馬書亮，陳濤，姜軍，張慶輝，范文峰

（一汽解放汽車有限公司，吉林 長春 130011）

基于GT-Suite的重型載貨車?yán)鋮s系統(tǒng)仿真及匹配設(shè)計

馬書亮，陳濤，姜軍，張慶輝，范文峰

（一汽解放汽車有限公司，吉林 長春 130011）

基于GT-Suite軟件建立了某重型載貨車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的一維-準(zhǔn)三維混合仿真模型，通過對發(fā)動機極限工況下出水溫度、出水流量等計算結(jié)果與試驗值對比分析，驗證了仿真模型的準(zhǔn)確性。最后在此模型基礎(chǔ)上對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行風(fēng)扇選型匹配，實現(xiàn)了滿足整車?yán)鋮s性能要求的前提下，減小了其消耗功率，從而提高了整車經(jīng)濟性。

準(zhǔn)三維；發(fā)動機冷卻系統(tǒng)；匹配GT-Suite

CLC NO.: U464.138 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-07-04

引言

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的主要功能是對發(fā)動機進行適當(dāng)?shù)睦鋮s，保證發(fā)動機在正常溫度范圍內(nèi)工作。同時為了提高整車的經(jīng)濟性，在冷卻系統(tǒng)設(shè)計中，要求滿足其主要功能的前提下，需要最小化其消耗功率。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的主要耗功元件是風(fēng)扇和水泵[1][2]，因此，冷卻系統(tǒng)的匹配設(shè)計中，需要盡量降低風(fēng)扇和水泵的消耗功率。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機仿真技術(shù)日益取代傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計成為汽車產(chǎn)品的研究主流。冷卻系統(tǒng)的概念設(shè)計驗證及方案選型階段，一般都建立其一維仿真模型進行分析[3][4] [5]。Alexey Vdovin[6]利用GT-Suite建立了Volvo FH Truck的冷卻系統(tǒng)的一維-準(zhǔn)三維混合模型和傳統(tǒng)一維模型進行仿真分析，并與試驗數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果表明由于一維-準(zhǔn)三維混合模型能夠考慮空氣側(cè)各零部件對于系統(tǒng)阻力的影響和氣體回流情況，其計算結(jié)果比一維仿真模型更符合試驗結(jié)果。本文應(yīng)用GT-Suite軟件建立了某重型載貨車?yán)鋮s系統(tǒng)的一維-準(zhǔn)三維混合仿真模型，通過對比兩種極限工況下計算結(jié)果與環(huán)境倉整車轉(zhuǎn)轂臺架熱平衡試驗結(jié)果，驗證了模型的合理性。并在此基礎(chǔ)上對某款重型載貨車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行風(fēng)扇匹配選型，提出了改進方案。

1、冷卻系統(tǒng)準(zhǔn)三維仿真模型建立及驗證

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)匹配設(shè)計計算中，通常只針對冷卻能力要求最苛刻的極限工況來進行分析。為了與試驗結(jié)果進行對比并驗證仿真模型的準(zhǔn)確性，選擇了環(huán)境倉整車轉(zhuǎn)轂臺架熱平衡試驗標(biāo)準(zhǔn)要求的兩種工況，工況具體定義如下：環(huán)境溫度35℃，空調(diào)系統(tǒng)關(guān)閉，最大扭矩點工況下，迎面風(fēng)速為20km/h；環(huán)境溫度35℃，空調(diào)系統(tǒng)關(guān)閉，額定功率點工況下，迎面風(fēng)速為30km/h。

1.1 仿真分析模型建立

一般重型載貨車整車?yán)鋮s系統(tǒng)分為空氣側(cè)和發(fā)動機側(cè)兩大部分，空氣側(cè)由進氣格柵、冷凝器、中冷器、散熱器、風(fēng)扇及其他機艙內(nèi)阻力元件構(gòu)成，而發(fā)動機側(cè)主要由發(fā)動機、水泵、散熱器等冷卻液循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成。

表1 發(fā)動機及冷卻系統(tǒng)主要參數(shù)

以某重型載貨車?yán)鋮s系統(tǒng)為研究對象，其系統(tǒng)主要參數(shù)如表1。利用GT-Suite軟件的GT-Cool模塊搭建的冷卻系統(tǒng)發(fā)動機側(cè)的一維仿真分析模型圖1所示，其中水泵的性能參數(shù)由供應(yīng)商提供，發(fā)動機水套散熱量及阻力特性數(shù)據(jù)由發(fā)動機臺架熱平衡試驗獲得。同時為了能夠較準(zhǔn)確的模擬進氣格柵、發(fā)動機艙內(nèi)零部件相對布置關(guān)系帶來的阻力及氣流回流情況，利用GT-Suite軟件的Cool-3D模塊建立的冷卻系統(tǒng)空氣側(cè)準(zhǔn)三維分析模型如圖2，模型中包含了發(fā)動機艙的主要元件。其中冷凝器的阻力特性、中冷器的換熱及阻力特性、散熱器的換熱及阻力特性、以及風(fēng)扇的性能參數(shù)由供應(yīng)商臺架試驗數(shù)據(jù)提供。

1.2 計算結(jié)果分析

圖3為迎面風(fēng)速為0km/h、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速1750r/min工況下冷卻系統(tǒng)空氣側(cè)某一截面的速度分布。從圖3可以看出進氣格柵及發(fā)動機艙零部件的相對布置對于空氣側(cè)的氣流分布（如熱風(fēng)回流）及阻力影響較大，而這類計算一維仿真是無法實現(xiàn)的。

圖4為發(fā)動機在最大扭矩點和額定功率點工況下，仿真分析結(jié)果和整車轉(zhuǎn)轂熱平衡臺架試驗數(shù)據(jù)的對比結(jié)果。發(fā)動機出水溫度仿真分析預(yù)測值與試驗值最大偏差不超過3%，冷卻系統(tǒng)冷卻液流量仿真計算與試驗值圖最大偏差不超過10%，可以滿足工程計算精度的需要，證明所建模型是合理的。

2、風(fēng)扇匹配仿真分析及選型改進

風(fēng)扇消耗功率約占發(fā)動機額定功率的3%～10%（電動風(fēng)扇除外），如果設(shè)計優(yōu)良及匹配合理，則風(fēng)扇在工作時其消耗功率僅為發(fā)動機額定功率的3%～5%[1]。風(fēng)扇的性能匹配要求風(fēng)扇消耗功率要小，并且要盡可能在高效區(qū)域工作[1][2]。

通過對標(biāo)分析發(fā)現(xiàn)同級別車型風(fēng)扇所用型號不同，為了對比現(xiàn)生產(chǎn)狀態(tài)和對標(biāo)車型所用的風(fēng)扇性能，基于前面建立的冷卻系統(tǒng)的仿真模型，對匹配兩種型號風(fēng)扇的冷卻系統(tǒng)冷卻能力及風(fēng)扇功率消耗進行對比分析及評價。仿真計算所需風(fēng)扇相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 原方案、改進方案風(fēng)扇及風(fēng)扇離合器參數(shù)

車型原方案和改進方案仿真計算的風(fēng)扇匹配特性曲線如圖5，圖中虛線為冷卻系統(tǒng)空氣側(cè)阻力特性曲線。通過對比可以得出以下結(jié)論：

（1）圖5（a）顯示了原方案風(fēng)扇在風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為1200r/min、1500r/min、1800r/min時風(fēng)扇的流量與靜壓關(guān)系曲線，圖5（b）顯示了改進方案風(fēng)扇在風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為1500r/min、1800r/min、2000r/min時風(fēng)扇的流量與靜壓關(guān)系曲線，同時還顯示了兩方案風(fēng)扇在各個流量下的靜壓效率等值曲線。

（2）原方案風(fēng)扇運行大部分工況點位于0.22-0.28效率區(qū)內(nèi)，并未分布在風(fēng)扇特性曲線上的效率最高區(qū)域，改進方案風(fēng)扇運行大部分工況點位于0.26-0.30效率區(qū)內(nèi)，運行高效區(qū)域明顯增加。

該車型原方案和改進方案在最大扭矩點和額定功率點工況發(fā)動機出水溫度對比如圖6所示，改進后最大扭矩點發(fā)動機出水溫度升高1℃，額定功率點升高2.4℃，但滿足車輛許用環(huán)境溫度≥42℃的使用要求。車型原方案和改進方案在最大扭矩點和額定功率點風(fēng)扇消耗功率對比如圖7所示，改進后在發(fā)動機最大扭矩點工況風(fēng)扇消耗功率降低0.36kw，額定功率點工況降低1.36kw。

3、結(jié)束語

通過對冷卻系統(tǒng)的一維-準(zhǔn)三維混合建模，準(zhǔn)確預(yù)測了發(fā)動機出水溫度和冷卻液流量，通過試驗驗證了模型可以滿足工程精度需要。并在此基礎(chǔ)上對兩種型號風(fēng)扇進行了選型對比分析，實現(xiàn)最小功率消耗下風(fēng)扇的性能匹配。本文所用方法適用于冷卻系統(tǒng)的水泵、風(fēng)扇等部件的選型匹配和優(yōu)化。

[1] 李豐軍等.汽車設(shè)計手冊（發(fā)動機﹒附件卷）長春：長春汽車研究所，1998.

[2] 劉曉東，石秀勇，倪計民.基于最小耗功的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設(shè)計研究.汽車科技，2012（3）：42～45.

[3] 王海航，段耀龍，胡惠祥，上官文斌.發(fā)動機冷卻風(fēng)扇與冷卻系統(tǒng)的匹配.車用發(fā)動機，2012（2）：1～6.

[4] 齊斌.載重車熱管理系統(tǒng)仿真.柴油機設(shè)計與制造，2008(3)：32-35.

[5] 張翔，王佳，楊建中，蔡志標(biāo).仿真技術(shù)在設(shè)計發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用.天津汽車，2008（11）：33～35.

[6] Alexey Vdovin，Cooling performance simulations in GT-Suite [Master's thesis] G?tebor Sweden Chalmers University Of Technology，2010.

The Simulation and Matching of Heavy-Duty Truck Cooling System Based on GT-Suite

Ma Shuliang, Chen Tao, Jiang Jun, Zhang Qinghui, Fan Wenfeng
(Faw Jiefang Automotive Company, Ltd., Jilin Changchun 130011)

A 1d-Quasi 3d hybrid simulative model of a heavy-duty truck engine cooling system is built based on GT-Suite, The accuracy of the simulation model is verified through comparing calculation results such as engine water temperature and water flow under extreme operating conditions with test results. The fan type of the engine cooling system is matched based on this model，the result shows that the power consumption is reduced with meeting the requirement of the vehicle cooling performance. Thus the fuel economy of the vehicleis improved.

Quasi 3dm；engine cooling system；Matching, GT-Suite

U464.138

A

1671-7988(2015)01-07-04

馬書亮，就職于就職于一汽解放汽車有限公司，負(fù)責(zé)發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的開發(fā)。