王晶晶

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某國五柴油機冷卻系統(tǒng)建模分析與優(yōu)化

王晶晶

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

運用Flowmaster軟件，參考發(fā)動機幾何數(shù)模搭建冷卻系統(tǒng)模型，使用試驗數(shù)據(jù)評估校對模型精度。根據(jù)項目需要取消原有的SCR冷卻器，改用EGR冷卻器。評估不同布置方案下的流量，以及對冷卻系統(tǒng)已有的其他支路的影響。通過分析可知，將EGR冷卻器并聯(lián)新位置對其他支路影響較小，各支路流量都滿足設(shè)計需求。

冷卻系統(tǒng)；發(fā)動機；仿真分析；Flowmaster

1 引言

發(fā)動機產(chǎn)品模塊化開發(fā)后，可根據(jù)需求快速調(diào)整配置以適應(yīng)市場需求。當(dāng)個別模塊變更后，很多后續(xù)工作都可以建立在已有成果之上，從而縮短開發(fā)時間，節(jié)約項目資金。對于這類改型項目，可充分借用已有的試驗數(shù)據(jù)標(biāo)定分析模型，而通過分析模型的擴展可以評估新模塊預(yù)期性能，從而為開發(fā)工作提供定量參考。

當(dāng)前已有的發(fā)動機產(chǎn)品使用SCR后處理系統(tǒng)，故冷卻系統(tǒng)中有SCR冷卻器；而改型產(chǎn)品采用EGR系統(tǒng)，故冷卻系統(tǒng)需同步將SCR冷卻器變更為EGR冷卻器。通過對冷卻系統(tǒng)進行一維分析，評估布置方案的優(yōu)劣及新系統(tǒng)各支路的流量變化情況。

2 建模原理

冷卻系統(tǒng)性能分析，最終要解決的問題是動態(tài)的熱量交換和溫度平衡問題。系統(tǒng)最大換熱能力不低于發(fā)動機各子系統(tǒng)最大散熱需求。將各支路的最大散熱需求和限制溫差組合起來即可確定該支路的最低冷卻液流量需求。這樣即可將冷卻系統(tǒng)的瞬態(tài)換熱分析分析轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)流量分析。

冷卻系統(tǒng)流量分析建模，將各管路、換熱元件、發(fā)動機水套等部件的流阻特性、水泵的輸出性能放入同一模型內(nèi)，經(jīng)多輪次的迭代計算找到系統(tǒng)的平衡點，即水泵輸出的流量滿足各支路流量需求，且產(chǎn)生的總壓差正好等同于各支路壓損的總和。

管路類元件模型的壓損和流量的關(guān)系滿足下列關(guān)系：

其中，△管路壓損，流阻系數(shù)，f層流流阻系數(shù)，f流阻系數(shù)，管路長度，管路直徑，冷卻液質(zhì)量流量，冷卻液密度，管路橫截面面積，內(nèi)表面粗糙度。

換熱元件及水套的壓損和流量關(guān)系，直接采用試驗數(shù)據(jù)擬合，一般情況下滿足二次曲線關(guān)系：

其中，△管路壓損，冷卻液體積流量，擬合系數(shù)。

水泵性能使用額定點的“揚程-流量”曲線，形式如下：

其中，揚程，冷卻液體積流量，J轉(zhuǎn)速為時的對應(yīng)關(guān)系。

水泵在其他轉(zhuǎn)速時的性能與額定轉(zhuǎn)速時的性能滿足相似變換原理，關(guān)系如下：

其中，下腳標(biāo)0表示額定轉(zhuǎn)速水泵性能參數(shù)，i表示其他轉(zhuǎn)速水泵性能參數(shù)。，，分別表示水泵的冷卻液體積流量、揚程、轉(zhuǎn)速。

3 模型搭建

圖1所示為該發(fā)動機冷卻系統(tǒng)原理圖。其中SCR冷卻器為原平臺機型配置設(shè)備，新機型取消該零件，在該位置安裝EGR冷卻器（方案1），或者在圖示位置重新安裝（方案2）。散熱器、暖風(fēng)、機油冷卻器、EGR冷卻器、流阻曲線，軟件轉(zhuǎn)換為流阻系數(shù)與雷諾數(shù)的曲線，如圖2。SCR冷卻器流阻系數(shù)為定值60管路按實際情況錄入長度、內(nèi)徑、橫截面積、內(nèi)表面粗糙度，流阻由軟件在后臺按前文公式自動計算。

圖1 冷卻系統(tǒng)原理圖

水泵額定轉(zhuǎn)速時的無量綱性能曲線如圖3所示。最終，分析如下圖4。

圖2 各組件流阻系數(shù)

圖3 無量綱水泵性能曲線

圖4 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)分析模型

4 方案對比

方案0 原配備SCR冷卻器機型（參考基準(zhǔn)）

方案1 EGR冷卻器直接布置在原SCR冷卻器位置

方案2 EGR冷卻器與其他支路并聯(lián)

表1 各方案流量分布情況

從上表可知，采用方案1時暖風(fēng)、散熱器的流量將明顯低于原基本型流量，對采暖及散熱將產(chǎn)生不利影響，且EGR冷卻器流量略低于設(shè)計需求。而方案2，機油冷卻器支路略有下降，但處于可接受范圍內(nèi)；暖風(fēng)、散熱器支路有所上升，可滿足采暖及散熱需求，EGR冷卻器支路流量也符合設(shè)計要求。而且，選用方案2可以繼續(xù)沿用原基本型水泵，提升零部件的通用性。

5 結(jié)語

對于模塊化的產(chǎn)品，在改型過程中可以快速替換組件，充分運用平臺優(yōu)勢迅速開發(fā)產(chǎn)品。同時，結(jié)合已有試驗數(shù)據(jù)快速建立可靠分析模型，為新模塊的布置工作作出準(zhǔn)確的分析預(yù)測，供設(shè)計人員作后續(xù)開發(fā)的參考。

[1] Flowmaster軟件參考文檔.

[2] 滕建耐,張增光等.某款汽油發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計[J].時代農(nóng)機. 2016(9), 36-37.

[3] 高巧,劉吉林等.某型號柴油發(fā)動機冷卻系統(tǒng)分析及優(yōu)化[J].汽車實用技術(shù). 2017(8), 129-131.

Simulation and Optimization for the Cooling System of a Diesel Engine

Wang Jingjing

( Anhui Jianghuai Automobile Group Corp., Ltd, Anhui Hefei 230601 )

using the Flowmaster Software, built the coolant system 1D model via the engine CAD model and the experiment data. According to the new project, the SCR Cooler is cancelled in the next generation product, which prefers to employ the EGR Cooler. Two different cases to be implemented are verified by the 1D simulation. The results is that the parallel connection case is more competitive.

Coolant system; Engine;Simulation;Flowmaster

A

1671-7988(2018)24-68-03

U464.238

A

1671-7988(2018)24-68-03

U464.238

王晶晶（1992-），女，助理工程師，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司，主要從事發(fā)動機設(shè)計工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.023