)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所示。

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50×50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。

3.2 仿真結(jié)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(jìn)、出水溫度及中冷器進(jìn)、出氣溫度等主要結(jié)果數(shù)據(jù)。如表5所示。

圖3 中冷器的布置

表4 各部件位置參數(shù)

表5 模擬計算結(jié)果

由仿真計算結(jié)果可以看出，當(dāng)散熱器內(nèi)部冷卻水自上往下，中冷器內(nèi)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(jié)果導(dǎo)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。分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 中冷器不同布置時散熱器溫度分布

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(dāng)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。

3.3 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(dá)式來計算。如式（3）、式（4）所示。

式中：Qw為冷卻系統(tǒng)散走的熱量；F為散熱器的迎風(fēng)面積；twm為散熱器的平均溫度；t2為中冷器出口處冷卻空氣溫度；Gw為水泵的流量；Cpw為冷卻水的等壓比熱；qs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(fēng)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。

結(jié)合圖3所示三種中冷器的布置結(jié)構(gòu)，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）～式（5）組成如下方程組。

中冷器下置時方程組為：

式中：Fa為散熱器與中冷器非重疊部分面積；Fb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：

聯(lián)合上面各式可以解得散熱器上水室冷卻水溫twu的計算式如下。

其中：t2?t1=?t ，?t為中冷器進(jìn)出口冷卻空氣的溫升。

由上式結(jié)果可知，當(dāng)中冷器上置時，散熱器的散熱性能更好。這與在KULI中仿真結(jié)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(nèi)部的散熱分布更均勻，延長散熱器的使用壽命。理論分析進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果。

4 結(jié)論

本文以某重型車發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)為研究對象，運(yùn)用KULI軟件對該重型車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。重點(diǎn)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(jié)果表明：對于中冷器與散熱器的迎風(fēng)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(yīng)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(yùn)用KULI汽車熱管理一維軟件可以方便快速的設(shè)計出某個發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)模型，縮短設(shè)計周期降低開發(fā)成本，可為重型車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計前期提供參考。

[1]尉慶國,蘇鐵熊,董小瑞.汽車發(fā)動機(jī)構(gòu)造及原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2012:139-151.

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Optimal design of the cooling performance on a cooling system of heavy vehicle engine

LI Wen-shang, LONG Yu-hong, LIU Jun-liang, CAI Jie

以某重型車發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)為研究對象，根據(jù)供應(yīng)商提供的熱交換器的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用KULI軟件對該重型車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。重點(diǎn)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(jié)論是對于中冷器與散熱器的迎風(fēng)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(yīng)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(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計前期提供參考。

重型車；冷卻系統(tǒng)；KULI；優(yōu)化配置

李文尚（1988 -），男，江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向?yàn)槠噭恿W(xué)。

U463

A

1009-0134(2014)06(上)-0024-05

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).07

2014-02-27

桂林市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)研究項(xiàng)目（20120102-1）；柳州市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)研究項(xiàng)目（2013H020401）；廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任課題（桂科能11-031-12_009）