高巧，劉吉林，王宏大，王次安

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某型號(hào)柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)分析及優(yōu)化

高巧，劉吉林，王宏大，王次安

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于Flowmaster軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)一維模型，分析系統(tǒng)內(nèi)部流量分布。針對(duì)出現(xiàn)的暖風(fēng)支路流量偏低情況，通過(guò)一維模型的壓力分布查找故障點(diǎn)，并對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維計(jì)算確認(rèn)。結(jié)合一維分析模型和實(shí)際布置情況，篩選并確定了最終的優(yōu)化改進(jìn)方案。

發(fā)動(dòng)機(jī)；冷卻系統(tǒng)；暖風(fēng)；模擬分析；Flowmaster

CLC NO.:U461.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-117-03

引言

為適應(yīng)下階段油耗法規(guī)，進(jìn)一步提升發(fā)動(dòng)機(jī)效率，在某型號(hào)柴油機(jī)的改型開(kāi)發(fā)工作中，對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)，增設(shè)新型智能控制模塊以實(shí)現(xiàn)精確冷卻。在適配該模塊時(shí)，對(duì)冷卻系統(tǒng)各支路的匯合方式做出相應(yīng)調(diào)整。由于結(jié)構(gòu)的改變，這將會(huì)對(duì)各支路流量產(chǎn)生影響[1,2]。本文以Flowmaster為主要工具，建立一維冷卻系統(tǒng)模型，評(píng)估全系統(tǒng)的流量分配，并對(duì)存在問(wèn)題的支路提出了可行的優(yōu)化方案。

1、Flowmaster 模型搭建

該款柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)原理圖如圖1所示，冷卻液從水泵出發(fā)流入缸體水套，向上進(jìn)入缸蓋水套，然后分別進(jìn)入散熱器、機(jī)油冷卻器、暖風(fēng)、EGR冷卻器以及小循環(huán)五個(gè)支路，整體上呈并聯(lián)關(guān)系。其中，智能控制模塊位于水泵進(jìn)水口，即各支路都在此匯合后再共同進(jìn)入水泵。而各個(gè)支路的取水口則根據(jù)實(shí)際需要分別位于缸體或缸蓋水套的某處開(kāi)口。當(dāng)符負(fù)荷最大時(shí)上述所有支路將同時(shí)打開(kāi)。

圖1 冷卻系統(tǒng)原理圖

1.1 外圍管路及部件的模型建立

根據(jù)冷卻系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)數(shù)模在Flowmaster中搭建一維分析模型。管路組件直接根據(jù)幾何形狀和尺寸選取合適的元件；而散熱器油冷器等組件使用阻尼元件替代，相應(yīng)的阻尼曲線由試驗(yàn)測(cè)定，如圖2所示。

圖2 各組件阻尼數(shù)據(jù)

Flowmaster軟件并不能直接使用水泵的測(cè)試數(shù)據(jù)，為適應(yīng)更寬泛的模擬需求，需要按特殊格式錄入。水泵性能曲線如圖3所示。

圖3 無(wú)量綱水泵性能曲線

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)水套模型建立

圖4 額定流量下水套壓力云圖

圖5 水套在各個(gè)支路上的等效阻尼數(shù)據(jù)

發(fā)動(dòng)機(jī)水套結(jié)構(gòu)復(fù)雜且存在多處支路出口，相當(dāng)于一進(jìn)四出的歧管，且各個(gè)通道間存在相互影響，故不能使用單一元件模擬其流動(dòng)和換熱特性[3]。通過(guò)三維軟件建立水套的分析模型，按額定流量帶入計(jì)算，可得如圖4所示的水套壓力分布云圖。通過(guò)該數(shù)據(jù)可知水套整體上壓力損失合理，不會(huì)額外增加水泵功耗。通過(guò)讀取各個(gè)出口截面上的總壓與入口總壓做差后即可得到該流量下相應(yīng)支路的壓力損失。同理，在額定流量的一定范圍內(nèi)選取多組流量帶入模型計(jì)算，可獲得各個(gè)支路在不同流量下的阻尼數(shù)據(jù)。最終數(shù)據(jù)匯總?cè)鐖D5所示。搭建模型時(shí)，使用并聯(lián)的四路阻尼元件替代水套，并使用獲取的阻尼數(shù)據(jù)。

將上述數(shù)據(jù)代入Flowmaster軟件后，得到一維分析模型，如圖6所示。由于沒(méi)有增加換熱元件，故該模型僅作分析流量使用。

圖6 一維分析模型

2、模擬分析

系統(tǒng)在額定點(diǎn)的無(wú)量綱流量分布如表1所示，發(fā)現(xiàn)暖風(fēng)支路的流量明顯低于其他支路，且已經(jīng)接近暖風(fēng)系統(tǒng)采暖所需最低流量。

表1 各支路流量分布

圖7 暖風(fēng)支路匯合點(diǎn)三維結(jié)構(gòu)及壓力云圖

圖8 暖風(fēng)支路匯合點(diǎn)一維模型及壓力分布

分析系統(tǒng)壓力分布后發(fā)現(xiàn)，暖風(fēng)回流支路與機(jī)油冷卻器、EGR冷卻器等支路匯合前后壓損異常，是導(dǎo)致暖風(fēng)支路流量偏低的主要原因。該匯合點(diǎn)管路屬于智能控制模塊的一部分，幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，見(jiàn)圖7，用Flowmaster搭建管路模型時(shí)進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化近似，見(jiàn)圖8，可能存在失真。

為排查該問(wèn)題，使用三維流體分析軟件對(duì)該處管路進(jìn)行建模，以Flowmaster計(jì)算的各支路流量為邊界進(jìn)行了模擬計(jì)算，壓力云圖如圖7所示，確存在壓力突變。三維計(jì)算的壓差與Flowmaster計(jì)算的壓差對(duì)比如表2所示，差異在可接受范圍內(nèi)。故，認(rèn)定一維模型的簡(jiǎn)化近似無(wú)誤，計(jì)算結(jié)果可信。確認(rèn)暖風(fēng)支路存在流量偏低的問(wèn)題。

表2 三維和一維計(jì)算匯合點(diǎn)壓差對(duì)比

3、方案優(yōu)化

盡管智能控制模塊上的這三個(gè)支路的接口空間距離很近，但受外圍零部件的影響，這三條支路仍有無(wú)法連接到的管口，無(wú)法實(shí)現(xiàn)理論上的六種連接方式。備選的布置方案有2種：1機(jī)油冷卻器和暖風(fēng)接口互換；2暖風(fēng)和EGR冷卻器的接口互換。各方案對(duì)應(yīng)的流量數(shù)據(jù)如表3所示，方案1暖風(fēng)支路流量更低且為逆向流動(dòng)，不符合設(shè)計(jì)要求。方案2與原方案相比，暖風(fēng)支路流量增長(zhǎng)至原來(lái)的三倍，效果較為理想。經(jīng)校核，方案2對(duì)應(yīng)的各支路流量能夠滿足各部件的散熱或采暖需求。

表3 備選方案流量分布

4、結(jié)論

通過(guò)分析可知，方案2與原方案相比能夠提供更合理的流量分配，當(dāng)控制策略切換至該流動(dòng)狀態(tài)時(shí)能夠提更好的熱平衡性能。

運(yùn)用三維與一維互相補(bǔ)充的分析策略能夠充分發(fā)揮一維計(jì)算的速度和三維計(jì)算的精度，從而最大限度的發(fā)揮CAE分析的優(yōu)勢(shì)，為設(shè)計(jì)工作提供有力支持。

[1] 張應(yīng)兵,王次安等.某增壓車型冷卻系統(tǒng)分析與驗(yàn)證[J].汽車實(shí)用技術(shù). 2016(9), 204-206.

[2] 滕建耐,張?jiān)龉獾?某款汽油發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].時(shí)代農(nóng)機(jī). 2016(9), 36-37.

[3] 王次安,王宏大等.某國(guó)IV發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].車輛與動(dòng)力技術(shù).2015(2), 21-24.

Analysis and Optimization for the Cooling System of a Diesel Engine

Gao Qiao, Liu Jilin, Wang Hongda, Wang Ci’an
( Anhui Jianghuai Automobile Group Corp., Ltd, Anhui Hefei 230601 )

Based on the Flowmaster software the1D model for the cooling system of the engine is established to analyze the whole flowrate inside. The 3D simulation is employed to verify the connection fault confirmed by checking the 1D calculation network pressure distribution, which results in the low flowrate in cabin heater branch. The final optimization case is selected according to the 1D simulation result and the actual assembling situation.

Diesel engine; Cooling system; Cabin heater; Simulation; Flowmaster

U461.2

A

1671-7988 (2017)08-117-03

高巧（1982-），女，高級(jí)工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.040