湯名權

摘要：為達到降低發(fā)動機艙溫度，保證發(fā)動機正常運行及整車安全行駛的目的，運用AMESim軟件建立整車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)數(shù)學模型，設定相關參數(shù)，對其散熱性能進行仿真試驗與分析。根據(jù)仿真試驗結果，得到冷卻系統(tǒng)在常見工況下的溫度變化特性，繪制發(fā)動機進口與散熱器出口位置冷卻液溫度變化曲線、散熱器進出口位置冷卻液溫度變化曲線以及散熱器進出口位置冷卻液溫度溫差變化曲線。研究結果可以為今后關于整車冷卻系統(tǒng)的試驗研究提供理論依據(jù)。

關鍵詞：數(shù)學模型;冷卻系統(tǒng);發(fā)動機;散熱器;散熱性能

中圖分類號：TK423? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0024-03

0? 引言

在汽車產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的背景下，詳細研究與分析整車各系統(tǒng)性能，最小化故障率，盡可能地滿足客戶需求，對各整車企業(yè)而言均十分重要。發(fā)動機是汽車的動力源，其性能的好壞會對汽車可靠性與安全性產(chǎn)生直接的影響。在汽車發(fā)動機艙內部，有線束、塑料管、橡膠管等非金屬件，艙內溫度太高會導致高溫失效，影響整車安全行駛。而為了保證汽車獲取最佳動力，汽車發(fā)動機必須有效散熱，這對發(fā)動機艙冷卻系統(tǒng)的散熱性能提出嚴格的要求。

1? 整車發(fā)動機艙冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)是汽車發(fā)動機艙內的關鍵部分，會在很大程度上影響發(fā)動機性能，主要包括散熱器水冷系統(tǒng)、冷凝器空調系統(tǒng)與冷卻風扇等。

1.1 水冷系統(tǒng)（閉式強制循環(huán)水冷系統(tǒng)）

水冷系統(tǒng)內部循環(huán)通過水泵施壓，使冷卻液在系統(tǒng)中循環(huán)流動。所謂強制冷卻，即在水泵轉動過程中將冷卻介質壓力增強，促使冷卻介質流動，以此保證發(fā)動機在適宜溫度下運行，不對其正常工作產(chǎn)生影響。在從發(fā)動機外部向水套中流動的過程中，冷卻介質對熱量進行吸收，向散熱器傳遞。系統(tǒng)大循環(huán)與小循環(huán)如圖1所示。其中，大循環(huán)流動指在水泵帶動作用下，冷卻介質由發(fā)動機水套向節(jié)溫器流動，之后進入散熱器，在散熱器中同格柵處流入的冷卻氣流換熱，降溫后返回水套;當發(fā)動機散熱量不是很大，冷卻介質從發(fā)動機水套流出，溫度比節(jié)溫器特性參數(shù)低時，節(jié)溫器不會開啟，此時冷卻介質會直接向水套流動，此即小循環(huán)。

1.2 空調系統(tǒng)

汽車空調系統(tǒng)由冷凝器、壓縮機、膨脹閥、干燥器以及蒸發(fā)器等構成，其中，冷凝器發(fā)揮著必不可少的作用?？照{系統(tǒng)工作循環(huán)如圖2所示。從壓縮機出來后，制冷劑會變?yōu)楦邷馗邏簹怏w，在冷凝器作用下，該氣體會與環(huán)境冷空氣交換熱量，變?yōu)榈蜏馗邏阂后w，而經(jīng)干燥器除濕緩沖，壓力與流量會趨于平穩(wěn)，向膨脹閥流動，之后變?yōu)榈蜏氐蛪阂后w向蒸發(fā)器流動，同車內熱風交換熱量，降低車內平均溫度，以低溫低壓蒸汽的形式向壓縮機流動，如此循環(huán)。

1.3 冷卻風扇

風扇為發(fā)動機艙內的空氣流動提供動力，以機械驅動式與電機驅動式風扇應用最為廣泛，前者通過V帶等同發(fā)動機連接起來，轉動速度正相關于發(fā)動機的轉動速度，風量調控靈活性并不高;后者可對風扇的轉動速度進行自行調控，風量可控性比較高。

目前汽車發(fā)動機主要采用水冷系統(tǒng)，文章亦以此為重點展開研究。

2? 數(shù)學模型構建

2.1 CFD模型

在構建CFD模型之前，先作以下假設：①不考慮艙內的輻射換熱;②空氣定性溫度為周圍環(huán)境的溫度。

不考慮細小部件的影響，利用AMESim軟件構建汽車發(fā)動機艙模型，簡化艙內結構，然后劃分模型網(wǎng)格，局部加密處理艙內流場區(qū)域?？紤]到艙內結構復雜，空氣流動存在很多邊界層分離、渦流等情況，此處采用可實現(xiàn)k-e兩方程模型對發(fā)動機艙內的空氣流場進行模擬。將來流空氣溫度作為定性溫度對空氣物性參數(shù)進行定義。散熱器采用多孔介質模型，進行熱流密度邊界的設置。

2.2 GT-COOL模型

GT-COOL模型對冷卻系統(tǒng)的運行進行模擬，基于守恒與能量傳輸原理，計算系統(tǒng)各部件的散熱。圖3所示為模型簡化結構圖。冷卻水套帶走發(fā)動機散失余熱，通過散熱器向發(fā)動機艙空氣環(huán)境散失。

除散熱器會向空氣環(huán)境散熱，冷卻系統(tǒng)管道與其他部件表面也通過對流換熱向發(fā)動機艙散熱。計算如下：

（1）

式中各字母表示含義為：

Tw——部件表面溫度;hm——平均對流換熱系數(shù);Tm——空氣主流溫度。

散熱器冷卻液側換熱準則關聯(lián)式為：

（2）

散熱器空氣液側換熱準則關聯(lián)式為：

（3）

式中各字母表示含義為：

Rel，Reg——雷諾準則數(shù);Prl——普朗特準則數(shù)。

在上述工作完成后，還要耦合一維與三維模型，經(jīng)迭代計算確定熱流場與發(fā)動機艙散熱性能，保證實際散熱的準確性。

3? 試驗與仿真

3.1 仿真工況設定

試驗設置工況外部氣溫為-10℃，觀察此環(huán)境條件下發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的散熱特性。另外，將發(fā)動機轉速設為2500r/min，車速為中高速，行駛路面為平路（坡度為0），仿真時長為200s。表1所示為仿真工況的相關參數(shù)（此工況是汽車在實際運行過程中較常出現(xiàn)的一種工況）。

3.2 冷卻系統(tǒng)仿真分析

經(jīng)過仿真試驗與相關計算，得到在外部氣溫為-10℃的環(huán)境工況條件下，發(fā)動機出口部位的溫度以及散熱器進口部位的溫度，兩者的變化曲線如圖4所示。根據(jù)圖4仿真圖，在汽車整車的起步環(huán)節(jié)，發(fā)動機出口部位的溫度會隨著時間的推移而慢慢上升，剛開始，發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)會以小循環(huán)模式工作，此時并未將節(jié)溫器開啟，而當時間大約到達15s之時，發(fā)動機冷卻系統(tǒng)開始由小循環(huán)工作狀態(tài)變?yōu)榇笱h(huán)工作狀態(tài)，此時，將散熱器啟動，發(fā)動機出口位置的溫度曲線會出現(xiàn)相應的改變，究其原因，在于發(fā)動機在由小循環(huán)改變?yōu)榇笱h(huán)工作狀態(tài)之時，節(jié)溫器的開啟程度會不斷變大并最終趨于平穩(wěn)，而節(jié)溫器達到平穩(wěn)狀態(tài)，發(fā)動機也會達到穩(wěn)定運行的溫度，大約為95℃。另外，圖4所示散熱器在15s（亦即發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進入大循環(huán)工作狀態(tài)后）溫度才開始上升，這一過程中，散熱器本身的溫度為外部氣溫-10℃，在發(fā)動機冷卻液流入散熱器之后，散熱器內部氣體會與冷卻液交換熱量，這會將散熱器溫度升高，當發(fā)動機達到穩(wěn)定運行狀態(tài)，散熱器溫度會同發(fā)動機的出口溫度保持在相同水平。

觀察發(fā)動機出口位置與散熱器進口位置溫度的變化，與實際發(fā)動機運行過程中發(fā)動機的溫度改變情況是相符的，這對所建立的數(shù)學模型的準確性進行了驗證。

進一步，經(jīng)仿真分析與計算，在散熱器開始工作之后，其進出口位置處的溫度變化情況如圖5所示。散熱器進口部位的溫度比較高，在外部冷環(huán)境的冷卻作用之下，出口處的溫度會出現(xiàn)相應幅度的降低，這是散熱器同外部低溫環(huán)境條件進行熱量交換所得來的結果，在此環(huán)節(jié)，散熱器進出口位置處的溫度均經(jīng)歷了一個溫度上升并逐漸趨于穩(wěn)態(tài)運行的過程。

另外，散熱器進出口位置處的溫度差也會發(fā)生相應的變化，圖6所示為其具體的變化情況。圖6中的溫度差改變體現(xiàn)了散熱器本身所具有的冷卻能力，在初始階段，散熱器進出口位置的溫度差變化曲線存在一定的波動，原因在于節(jié)溫器的開啟程度在不斷的變化，且其變化是不均勻的，致使散熱器進出口位置處的溫度差在初始環(huán)節(jié)也有一定的不穩(wěn)定性存在。待AMESim仿真過程逐漸趨于穩(wěn)定之后，降溫情況（亦即散熱器進出口位置處的溫度差）變?yōu)楹愣ㄖ担蠹s維持在20℃的水平上。

4? 結語

利用AMESim軟件進行發(fā)動機艙冷卻系統(tǒng)數(shù)學模型的構建，按照實際情況設置模型參數(shù)，并完成了冷卻系統(tǒng)外部氣溫、外部環(huán)境氣壓等運行工況的設定。經(jīng)仿真試驗，得到汽車整車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)在指定工況下溫度的變化特性，確定發(fā)動機進口與散熱器出口位置處冷卻液溫度變化、散熱器進出口位置處冷卻液的溫度變化以及散熱器進出口位置處冷卻液溫度的溫差變化，這些溫度特性分析結果可以作為汽車整車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)瞬態(tài)熱分析的溫度邊界輸入條件，為冷卻系統(tǒng)熱疲勞分析奠定理論研究基礎，同時，借助所搭建的數(shù)學模型進行其他工況上的仿真試驗，進一步得到冷卻系統(tǒng)的其他相關特性，提高開發(fā)效率，提供一定的參考依據(jù)于冷卻系統(tǒng)結構改性以及試驗研究預判等工作的開展。

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