劉建祥 王次安 朱增懷 王宏大 端方勇

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心）

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，客戶對整車熱性能需求越來越高。在整車熱性能設(shè)計開發(fā)過程中，需要車輛在所有行駛工況下既不過熱又不過冷，特別是寒帶地區(qū)的客戶對整車采暖性能的關(guān)注更加突出[1]。乘員艙溫度上升較慢會造成客戶對采暖熱舒適性的主觀評價差，同時發(fā)動機的溫升慢會造成發(fā)動機油耗大，進而影響產(chǎn)品在寒帶地區(qū)的口碑[2]。國內(nèi)整車熱性能開發(fā)主要是通過反復(fù)測試并不斷優(yōu)化，開發(fā)周期長、成本高，而國外主要以仿真為主，并結(jié)合試驗的手段進行，大大縮短了研發(fā)周期[3]。文章研究了發(fā)動機和乘員艙溫升過程一維仿真方法，總結(jié)了仿真流程、邊界數(shù)據(jù)的獲取方法，通過試驗驗證了模型的可信度。

1 仿真流程

發(fā)動機溫升和乘員艙溫升屬于瞬態(tài)換熱過程，主要考慮隨著時間及工況的變化，系統(tǒng)溫度的動態(tài)變化，如發(fā)動機溫升變化、乘員艙采暖溫度變化、節(jié)溫器動態(tài)響應(yīng)變化等。與穩(wěn)態(tài)結(jié)果相比，瞬態(tài)過程分析需要輸入的邊界條件參數(shù)更多，模型復(fù)雜度高。

發(fā)動機溫升和乘員艙瞬態(tài)換熱過程分析基本流程，如圖1所示。首先需要確定溫升邊界條件，主要邊界條件包括：發(fā)動機幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)（幾何數(shù)模）、潤滑系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)、冷卻系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)、發(fā)動機熱力學(xué)分析數(shù)據(jù)、乘員艙數(shù)模和整車數(shù)模。通過發(fā)動機數(shù)模獲得發(fā)動機尺寸和材料參數(shù)，并對水套進行三維CFD 分析，獲得不同流量邊界下的水套換熱系數(shù)；利用潤滑系統(tǒng)分析獲得不同溫度和轉(zhuǎn)速邊界下的系統(tǒng)機油流量分配情況；利用冷卻系統(tǒng)分析搭建冷卻系統(tǒng)換熱分析模型，得到系統(tǒng)流量分配情況；利用發(fā)動機熱力學(xué)分析，獲得燃燒室溫度、排氣歧管溫度等；通過乘員艙模型獲得乘員艙各部分的結(jié)構(gòu)尺寸、材料物理屬性等，確定乘員艙的換熱參數(shù)。然后基于上述邊界條件將參數(shù)代入溫升分析模型之中，定義分析工況，進行溫升瞬態(tài)分析。最后對結(jié)果進行評價，如果溫升時間不滿足評價標(biāo)準，再進行各個不同優(yōu)化方案的驗證，直至分析結(jié)果滿足標(biāo)準，確定最終方案，指導(dǎo)產(chǎn)品開發(fā)。

圖1 汽車發(fā)動機溫升和乘員艙瞬態(tài)換熱過程分析基本流程圖

2 重要邊界數(shù)據(jù)獲取

2.1 發(fā)動機水套CFD分析

為了獲取發(fā)動機水套換熱系數(shù)，利用AVL Fire 軟件進行CFD 仿真分析，如圖2所示。設(shè)置不同的進出口流量邊界并檢測各部位的換熱系數(shù)隨冷卻液流量的變化情況，獲取水套壓力分布、流阻數(shù)據(jù)及換熱系數(shù)隨流量的變化情況，該數(shù)據(jù)決定冷卻系統(tǒng)吸收的熱量。

圖2 汽車發(fā)動機水套壓力分布圖

2.2 發(fā)動機熱力學(xué)分析

為確定發(fā)動機缸內(nèi)溫度及排氣流量，利用AVL Boost 軟件對該機型進行熱力學(xué)分析，分析模型，如圖3所示。通過仿真分析獲取缸內(nèi)溫度隨轉(zhuǎn)速和指示壓力的變化情況，排氣流量隨轉(zhuǎn)速和指示平均有效壓力的變化情況，將計算得到的數(shù)據(jù)作為溫升分析的熱源數(shù)據(jù)。

圖3 汽車發(fā)動機熱力學(xué)分析模型圖

2.3 其他邊界數(shù)據(jù)

通過潤滑系統(tǒng)建模與分析獲得不同轉(zhuǎn)速及溫度邊界下潤滑系統(tǒng)各個支路流量的分配情況，圖4 示出基于FloMASTER 軟件搭建的潤滑系統(tǒng)分析模型。根據(jù)潤滑系統(tǒng)幾何模型確定潤滑系統(tǒng)分析模型，然后進行分析，獲得曲軸、凸輪軸、機油泵等各個部件的流量MAP圖，該流量分配結(jié)果為溫升模型中潤滑系統(tǒng)流量輸入邊界。

圖4 汽車潤滑系統(tǒng)分析模型示意圖

冷卻系統(tǒng)模型是溫升模型中重要的組成結(jié)構(gòu)，冷卻系統(tǒng)搭建是否合理直接影響系統(tǒng)的分析結(jié)果，冷卻水泵性能仿真，如圖5所示[4]。節(jié)溫器開啟特性數(shù)據(jù)仿真，如圖6所示。將通過模擬或供應(yīng)商實測獲得的數(shù)據(jù)，以及其它散熱器及暖風(fēng)換熱性能MAP 圖數(shù)據(jù)作為邊界，進行發(fā)動機溫升分析模型建模工作的輸入。

圖5 汽車發(fā)動機水泵性能仿真顯示界面

圖6 汽車發(fā)動機節(jié)溫器開啟特性仿真顯示界面

3 瞬態(tài)溫升模型搭建

依據(jù)冷卻系統(tǒng)原理圖、冷卻系統(tǒng)數(shù)模結(jié)構(gòu)，最終搭建某車型整車溫升一維瞬態(tài)模型，如圖7所示。至此進行計算工況的設(shè)置、運算模型，即可得到整車冷卻液溫度和乘員艙溫度，并得到系統(tǒng)溫升時間。

圖7 某車型整車溫升一維瞬態(tài)分析模型界面

4 模型試驗驗證

為了驗證瞬態(tài)分析結(jié)果的可信度，在汽車上布置相應(yīng)的溫度傳感器。圖8 示出某車型乘員艙后排腳部測溫傳感器布置。圖9 示出某車型乘員艙后排腳部溫度仿真與測試結(jié)果對比。圖10 示出冷卻液溫升過程仿真與測試結(jié)果對比。從圖9 和圖10 可以看出，通過文章所用的仿真方法得到的乘員艙溫升和發(fā)動機水溫結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合較好，且溫升趨勢一致，具有較高的實用價值。

圖8 某車型乘員艙后排溫升溫度傳感器布置示意圖

圖9 某車型乘員艙后排腳部溫升仿真與試驗對比圖

圖10 某車型冷卻液溫升仿真與試驗對比圖

5 結(jié)論

文章基于 AVL Fire、AVL Boost 和 FloMASTER 等多款軟件進行了整車瞬態(tài)溫升分析模型邊界數(shù)據(jù)獲取方法研究，然后利用FloMASTER 平臺搭建了某車型發(fā)動機和整車乘員艙瞬態(tài)分析模型并對結(jié)果進行預(yù)測，仿真與試驗結(jié)果吻合度較高，尤其在技術(shù)研究階段，該仿真方法具有較高的工程實用價值，極大地提高了乘員艙采暖性能開發(fā)的效率。