馬會明，王國強(qiáng)，邰強(qiáng)娟，張欽國

（1 濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261000；2. 清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

由于大功率的發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷大，必須裝用潤滑油冷卻器。機(jī)油冷卻器置于冷卻水路中，利用冷卻水的溫度來控制潤滑油的溫度。關(guān)于機(jī)油冷卻器相關(guān)的研究很多，包括冷卻器的換熱特性以及可靠性的研究［1-4］，但是對于如何將冷卻器與發(fā)動機(jī)進(jìn)行匹配的研究資料則很少。如何建立一套方便可行的發(fā)動機(jī)與機(jī)油冷卻器的匹配和參數(shù)優(yōu)化平臺則很有實(shí)用價(jià)值。

本文通過分析某款大功率柴油機(jī)用板翅式水冷機(jī)油冷卻器的換熱機(jī)理，采用遺傳算法對冷卻器進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，分析適用于重型柴油機(jī)機(jī)油冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，并對機(jī)油散熱器進(jìn)行了CFD模擬，通過模擬整體散熱模塊得到了冷卻器內(nèi)部溫度、壓力和速度的可視化結(jié)果。最后在發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行整機(jī)試驗(yàn)，更符合實(shí)際工作環(huán)境，測試結(jié)果表明冷卻器換熱效果較好，滿足發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的溫度工作要求，得到了不同邊界參數(shù)對換熱量的影響規(guī)律。

1 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

1.1 物理模型

機(jī)油冷卻器內(nèi)部采用鋸齒形翅片結(jié)構(gòu)，冷卻器結(jié)構(gòu)及冷熱流體間的換熱機(jī)理示意圖如圖1所示。

機(jī)油的熱量經(jīng)鋁制翅片和中間隔板傳遞給冷卻液，熱平衡關(guān)系為［5］

1.2 優(yōu)化結(jié)果

采用遺傳算法進(jìn)行冷卻器的性能多目標(biāo)優(yōu)化，優(yōu)化過程如圖2（a）所示。換熱量越大，整個(gè)流道的阻力損失越大?？紤]到整個(gè)發(fā)動機(jī)的散熱需求，選取25～30kW的換熱量及對應(yīng)的壓力降作為優(yōu)選目標(biāo)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化過程中目標(biāo)函數(shù)值的變化過程如圖2（c）所示，選取其中的1組優(yōu)化結(jié)果如表1所示。

表1 散熱器的幾何參數(shù)優(yōu)化值

由于整體對散熱器進(jìn)行仿真時(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難得到精確的結(jié)果，因此本文引入多孔介質(zhì)模型，將散熱器芯體的翅片區(qū)域設(shè)定為多孔介質(zhì)來模擬流體的流動和熱交換。發(fā)動機(jī)機(jī)油散熱器和冷卻水套的整體模型如圖3所示。

圖2 優(yōu)化流程及參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

圖3 冷卻模塊物理模型

2 CFD仿真

2.1 邊界條件

數(shù)值仿真邊界設(shè)置如下：將機(jī)油側(cè)入口和水側(cè)入口設(shè)置為速度入口邊界（velocity inlet）；出口處的壓力大小和流體的流速大小均未知，故出口邊界設(shè)置成自由出流（outflow）。設(shè)置機(jī)油與冷卻水采用逆流的冷卻方式，取機(jī)油的入口速度為0.8m/s，入口溫度為110℃，冷卻水的入口速度為1m/s，入口水溫為75℃。通過對單元體仿真得到不同流速下的壓力損失如圖4所示，應(yīng)用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合得到壓力損失與流速的函數(shù)關(guān)系式

圖4 機(jī)油流道阻力特性曲線

多孔介質(zhì)的動量模型［5］

根據(jù)公式（10）即可計(jì)算出多孔介質(zhì)模型中的粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)，從而對散熱器整體進(jìn)行仿真。多孔介質(zhì)中的有效熱導(dǎo)率通過流體電導(dǎo)率和固體電導(dǎo)率計(jì)算得到［7］

式中 γ ——多孔介質(zhì)的孔隙率；

kf——液相熱導(dǎo)率；

ks——固相熱導(dǎo)率。

2.2 仿真結(jié)果分析

從圖5可以明顯看出冷流體和熱流體逐層交叉流動，由于慣性的作用，機(jī)油大部分流到了下部，使得各層內(nèi)部流動不均勻，造成底層的壓強(qiáng)和流量較大，往上逐層降低。冷卻器內(nèi)部溫度成梯度分布，從左到右逐漸降低，從而實(shí)現(xiàn)冷熱流體間逐步換熱。

圖5 冷卻模塊CFD仿真結(jié)果

機(jī)油側(cè)的入口處溫度較高，由于冷卻水的冷卻作用，機(jī)油溫度沿流動方向逐漸降低，出口處溫度已經(jīng)降到87℃，冷卻效果非常明顯。冷卻水沿流動方向溫度逐漸升高，壓強(qiáng)逐漸降低。

3 試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證匹配和優(yōu)化后機(jī)油冷卻器的實(shí)際工作性能，在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架上進(jìn)行測試（如圖6所示）。試驗(yàn)中的部分儀器為：水力測功機(jī)，增壓柴油機(jī)，采用CD40號機(jī)油，機(jī)油散熱器安裝在水套內(nèi)部。試驗(yàn)中保持冷卻水的流量不變（控制在4m3/h），通過控制發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變機(jī)油的流量，測量機(jī)油的溫度和壓力變化情況。在扭矩相同的條件下，保持連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)2h后，采集機(jī)油冷卻器溫度和壓強(qiáng)值。

圖6 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖7 為發(fā)動機(jī)不同工況下的性能參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果。隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，扭矩在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1700r/min處達(dá)到最大值，但是發(fā)動機(jī)功率則在轉(zhuǎn)速最大時(shí)達(dá)到最大。對比機(jī)油的溫度變化，發(fā)現(xiàn)溫度變化趨勢與功率的變化一致。

臺架試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)如表2所示，發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速下機(jī)油冷卻器內(nèi)部的壓降較小，轉(zhuǎn)速最高時(shí)通過冷卻器的機(jī)油壓力損失約為27kPa。冷卻后的機(jī)油溫度滿足發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的工作要求，表明選用的機(jī)油冷卻器與發(fā)動機(jī)匹配較好。

圖7 發(fā)動機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

表2 機(jī)油冷卻器工作性能試驗(yàn)結(jié)果

從圖8的試驗(yàn)結(jié)果MAP圖可以看出，在機(jī)油溫度和冷卻液溫度不變的情況下，機(jī)油冷卻器的換熱量對冷卻液的流量大于30L/min以后的變化不敏感，而大于30L/min換熱量對機(jī)油流量的影響較大。試驗(yàn)結(jié)果對冷卻液流量的分配以及機(jī)油的流量控制提供了參考。

圖8 冷卻液對換熱量的影響

4 結(jié)束語

通過分析板翅式機(jī)油冷卻器的換熱機(jī)理，采用遺傳算法對冷卻器進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，得到了適用于重型柴油機(jī)機(jī)油冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。通過模擬整體散熱模塊得到了冷卻器內(nèi)部溫度、壓力和速度的可視化結(jié)果，對了解內(nèi)部復(fù)雜的換熱過程提供了幫助。在發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行整機(jī)試驗(yàn)更符合實(shí)際工作環(huán)境。測試結(jié)果表明，冷卻器換熱效果較好，滿足發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的溫度工作要求，得到了不同的邊界參數(shù)對換熱量的影響規(guī)律，為散熱器的設(shè)計(jì)和機(jī)油冷卻系統(tǒng)的控制策略提供了指導(dǎo)。