胡雙洋

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重卡冷卻系統(tǒng)的仿真與試驗(yàn)研究

胡雙洋

（徐州徐工汽車制造有限公司 技術(shù)中心，江蘇 徐州 221000）

文章介紹了國六重卡開發(fā)中使用零部件試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行KULI仿真計(jì)算，模擬出發(fā)動(dòng)機(jī)在功率點(diǎn)和扭矩點(diǎn)各個(gè)轉(zhuǎn)速下冷卻系統(tǒng)的參數(shù)；并與整車輪轂試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了KULI計(jì)算數(shù)據(jù)的可靠性，證明了KULI仿真在重卡開發(fā)中的可行性和重要性。

重卡；發(fā)動(dòng)機(jī)；KULI仿真；冷卻系統(tǒng)；試驗(yàn)參數(shù)

前言

隨著國六政策的逐步實(shí)施，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率在不斷的增加，由于部分發(fā)動(dòng)機(jī)采用高效EGR路線，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻能力要求也越來越高。但是在有限的發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間下，如何設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定和高效的冷卻系統(tǒng)，在整車熱管理的開發(fā)當(dāng)中變得至關(guān)重要。

由于熱管理系統(tǒng)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)方法是通過樣機(jī)試驗(yàn)分析各子系統(tǒng)之間的相互影響，要付出大量的時(shí)間和昂貴的試驗(yàn)費(fèi)用，所以在整車設(shè)計(jì)的初期階段，為了降低成本，一般采用零部件試驗(yàn)參數(shù)和仿真相結(jié)合的方法。計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出水溫度和中冷器進(jìn)出氣溫度和壓力，從而得出液氣溫差，以及整車的許用環(huán)境溫度。本文結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)出基于KULI冷卻系統(tǒng)的仿真方式，對(duì)其進(jìn)行了仿真計(jì)算，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，證明了仿真計(jì)算的可行性[1-2]。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理仿真平臺(tái)的建立

在整個(gè)冷卻系統(tǒng)仿真中，分為三部分：前端部分是格柵，中間部分是冷卻包（包括：冷凝器、中冷器、散熱器等），后端部分是機(jī)械風(fēng)扇。這些模型主要包括3類信息：（1）各個(gè)零部件的尺寸和位置；（2）流體模型，主要包含內(nèi)部流體流動(dòng)（冷卻液）和外部流動(dòng)流體（空氣）的壓力損失特性；（3）散熱器等熱交換器的放熱特性[3]。本文研究的是某商用車采用濰柴WP13增壓式500馬力發(fā)動(dòng)機(jī)，主要參數(shù)見表1，采用強(qiáng)制循環(huán)水冷式冷卻系統(tǒng)，要求滿足扭矩點(diǎn)許用環(huán)境溫度為41℃，功率點(diǎn)許用環(huán)境溫度為46℃[4]。冷卻系統(tǒng)布置如圖1。

表1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)

2 熱交換器模型

2.1 散熱器模型的建立

2.1.1散熱器的物理參數(shù)

散熱器尺寸：寬：789mm，高：1000mm，厚：52mm；散熱器仿真位置坐標(biāo)：x=0，=0，z=0；散熱器內(nèi)部流動(dòng)方式：縱流式，-Z方向；散熱器入口位置：左上方；芯體結(jié)構(gòu)：采用管帶式，散熱管總數(shù)：84根，管道排數(shù)：1，管道截面積為93.6mm2，濕周為107.6mm。

2.1.2散熱器的內(nèi)部流動(dòng)特點(diǎn)

冷卻液介質(zhì)：50%乙二醇；流動(dòng)特性：非復(fù)合形式；水箱壓力比損失為30%。

使用KULI軟件，對(duì)散熱器內(nèi)部流動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，下面是散熱器冷卻液流動(dòng)壓力隨著流量損失特性曲線，如圖2所示。

圖2 散熱器冷卻液流動(dòng)壓力損失特性曲線

2.1.3散熱器外部流動(dòng)特性

散熱器外部流體經(jīng)進(jìn)氣格柵進(jìn)入冷卻包，下面是其特性參數(shù)：空氣濕度：65%；參考溫度：21℃；絕對(duì)壓力：101.3kPa；

散熱器外部流動(dòng)阻力特性曲線如圖3所示。

圖3 散熱器外部流動(dòng)阻力特性曲線

2.1.4散熱器放熱特性

散熱器放熱特性曲線和散熱器放熱特性3D分布圖，分別如圖4和圖5所示。

2.2 中冷器模型

2.2.1中冷器物理參數(shù)

中冷器尺寸：寬：740mm，高：846mm，厚：50mm；中冷器仿真位置坐標(biāo)：x=-100，y=30，z=0；

中冷器芯部流動(dòng)方式：橫流式，內(nèi)部流動(dòng)方向?yàn)?y方向；中冷器入口位置：右上方；

芯體結(jié)構(gòu)：采用管帶式，散熱管總數(shù)：44根，管道排數(shù)：1，管道截面積為505mm2，濕周為120.2mm。

2.2.2散熱器的內(nèi)部流動(dòng)特性

中冷器入口的絕對(duì)壓力為2700hPa，壓力比損失為30%。

使用KULI軟件，輸入中冷器內(nèi)部流動(dòng)特性參數(shù)，下面是中冷器內(nèi)部熱側(cè)流動(dòng)壓力隨著流量損失特性曲線，如圖6所示。

2.2.3中冷器外部流動(dòng)特性

中冷器外部流體經(jīng)進(jìn)氣格柵進(jìn)入冷卻包，下面是其特性參數(shù)：空氣濕度：65%；參考溫度：21℃；絕對(duì)壓力：101.3kPa；

中冷器外部流動(dòng)阻力特性曲線如圖7所示。

圖4 散熱器放熱特性曲線

圖5 散熱器放熱特性3D分布圖

圖6 中冷器內(nèi)部熱側(cè)流動(dòng)壓力隨著流量損失特性曲線

圖7 中冷器外部流動(dòng)阻力特性曲線

2.2.4中冷器放熱特性

中冷器放熱特性曲線和放熱特性3D分布圖，分別如圖8和圖9所示。

圖8 中冷器放熱特性曲線

圖9 中冷器放熱特性3D分布圖

2.3 冷凝器模型

冷凝器尺寸：寬：809mm，高：454mm，厚：30mm，冷凝器功率：12kw。

冷凝器仿真位置坐標(biāo)：x=-150，y=0，z=200；

根據(jù)冷凝器性能試驗(yàn)數(shù)值，利用KULI軟件，對(duì)冷凝器流動(dòng)特性進(jìn)行計(jì)算分析，下面是冷凝器壓降隨著流量損失特性曲線，如圖10所示。

圖10 冷凝器壓降隨著流量損失特性曲線

2.4 風(fēng)扇模型

2.4.1風(fēng)扇物理參數(shù)

風(fēng)扇外形參數(shù)：直徑：750mm，厚度：130葉片寬度：144mm，葉片數(shù)：11；

風(fēng)扇仿真位置坐標(biāo)：x=100，y=390，z=500；

風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳輸比為1.2，風(fēng)扇形式：機(jī)械直接式。

2.4.2風(fēng)扇特性

風(fēng)扇冷空氣入口溫度:30℃；風(fēng)扇冷空氣入口壓力：101.3kPa；空氣濕度：48%。根據(jù)風(fēng)扇風(fēng)洞性能試驗(yàn)數(shù)值，利用KULI軟件，對(duì)風(fēng)扇內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行計(jì)算分析，得到風(fēng)扇轉(zhuǎn)速-冷卻流量-壓力損失特性3D分布曲線，如圖11所示。

圖11 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速-冷卻流量-壓力損失特性3D分布曲線

3 定義流體回路

3.1 內(nèi)部流動(dòng)回路

首先建立冷卻系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)，其連接方式如圖12所示。

圖12 冷卻系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)

3.2 外部流動(dòng)回路

KULI中的外部流動(dòng)是指經(jīng)進(jìn)氣格柵進(jìn)入冷卻包的空氣，如圖12所示。本文將Bir定義為格柵、冷凝器、散熱器等部件的阻抗設(shè)定。設(shè)置進(jìn)口 Cp= 0.9，出口 Cp = 0。在KULI模型中，依照整車零件布置，建立Block（冷凝器、中冷器、和散熱器），如圖13所示。

圖13 外部流動(dòng)回路

4 仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 KULI仿真

表2 模擬工況

定義車輛在不同工況下的模擬運(yùn)行參數(shù)，模擬出不同工況下散熱器的進(jìn)水溫度等仿真數(shù)據(jù)，研究發(fā)動(dòng)機(jī)在最大轉(zhuǎn)速、最大扭矩等具體工況冷去系統(tǒng)的參數(shù)，模擬工況具體如表2所示。

通過KULI分析計(jì)算，得到中冷器、散熱器進(jìn)出溫度和進(jìn)出壓力及壓差，如表3所示。

表3 模擬計(jì)算結(jié)果

4.2 整車熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)整車進(jìn)行輪轂試驗(yàn)，與KULI計(jì)算仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)環(huán)境溫度31℃，空氣濕度80%，大氣壓力103kPa，整車整備質(zhì)量8860kg。同時(shí)為了與仿真結(jié)果數(shù)據(jù)保持一致性，在中冷器、散熱器、進(jìn)出口布置溫度和壓力傳感器，每隔2min記錄一次溫度，將穩(wěn)定后的溫度作為試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.3 仿真結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比分析

整車熱平衡試驗(yàn)結(jié)果與系統(tǒng)仿真對(duì)比如下圖14和表圖15所示。

圖14 最大功率點(diǎn)工況（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1900r/min）

圖15 最大扭矩工況（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1400r/min）

經(jīng)過實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果和仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)工況條件下，散熱器出水溫度在功率點(diǎn)1900r/min，仿真值比試驗(yàn)值低了4.09℃，誤差率為5.1%，散熱器出水溫度在扭矩點(diǎn)1400r/min，仿真值比試驗(yàn)值高了2.32℃，誤差率為2.8%，總體試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)偏差上限控制在7%以內(nèi)，整車極限使用環(huán)境溫度均滿足功率點(diǎn)大于46℃，扭矩點(diǎn)大于41℃?？梢钥隙ǖ氖荎ULI仿真得到的計(jì)算數(shù)據(jù)是可靠的。

5 結(jié)論

本文建立了重卡冷卻系統(tǒng)仿真模型，包含了格柵、冷卻包（冷凝器、中冷器、散熱器）、風(fēng)扇、內(nèi)外部阻力的仿真模型，完成了重卡發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真，為發(fā)動(dòng)機(jī)匹配散熱能力相當(dāng)?shù)睦鋮s包，提供了理論依據(jù)和計(jì)算方法。

重卡冷卻系統(tǒng)仿真模型中，各部件的數(shù)據(jù)模型是建立在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，KULI仿真計(jì)算結(jié)果的精確性，很大程度上取決于部件試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

應(yīng)用KULI仿真，對(duì)重卡發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)于整車是否滿足熱平衡使用要求具有重大參考意義，同時(shí)又可以在項(xiàng)目開發(fā)上，有效的縮短開發(fā)周期和降低研發(fā)費(fèi)用。

[1] Mahmoud K G, Loibner E, Wiealer B. Simulation based vehicle ther -mal management systemconcept andmethodolo gy [C]. SAE Paper 2003010276.

[2] 王賢海,杜傳進(jìn),王文端.汽車熱管理研究現(xiàn)狀及新進(jìn)展[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2005(5):810俞小莉.發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡仿真研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2005（5）:1-5.

[3] Magna Steyr Engineering Center. KULI8.0 Reference Help[G],2010.

[4] 俞小莉.發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡仿真研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī), 2005(5):1-5.

Simulation and Experimental Study of Heavy Truck Cooling System

Hu Shuangyang

( XCMG Automobile Manufacturing Co., Ltd. Technology Center, Jiangsu Xuzhou 221000 )

This paper introduces the use of component test parameters in the development of the national six-card, the KULI simulation calculation of the engine cooling system, simulates the parameters of the cooling system of the engine at the power and torque points, and the data collected with the whole wheel hub test. The comparative analysis is carried out to verify the reliability of KULI calculation data and prove the feasibility and importance of KULI simulation in heavy truck development.

Heavy truck;engine;KULI simulation;cooling system;test parameters

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1671-7988(2019)05-67-04

U467

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1671-7988(2019)05-67-04

U467

胡雙洋，工程師，就職于徐州徐工汽車制造有限公司，從事整車熱管理工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.020