陳彥夫

（廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建 廈門 361023）

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測(cè)試試驗(yàn)

客車熱管理仿真與試驗(yàn)研究

陳彥夫

（廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建 廈門 361023）

摘 要：利用試驗(yàn)測(cè)試與KULI、CFD軟件相結(jié)合，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試提供準(zhǔn)確的仿真輸入條件，對(duì)熱管理系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化匹配，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，建立熱管理系統(tǒng)仿真平臺(tái)。結(jié)果表明，該熱管理仿真平臺(tái)可以為后續(xù)的整車熱管理系統(tǒng)性能改善提供依據(jù)，同時(shí)縮短整車開發(fā)周期，減少試驗(yàn)費(fèi)用成本。

關(guān)鍵詞：客車；熱管理；仿真；試驗(yàn)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.04.034

CLC NO.: U467.3Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)04-100-03

引言

車輛熱管理是提高車輛經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性、保證關(guān)鍵部件安全運(yùn)行和車輛行駛安全的重要途徑[1]。目前客車企業(yè)這方面工作只是基于冷卻角度，而不是熱管理的角度，一般以要求發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)不過(guò)熱為目的[2]，普遍存在冷卻能力過(guò)剩問(wèn)題。

如圖1所示，對(duì)全國(guó)配置電磁離合風(fēng)扇和直連風(fēng)扇的某款8米車型，分別抽取133輛和466輛進(jìn)行比對(duì)，配直連風(fēng)扇的冷卻液溫度基本在80℃以下，配電磁離合風(fēng)扇的冷卻液溫度僅20%在85℃以上。而根據(jù)該車所配發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度在90℃左右的經(jīng)濟(jì)性最佳。

圖1　某車型冷卻液溫度分布情況

因此，在客車整車開發(fā)過(guò)程中，如何從系統(tǒng)集成和整體角度，控制和優(yōu)化客車的熱量傳遞過(guò)程，設(shè)計(jì)一個(gè)可靠而高效率的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，用合理的冷卻系統(tǒng)將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量散發(fā)到外界空氣中，在汽車整車開發(fā)過(guò)程中變的越來(lái)越重要[3,4]。

傳統(tǒng)方法是制作物理樣機(jī)，通過(guò)試驗(yàn)分析各個(gè)子系統(tǒng)之間的相互影響，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，費(fèi)用昂貴。同傳統(tǒng)的試驗(yàn)相比，本文利kuli軟件配合三維CFD工具（Star-CCM+），建立熱管理系統(tǒng)仿真平臺(tái)，研究車輛外流場(chǎng)、發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布，同時(shí)車輛通過(guò)底盤測(cè)功機(jī)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡試驗(yàn)，配合溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、流量計(jì)、皮托管、熱成像儀等設(shè)備，為仿真提供準(zhǔn)確的輸入條件，并可驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，最后達(dá)到改善整車熱管理系統(tǒng)性能的目標(biāo)。

1、發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理仿真平臺(tái)建立

如圖2所示，根據(jù)客車結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)了氣流入口壓力系數(shù)、中冷器、散熱器、風(fēng)扇、水泵、系統(tǒng)阻力（BIR）和氣流出口壓力系數(shù)等仿真模型[5]，如圖3所示。

圖2　車輛布置圖

圖3　仿真模型及循環(huán)回路

其中仿真部件的外形尺寸和位置參數(shù)按車輛設(shè)計(jì)參數(shù)輸入；中冷器和散熱器等熱交換器部件的傳熱特性按供應(yīng)商提供數(shù)據(jù)輸入；內(nèi)部流動(dòng)流體和外部流動(dòng)流體的壓力損失特性等流體模型由試驗(yàn)測(cè)試及CFD、kuli仿真軟件綜合計(jì)算獲取。

1.1 散熱量計(jì)算

通過(guò)車輛在底盤測(cè)功機(jī)進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)，測(cè)得發(fā)動(dòng)機(jī)在扭矩點(diǎn)1400rpm工況下進(jìn)出水管路冷卻液溫差Δt為5.5℃，通過(guò)流量計(jì)測(cè)得扭矩點(diǎn)工況下的冷卻水流量為11.71m3/h，根據(jù)熱量公式：

Qw= C水×m水×Δt

式中：C水為水比熱容，4.2 kJ / kg?℃；m水為水流質(zhì)量kg/s；Δt進(jìn)出水的溫差。

計(jì)算得到扭矩點(diǎn)工況冷卻水帶走的熱量值為75.13 kJ，而發(fā)動(dòng)機(jī)廠家提供的散熱量為85 kJ，KULI仿真采用根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出的散熱量更為準(zhǔn)確。

1.2 系統(tǒng)阻力（BIR）及進(jìn)出口處CP值確定

如圖4所示，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得不同車速下的側(cè)圍散熱器格柵處風(fēng)速以及散熱器表面有效進(jìn)風(fēng)量，與CFD流場(chǎng)仿真計(jì)算數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果與仿真數(shù)值誤差最大為4%，驗(yàn)證CFD仿真計(jì)算流場(chǎng)有較好的精確度。

圖4　試驗(yàn)與CFD仿真驗(yàn)證

車速31km/h扭矩點(diǎn)1400rpm工況下通過(guò)已試驗(yàn)驗(yàn)證的CFD仿真計(jì)算散熱器背風(fēng)面質(zhì)量流量為1.732kg/s，調(diào)整系統(tǒng)阻力BIR值至335時(shí)， kuli絕熱模擬仿真計(jì)算的空氣流量為1.7315kg/s，與CFD計(jì)算近似，確定BIR值為335。這種采用系統(tǒng)阻力Bir正向計(jì)算的方法，有效解決了系統(tǒng)阻力求取的難題。

依據(jù)CFD軟件獲取冷卻空氣入口及出口的CP值，求得散熱器格柵表面冷卻氣流入口壓力系數(shù)平均CP值為-0.37，發(fā)動(dòng)機(jī)底部冷卻氣流出口壓力系數(shù)平均cp值為-0.069，如圖5所示。

圖5　CFD計(jì)算獲取冷卻空氣入口及出口的CP值

圖6　系統(tǒng)阻力（BIR）及進(jìn)出口處CP值確定

2、仿真系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)《GB T 12542-2009 汽車熱平衡能力道路試驗(yàn)方法》，冷卻風(fēng)扇直連，發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器全開狀態(tài)，利用底盤測(cè)功機(jī)控制使發(fā)動(dòng)機(jī)工作于最大扭矩點(diǎn)1400rpm和最大功率點(diǎn)2300rpm，直至發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡。

同時(shí)，利用kuli軟件進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的仿真計(jì)算，并與試驗(yàn)對(duì)比分析。

發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比結(jié)果如表一所示，仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)值吻合較好，進(jìn)出水溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)誤差很小，最大誤差為1.9%，最小誤差為0.1%，進(jìn)出水溫差在4%左右。

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，在發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)開發(fā)匹配過(guò)程中，該方法是可行，有效的，避免了后期改進(jìn)、完善、試驗(yàn)驗(yàn)證的時(shí)間和成本浪費(fèi)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)的成功開發(fā)和設(shè)計(jì)帶來(lái)非常顯著的作用。

3、發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)性能改善

影響散熱量的主要因素是冷卻水循環(huán)量和冷卻空氣量，決定這兩個(gè)因素的關(guān)鍵是水泵、風(fēng)扇及散熱器等。提高冷卻水循環(huán)量需提高水泵轉(zhuǎn)速，會(huì)使功率消耗急增，且容易形成低壓。所以，一般從增加冷卻空氣流速入手。

冷卻氣流從進(jìn)氣格柵，經(jīng)過(guò)導(dǎo)流罩、中冷器、散熱器，最后由風(fēng)扇抽吸進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)艙。進(jìn)氣格柵和導(dǎo)流罩的優(yōu)化改進(jìn)、冷卻模塊風(fēng)阻的下降、風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)量提高都有利于冷卻空氣流速的增加。

針對(duì)該車型之前配備某發(fā)動(dòng)機(jī)水溫過(guò)高問(wèn)題，利用已建立的發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理仿真平臺(tái)進(jìn)行改善，備選的四個(gè)方案有：散熱器芯體加厚、散熱器與中冷器均加厚、風(fēng)扇改為風(fēng)量更大的霍頓風(fēng)扇、更換進(jìn)氣效率更高的導(dǎo)流罩。將四個(gè)方案分別在最大扭矩點(diǎn)1500rpm和最大功率點(diǎn)2300rpm進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真計(jì)算，結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7　最大扭矩點(diǎn)工況不同方案發(fā)動(dòng)機(jī)水溫對(duì)比

圖8　最大功率點(diǎn)工況不同方案發(fā)動(dòng)機(jī)水溫對(duì)比

在改善發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻效果方面，更換冷卻風(fēng)扇方案效果最佳，其次是更換導(dǎo)流罩，最后為更換散熱器，更換中冷器效果并不明顯?？紤]到成本控制等問(wèn)題，最終選擇更換導(dǎo)流罩方案應(yīng)用于實(shí)車。

4、結(jié)論

利用試驗(yàn)測(cè)試與KULI、CFD軟件相結(jié)合，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試提供準(zhǔn)確的仿真輸入條件，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)周邊系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化匹配，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，建立發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)仿真平臺(tái)，為后續(xù)的整車發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)性能改善提供依據(jù)，同時(shí)縮短整車開發(fā)周期，減少試驗(yàn)費(fèi)用成本。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄧義斌,黃榮華,王兆文,程偉.車輛熱管理系統(tǒng)及其研究[J].汽車工程師.2011(1):52-56,62.

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[5] Magna Powertrain Engineering Center Steyr GmbH & Co KG.KULI V9.1 Tutorial[M], 2014-2015.

中圖分類號(hào)：U467.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)04-100-03

作者簡(jiǎn)介：陳彥夫，碩士，工程師，就職于廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司。主要從事：客車動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)試驗(yàn)研究。

Research on Thermal Manage System Simulation and Test of Bus

Chen Yanfu
( Xiamen King Long United Automotive Industry Co., Ltd., Fujian Xiamen 361023 )

Abstract:Combined test and KULI,CFD software, through tests provide accurate input conditions of simulation, the simulation analysis is carried out on the thermal manage system, matching optimization, and through the test, the simulation results are verified, the thermal manage system simulation platform is established. It is proved by the results that it can provide the basis for the thermal manage system performance improvement, while reducing the vehicle development cycle, reduce test costs.

Keywords:bus; thermal manage system; simulation; test