王次安，王宏大，張 蕾

(1.安徽江淮汽車股份有限公司 合肥 230601;2.安徽交通職業(yè)技術學院 合肥 230601)

隨著汽車保有量的增加，柴油機排出的廢氣對環(huán)境影響越來越大［1］，嚴格的排放法規(guī)使國IV柴油機應用更加廣泛.冷卻系統做為柴油機重要組成部分對排放性影響很大［2］，并且冷卻系統對柴油機的動力性、經濟性和可靠性也有很大影響［3］.國IV柴油機在工作中需要向SCR系統額外供給冷卻液，這要求冷卻系統必須有足夠的性能保證車輛的正常工作，所以柴油機冷卻系統設計是否合理也就尤為重要.如果通過建立實際結構進行冷卻系統的設計驗證，這會大大增加研發(fā)成本，所以現在計算機輔助工程的應用可以在設計階段進行冷卻系統評估，有效的縮短研發(fā)時間和降低研發(fā)成本.

文中利用流體分析軟件Star-CD和一維分析軟件Flowmaster對柴油機冷卻系統進行仿真分析，并將分析結果與試驗數據進行對比，驗證仿真準確性，依據計算結果分析冷卻系統布置合理性，并對冷卻系統結構提出改進意見.

1 冷卻系統仿真分析

1.1 柴油機水套CFD分析

冷卻系統仿真分析計算流程如圖1所示，首先進行水套的CFD分析，然后將得到的水套流阻數據和其他部件流阻特性、模型管路數據共同作為輸入邊界輸入到Flowmaster一維冷卻系統模型中，最后計算得到冷卻系統中流量分配和壓力分布情況.

對柴油機水套進行CFD分析首先應進行水套幾何模型的前處理，水套三維模型中有許多小倒角和褶皺，不利于網格的劃分，所以首先將模型導入HyperMesh中進行前處理，如圖2所示為處理過的模型，模型中只有一個水套進口和一個水套出口，最后在HyperMesh中完成面網格劃分.

圖1 冷卻系統仿真分析流程

圖2 水套幾何模型

將HyperMesh中得到的面網格導入Star-CD前處理工具Pro-AM中劃分體網格，采用Trim網格類型，最終體網格中六面體單元約占95%，保證計算的精度.計算過程中冷卻液類型為50%的乙二醇溶液，冷卻液為不可壓縮穩(wěn)態(tài)湍流流動，湍流模型采用精度和穩(wěn)定性更好的k－zeta－f模型，壓力和速度耦合采用SILMPLE算法［4］，采用復合壁函數來處理接觸壁面［5］.將不同流量作為邊界輸入進行水套的CFD分析，圖3為水套絕對壓強分布云圖，柴油機額定轉速工況下最大壓強為2.8 bar.

圖3 水套絕對壓強分布云圖

由柴油機水套CFD分析結果可以得到不同流量所對應的壓降，由流量和壓降關系得到如圖4所示柴油機水套流阻特性.

圖4 柴油機水套流阻特性曲線

2.2 冷卻系統一維分析

2.7L柴油機冷卻系統設計原理如圖5所示.

散熱器從缸蓋前端取水，回水至缸體水套，SCR和暖風并聯從缸蓋前端取水，最終回水至水泵前端，油冷器從水泵后端取水，回水至水泵前端，尿素噴嘴加熱器從SCR回路取水，回水至SCR回路.

圖5 冷卻系統設計原理圖

冷卻系統一維分析數據輸入包括4部分:水泵性能、柴油機水套阻尼、冷卻部件阻尼、管路阻尼參數.其中，水套流阻通過CFD分析得到，如圖4所示;水泵性能數據由水泵廠家提供，擬合曲線如圖6所示;暖風流阻數據、散熱器流阻數據、SCR系統和油冷器流阻數據如圖7所示;管路的長度和內徑通過CAD模型獲得，計算中管路模型采用Colebrook－White模型，該模型在不同雷諾數時的損失系數如公式 (1)、(2)、(3)所示［6］.

圖6 水泵性能特性曲線

圖7 其他冷卻部件流阻特性曲

設置鋼管表面粗糙度為0.025 mm，塑料管和橡膠軟管粗糙度為0.0025 mm.建立冷卻系統一維模型如圖8所示，該計算模型包括散熱器循環(huán)水路、油冷器循環(huán)水路、暖風循環(huán)水路、SCR循環(huán)水路和尿素噴嘴冷卻器循環(huán)水路.計算中冷卻液為50%乙二醇溶液，計算工況為柴油機額定轉速工況和最大扭矩點轉速工況，水泵與柴油機轉速比為1.6，各柴油機轉速對應的水泵轉速為5120 r/min和3520 r/min，根據水泵性能曲線，計算中取水泵轉速為5760 r/min，流量為191.99 L/min，水泵揚程為27.01 m.各參數設置完成后進行冷卻系統穩(wěn)態(tài)計算，計算得到冷卻系統流量分配和壓力分布情況，柴油機轉速為3200 r/min和2200 r/min時的系統冷卻液流量分配如表1所示.

表1 冷卻系統流量分配表

圖8 冷卻系統一維計算模型

由表1知在柴油機額定轉速下散熱器流量值最大為155.17 L/min，由圖7可知在幾個主要冷卻部件中，散熱器的流阻較小，而且散熱器為主要對外散熱結構，所以要求散熱器的流量較大;額定工況下SCR流量與設計值較接近，但在低轉速下流量值偏低，所以應進行系統優(yōu)化以提高其流量.根據冷卻系統壓力分布圖可知，柴油機轉速為3200 r/min和2200 r/min時系統整體壓力損失為1.55 bar和0.81 bar，主要壓力損失出現在柴油機水套位置，系統壓力較高，發(fā)生氣蝕的可能性較小.

2 冷卻系統試驗

2.1 冷卻系統試驗條件

為了驗證冷卻系統一維仿真的準確性，進行2.7L柴油機冷卻系統臺架試驗，評價柴油機冷卻系統是否滿足設計要求.根據試驗方案布置整車的冷卻系統，有散熱器、流量計、膨脹水箱等相關部件，試驗過程中節(jié)溫器全開，柴油機最大轉速3200 r/min工況，整車防凍液，按照要求布置壓力傳感器，并且壓力傳感器的測量的量程和測量參數點的數值變化范圍要適當.如圖9為該型號柴油機在臺架試驗臺上的試驗狀態(tài)，通過該試驗可測得不同工況下冷卻系統流量分配情況.

圖9 柴油機臺架試驗臺

2.2 冷卻系統試驗數據

額定轉速下各部件試驗數據如表2所示，該表進行模擬結果與試驗采集數據的對比.

表2 仿真數據與試驗數據對比

試驗數據中系統總壓力損失為1.703 bar，模擬數據系統總壓力損失為1.55 bar，兩者總壓力損失偏差為8.9%.考慮到計算誤差與測量誤差的必然存在，根據經驗，通常認為冷卻系統流量分布的模擬分析值與試驗值誤差小于10%即可，由偏差對比知，各冷卻部件流量模擬值與試驗數據較好符合，這也驗證了冷卻系統一維仿真結果的準確性.

3 冷卻系統優(yōu)化設計

根據一維冷卻系統分析結果可知，在柴油機額定轉速 (3200 r/min)和柴油機最大扭矩點轉速(2200 r/min)下，流過SCR尿素箱的流量分別為4.17 L/min和2.85 L/min，該部分的冷卻液主要是實現低溫環(huán)境下尿素結晶的及時解凍.根據BOSCH經驗，零下25℃時，要求尿素溶液在40～50 min內解凍，柴油機中高速，尿素箱水流流量能夠滿足尿素箱加熱需求，但柴油機低速水流量偏低，影響尿素解凍時間.通過一維分析可知在柴油機最大扭矩點轉速 (2200 r/min)下通過尿素箱的流量偏低，特別柴油機怠速工況下 (750 r/min)通過SCR尿素箱的流量僅為1.24 L/min，柴油機低速工況下冷卻液流量不滿足尿素結晶及時解凍的條件，進而影響國IV柴油機性能，造成低速工況下排放性較差，所以應適當提高柴油機低速條件下通過尿素箱的冷卻液流量.

為了提高SCR系統冷卻液流量，應適當降低SCR系統回路流阻，通過分析SCR系統冷卻液循環(huán)回路發(fā)現為了給尿素噴嘴供給冷卻液，管路中連接兩個主直徑為10 mm的三通接頭，如圖10所示，其中管路1為高溫冷卻液流進尿素箱的管路，管路2為冷卻液流出尿素箱的管路，這兩條管路的直徑均為14 mm，而三通主直徑為10 mm，小直徑起到較大的節(jié)流作用，增加管路流阻，所以，應適當增大直徑.

圖10 尿素箱管路

將與三通接頭連接的軟管管路直徑擴大為16 mm，三通接頭主直徑擴大為14 mm，并將管路系統中其他金屬管路直徑由12 mm擴大為14 mm，再次進行冷卻系統分析，計算得到在怠速工況下流過尿素箱的流量為1.76 L/min，與原結構相比，流量提升了42%，最大扭矩點轉速下流量為3.71 L/min，流量的增加保證低溫環(huán)境下尿素結晶的及時解凍.流過尿素箱的冷卻液增加的原因是SCR系統回路流阻降低，進而整個冷卻系統流阻降低，所以對其他冷卻部件流量影響不大.

4 結論

對某國IV柴油機進行一維、三維聯合仿真，分析典型工況下的冷卻系統流量分配和壓力分布情況，并通過試驗驗證仿真的準確性，基于分析結果提出SCR管路系統優(yōu)化方案，以提高流過尿素箱冷卻液的量，保證在寒冷地區(qū)尿素結晶的及時解凍，有利于SCR系統在最短的時間內正常運轉，保證國IV柴油機排放性能，降低污染物的排放，對環(huán)境保護具有積極意義.

［1］麻友良.汽車電器與電子控制系統 ［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.

［2］陳家瑞.汽車構造 ［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2011.

［3］王 剛，李云清，梁新月，等.對某型柴油機冷卻系統的設計與匹配研究 ［J］.車輛與動力技術，2007(4):32-35.

［4］張應兵，陳懷望，許 濤.CFD技術在柴油機冷卻水套優(yōu)化設計中的應用 ［J］.汽車工程師，2012(4):56-58.

［5］AVL fire user＇s guide version 3.3［R］.AVL LIST GmbH，2000.

［6］Flow master V7中文技術手冊 ［R］.27-28.