（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)匹配仿真研究

李朝陽(yáng)，張永濤

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

應(yīng)用流體計(jì)算軟件Flowmaster，建立發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量流動(dòng)模型。對(duì)不同的冷卻系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配方案進(jìn)行仿真模擬，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析比較，為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)方案的選擇與改進(jìn)提供方向。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇仿真

1 前言

通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作對(duì)潤(rùn)滑油、冷卻液、進(jìn)氣等工作流體的溫度有一定要求。在工作流體溫度滿足發(fā)動(dòng)機(jī)要求的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率、廢氣排放、零部件間的摩擦等均處于良好狀態(tài)。適宜的工作溫度不僅可以降低燃料消耗和有害廢氣排放，同時(shí)還能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，并延長(zhǎng)零部件的使用壽命。因此保證發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳溫度范圍內(nèi)工作是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)。

但在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員總是希望通過(guò)提高冷卻系統(tǒng)的最大散熱能力來(lái)解決發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱的問(wèn)題，而較少考慮冷卻能力過(guò)剩的問(wèn)題。其次對(duì)于增壓中冷發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下對(duì)中冷空氣和冷卻液的溫度要求并不一致，而目前大量使用的單個(gè)風(fēng)扇串聯(lián)式換熱器不能解決這個(gè)問(wèn)題。最后，由于發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)的不同，造成發(fā)動(dòng)機(jī)的常用工況不同，如果對(duì)不同常用工況的發(fā)動(dòng)機(jī)采用相同的冷卻系統(tǒng)，很容易出現(xiàn)風(fēng)扇的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)但換熱效率不高的情況。

本文正是基于目前發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的匹配現(xiàn)狀，從發(fā)動(dòng)機(jī)本身散熱需求的角度出發(fā)，通過(guò)Flowmaster軟件對(duì)不同的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與選型提供參考。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量分布模型

發(fā)動(dòng)機(jī)作為冷卻系統(tǒng)的熱源和服務(wù)對(duì)象，需要了解其各工況下的冷卻液流量、熱量分布、阻力特性等參數(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)在開(kāi)發(fā)階段一般有詳細(xì)的熱力學(xué)分析報(bào)告。利用成熟的模擬軟件如BOOST，GT-POWER等，可以和本文分析軟件Flowmaster結(jié)合分析。對(duì)于現(xiàn)有的成熟發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架熱平衡測(cè)試不僅可以為冷卻系統(tǒng)分析提供可靠的數(shù)據(jù)，還可以作為校驗(yàn)仿真模型的基礎(chǔ)。

本文以某公司SC9DT天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)為例，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，該款發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液散熱模型

發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)冷卻液散發(fā)的熱量，可以在熱平衡狀態(tài)下，通過(guò)冷卻液流量和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出液的溫差進(jìn)行計(jì)算。如下公式所示：

其中，Gw為冷卻液質(zhì)量流量，Cpw為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的比熱容，TR,wi和TR,wo分別表示在散熱器進(jìn)出口處的冷卻液溫度。

利用上述公式，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，獲得不同工況下的冷卻液散熱量，并在軟件中擬合，即可獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液散熱模型，參見(jiàn)圖1。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液散熱模型

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)中冷散熱模型

相對(duì)于冷卻液散熱量的計(jì)算，中冷器散熱量受發(fā)動(dòng)機(jī)增壓方式及外在條件影響很大，且中冷后空氣溫度難以保持恒定，因此通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量的方式獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的全工況下的進(jìn)氣流量（如圖2所示）和增壓器壓氣機(jī)出口處的溫度（如圖3所示）。在軟件模擬時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷輸入模型，即可獲得增壓空氣的流量及溫度，并用于中冷器散熱計(jì)算。

表1 SC9DT天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量流量模型

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)出口空氣溫度模型

3 不同冷卻系統(tǒng)的仿真分析

以車用發(fā)動(dòng)機(jī)為例，傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)多采用單個(gè)機(jī)械風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)，空-空中冷器和散熱器采用串聯(lián)方式。隨著整車及零部件制造水平的提高，一些零部件的改進(jìn)設(shè)計(jì)和電子控制已在冷卻系統(tǒng)匹配中大量應(yīng)用，如節(jié)溫器開(kāi)啟溫度提高，電磁離合器及硅油離合器風(fēng)扇的應(yīng)用。本章節(jié)以一款發(fā)動(dòng)機(jī)后置的城市客車為例，采用一段車輛實(shí)地運(yùn)行的路譜（見(jiàn)圖4），對(duì)傳統(tǒng)散熱系統(tǒng)、電磁離合器風(fēng)扇及散熱器中冷器并聯(lián)電子風(fēng)扇的應(yīng)用進(jìn)行仿真，通過(guò)結(jié)果對(duì)比，分析新技術(shù)的應(yīng)用效果。

3.1 傳統(tǒng)散熱系統(tǒng)仿真

對(duì)于城市客車的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，長(zhǎng)期以來(lái)計(jì)算和實(shí)際匹配經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)積累了大量的選型數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式，其中系統(tǒng)散熱能力計(jì)算、零件選型和結(jié)構(gòu)布置等方面形成了一整套的方法及流程。

本文選取一款已經(jīng)匹配成熟的城市客車?yán)鋮s系統(tǒng)作為模擬對(duì)象，作為不同冷卻系統(tǒng)對(duì)比分析的基礎(chǔ)，同時(shí)車輛的實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)也是仿真模型的校準(zhǔn)工具。

首先根據(jù)冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（如圖5所示）獲得冷卻液、中冷空氣、冷卻空氣在零部件之間的流動(dòng)特點(diǎn)，如圖6所示。

圖4 城市客車實(shí)地路譜（部分）

圖5 城市客車?yán)鋮s系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖6 冷卻介質(zhì)流動(dòng)示意圖

其次根據(jù)圖6，在Flowmaster軟件中選取適當(dāng)?shù)脑罱Ｐ停鐖D7所示。

圖7 城市客車?yán)鋮s系統(tǒng)仿真模型

最后根據(jù)零部件的特征對(duì)仿真模型中的元件進(jìn)行完善。以水箱散熱器為例，需要將散熱器供應(yīng)商提供的性能參數(shù)（見(jiàn)圖8），轉(zhuǎn)換為Flowmaster中散熱器的熱交換性能曲面，如圖9所示。

圖8 散熱器熱交換性能曲線

圖9 散熱器熱交換性能曲面

由于風(fēng)扇為發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶直接驅(qū)動(dòng)，故風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和速比的乘積。設(shè)定環(huán)境參數(shù)后，將模型按照?qǐng)D3中發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)運(yùn)行。

分析運(yùn)行結(jié)果發(fā)現(xiàn)，設(shè)定初始冷卻液溫度25℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行約1 020 s后發(fā)動(dòng)機(jī)水溫達(dá)到82℃，節(jié)溫器開(kāi)始打開(kāi)。根據(jù)風(fēng)扇功率仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，對(duì)風(fēng)扇功耗數(shù)據(jù)進(jìn)行求和平均得到，風(fēng)扇消耗的平均功率為3.26 kW。

3.2 電子離合器風(fēng)扇仿真

通過(guò)監(jiān)測(cè)散熱器和中冷器進(jìn)口處的溫度，利用電磁離合器來(lái)控制冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，能夠降低風(fēng)扇空轉(zhuǎn)造成的浪費(fèi)，目前城市客車應(yīng)用電磁離合器風(fēng)扇的技術(shù)已經(jīng)成熟。

根據(jù)車輛類型及運(yùn)行區(qū)域的不同，電磁離合器控制系統(tǒng)的邏輯及對(duì)冷卻液和增壓空氣的溫度設(shè)定點(diǎn)略有不同。本文采用以下數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真計(jì)算：（1）當(dāng)中冷器進(jìn)口溫度在60～100℃之間時(shí)，且冷卻液溫度為82～90℃，風(fēng)扇的電磁離合器處于半結(jié)合狀態(tài)，即風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為風(fēng)扇皮帶盤轉(zhuǎn)速的一半；（2）當(dāng)中冷器進(jìn)口溫度大于100℃或冷卻液溫度大于90℃時(shí)，電磁離合器為全接合狀態(tài)，風(fēng)扇等于風(fēng)扇皮帶盤轉(zhuǎn)速；（3）其他情況下，電磁離合器脫離，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為0。

根據(jù)上述結(jié)果，電磁離合器控制邏輯關(guān)系如表2所示。

圖10 電磁離合器風(fēng)扇控制模型

表2 風(fēng)扇電磁離合器控制邏輯

引入電磁離合器風(fēng)扇后，需對(duì)原來(lái)的整車熱管理系統(tǒng)模型進(jìn)行更改。根據(jù)上述風(fēng)扇控制邏輯要求，在前文Flowmaster軟件模型基礎(chǔ)上，編寫電磁離合器的控制腳本并修改風(fēng)扇處模型，如圖10所示。

將模型按照?qǐng)D3中發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)運(yùn)行，分析運(yùn)行結(jié)果發(fā)現(xiàn)，設(shè)定初始冷卻液溫度25℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行約970 s后發(fā)動(dòng)機(jī)水溫達(dá)到82℃。根據(jù)風(fēng)扇功率仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，對(duì)風(fēng)扇功耗數(shù)據(jù)進(jìn)行求和平均得到，風(fēng)扇消耗的平均功率為2.41 kW。相對(duì)于前文中發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸直接驅(qū)動(dòng)，使用電磁離合器后，風(fēng)扇的平均驅(qū)動(dòng)功率可降低26%。但由于中冷空氣的物理特性，即使在冷卻液溫度較低時(shí)，風(fēng)扇也容易被中冷器進(jìn)口的高溫空氣觸發(fā)而運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.3 電子風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)的冷卻系統(tǒng)

對(duì)于城市客車，原機(jī)械風(fēng)扇傳動(dòng)系進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，為避免復(fù)雜的角傳動(dòng)，中冷器和散熱器進(jìn)風(fēng)方向一般和車輛行進(jìn)方向一致，對(duì)車輛的側(cè)面空間利用率不高。使用電子風(fēng)扇作為散熱器和中冷器冷卻空氣的驅(qū)動(dòng)源，避免了原機(jī)械風(fēng)扇的傳動(dòng)問(wèn)題，使散熱器和中冷器的布置更加靈活，這使得散熱器和中冷器分離以及得到更大的換熱器迎風(fēng)面積成為可能。散熱器和中冷并聯(lián)布置時(shí)，對(duì)整車?yán)鋮s系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)也更加方便。

使用電子風(fēng)扇不僅可以有效解決機(jī)艙空間狹小、傳動(dòng)系布置困難造成的局限，更顯著的優(yōu)勢(shì)是電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇與原來(lái)的機(jī)械傳動(dòng)風(fēng)扇相比，風(fēng)扇效率顯著提高。對(duì)于傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)，機(jī)械風(fēng)扇與換熱器上的導(dǎo)風(fēng)罩分別安裝在車輛上，為了避免風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)中與導(dǎo)風(fēng)罩干涉，風(fēng)扇葉尖與導(dǎo)風(fēng)罩之間必須有一定的距離，這也就降低了風(fēng)扇效率。而使用電子風(fēng)扇時(shí)，風(fēng)扇直接固定在換熱器的導(dǎo)風(fēng)罩上，散熱芯子和風(fēng)扇的距離可以固定在一個(gè)較優(yōu)的位置上，提高了通風(fēng)效率。

此外，使用電子風(fēng)扇后，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可以在一個(gè)相當(dāng)寬廣的范圍內(nèi)根據(jù)冷卻介質(zhì)的溫度進(jìn)行柔性控制。散熱器和中冷器采用并聯(lián)布置，排除了兩個(gè)散熱器的互相影響。在仿真模型中，需要將中冷器及中冷風(fēng)扇部分獨(dú)立出來(lái)，其中散熱器部分變化不大，更改后的中冷風(fēng)扇控制模型如圖11所示。

圖11 中冷風(fēng)扇控制仿真模型

將模型按照?qǐng)D3中發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)運(yùn)行，分析運(yùn)行結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于電子風(fēng)扇本身效率高、功率小，風(fēng)扇消耗功率大大下降。根據(jù)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，對(duì)風(fēng)扇功耗進(jìn)行平均處理得到電子風(fēng)扇的平均功率為0.39 kW，相對(duì)于前文中發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的機(jī)械風(fēng)扇，使用電子風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)串聯(lián)換熱模塊后，風(fēng)扇的平均驅(qū)動(dòng)功率可降低90%以上。

此外，由于中冷器和散熱器的分離，消除了兩個(gè)散熱器之間的干擾，對(duì)冷卻液和增壓空氣的溫度控制也更加精確。在匹配良好的情況下，無(wú)論發(fā)動(dòng)機(jī)工況如何變化，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液和壓縮空氣的溫度變化不大。

4 結(jié)論

根據(jù)上文中的仿真結(jié)果，在城市公交工況下，不同的冷卻系統(tǒng)之間的功率消耗存在較大差異。造成這種情況的主要原因在于以下幾個(gè)方面：

（1）對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的風(fēng)扇，無(wú)論是否存在冷卻需求，風(fēng)扇均保持同發(fā)動(dòng)機(jī)固定速比運(yùn)轉(zhuǎn)，冷卻風(fēng)扇均在消耗發(fā)動(dòng)機(jī)有效功。不僅造成燃料的過(guò)多消耗，還會(huì)導(dǎo)致冷卻液"過(guò)冷"的問(wèn)題。

（2）在散熱器和中冷器串聯(lián)的情況下，無(wú)論是哪一個(gè)熱交換器存在需求，均要求冷卻風(fēng)扇克服兩個(gè)熱交換器的阻力。這種情況無(wú)法通過(guò)采用電磁離合器來(lái)避免，中冷溫度和冷卻液溫度均能觸發(fā)電磁離合器結(jié)合，容易導(dǎo)致風(fēng)扇的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)。

（3）風(fēng)扇本身及導(dǎo)風(fēng)罩配合導(dǎo)致的機(jī)械效率差異。利用多個(gè)電子風(fēng)扇取代單個(gè)機(jī)械大風(fēng)扇，不僅在相同的風(fēng)量情況下降低了風(fēng)扇的功耗，也使通過(guò)散熱器的冷卻空氣流動(dòng)更加均勻，還降低了風(fēng)扇的機(jī)械和氣流噪音。

[1]王兆煖.散熱器、中冷器和風(fēng)扇的選型校核計(jì)算[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2009（4）：20-31.

[2]Flowmaster Group.Cooling Systems Application Specific Guide v7[M].2007.

[3]Ngy-Srun Ap,Michelle Tarquis.Innovative Engine Cooling Systems Comparison[C].SAE 2005-01-1378.

[4]趙海燕，杜明德.發(fā)動(dòng)機(jī)智能溫控冷卻系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)后置大客車上的應(yīng)用[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2010（4）：23-26.

Research on Matching Simulation of Engine Cooling System

Li Chaoyang,Zhang Yongtao
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China）

The h eat flow model of engine was established by using the flow simulation software Flowmaster.And different matching schemes of cooling system and engine are simulated and compared.The simulation results are analyzed to provide solutions for the selection and improvement of engine cooling system.

engine,cooling system,fan,simulation

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.01.002

來(lái)稿日期：2016-11-03

李朝陽(yáng)（1985-），男，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。