德T.WAGNER H.ROTTENGRUBER F.MANDL M.GRILL

摘要

通過對復雜的熱管理方案進行優(yōu)化，設計出精度更高且動態(tài)效果更佳的發(fā)動機熱量分布系統(tǒng)，從而進一步提高發(fā)動機效率。在德國內(nèi)燃機研究聯(lián)合會（FVV）的“精確熱管理”項目（FVV-Nr.1266）框架中，奧托·馮·格里克馬格德堡大學和斯圖加特大學的研究人員針對發(fā)動機水套開展了相關研究。通過應用模擬技術來優(yōu)化冷卻效率，其中重點關注了比三維（3D）模擬更經(jīng)濟的一維（1D）模擬。

關鍵詞

發(fā)動機;熱管理;冷卻水套

0 前言

由于氣候變化帶來的挑戰(zhàn)，汽車和發(fā)動機工業(yè)領域的研究人員將研究重點集中到了改善發(fā)動機效率和降低廢氣排放上。通過選用更為有效的開發(fā)環(huán)境，研究人員對發(fā)動機的熱量分布進行了優(yōu)化。因此，德國奧托·馮·格里克馬格德堡大學汽車系統(tǒng)研究所（IMS）和斯圖加特大學的斯圖加特汽車技術研究所（IFS）的相關研究人員開展了一系列研究，其研究的目標是改進一維（1D）模擬的建模，優(yōu)化三維計算流體動力學（3D-CFD）和測量技術的成本。

1 1D模擬

除了燃燒室中的直接熱交換之外，現(xiàn)代發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)中還存在著大量的熱交換過程，例如間接式增壓空氣冷卻器、水冷式排氣歧管，以及商用車領域中的廢熱回收系統(tǒng)（WHR）。在熱管理策略框架中，采用智能調(diào)節(jié)過程也是必不可少的，以此能精確并動態(tài)地控制系統(tǒng)中的熱量分布。研究人員對此開展了一系列優(yōu)化，使得在早期開發(fā)階段中的模擬過程就已具備了較好的效果，但是還需要開展有關瞬態(tài)特性的試驗。因此，在該類開發(fā)過程中，研究人員必然要用到1D模擬方法[1]。

2 1D模擬的方式與方法

1D建模的方式與方法如圖1所示。研究人員通過熱量和光學測量方法采集了試驗載體，并采用已驗證的3D-CFD模型來對其進行模擬，從而構成了1D建模的基礎。在模型容積得以分解的情況下，研究人員考察了1D模型內(nèi)的三維（3D）流動效應，以提高模擬結果的可靠性。在分解的概念下，研究人員將真實3D流動區(qū)域的空間細分為更小的區(qū)域。在考慮到物理現(xiàn)象和流動特性的情況下，研究人員通過3D-CFD模型，對這種方法進行了優(yōu)化，同時重新開發(fā)了專門用于計算冷卻水套總體結構傳熱系數(shù)的方法，推導出具有增強效果的1D流動模型。在采用大型發(fā)動機的基礎上，研究人員對這種新開發(fā)的方法進行了驗證，推導出了能用于高效預測發(fā)動機冷卻水套1D模擬過程的標準化方法。

圖1 研究項目的方式、方法及工作順序

3 模擬精度的比較

研究人員采用了參考文獻[2，3]中提到的2.0 L轎車柴油機，并將其作為實施該方法的試驗樣機。該款發(fā)動機配備了參考文獻[2]中所提到的，可用于測量發(fā)動機熱狀態(tài)的網(wǎng)格結構。對于熱分析而言，研究人員需要在發(fā)動機試驗臺上采用具有合適運行工況點的試驗程序，此外還要對穩(wěn)態(tài)特性曲線場進行測量，并將局部熱邊界條件的試驗結果與涉及到零部件溫度的3D-CFD模型進行比較。研究人員通過采用粒子影像速度測量（PIV）方法對氣缸體曲軸箱（ZKG）水套進行光學測量，此時就能確定流動速度的矢量場，再用相應的3D-CFD模型對其進行調(diào)整。

圖2示出了某個運行工況點下的光學測試結果，其中發(fā)動機轉速為1 350 r/min，冷卻液體積流量為18 L/min。在這種低轉速的工況下，紊流流動過程已分布于整個發(fā)動機冷卻水套中。PIV測量與3D-CFD模擬結果具有良好的一致性，并與模型的網(wǎng)狀連接、紊流建模和邊界條件有著較好的匹配性。組合調(diào)整使得光學測量結果具有與3D-CFD模擬結果幾乎一致的圖像。同時，研究人員將零部件溫度、熱平衡、發(fā)動機冷卻水套及其周圍結構件的高溫3D-CFD模型與相應的測量計算過程相比較，也具有良好的效果。研究人員通過將特性曲線場與3D-CFD模擬結果進行比較，得出在整個運行范圍內(nèi)的最大溫度偏差為2.0 K。研究人員能通過所建立的模擬模型，來充分預測冷卻水溫的升高現(xiàn)象，并得出了相關結論：冷卻水在流經(jīng)氣缸蓋時，會使其溫度升高2.5～10.0 K。正如研究人員所預測的那樣，在250 N·m的高扭矩工況下，發(fā)動機會在1 500～2 000 r/min的轉速區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)最大的溫差。

圖2 針對氣缸體曲軸箱水套的PIV測量和流動特性模擬

在發(fā)動機特性曲線場的所有范圍內(nèi)，就傳入冷卻水的能量預測方面而言，模擬模型具有令人滿意的精度。換言之，燃燒模型與計算得到的傳熱結果之間具有非常好的協(xié)調(diào)性。

4 1D分解

研究人員在對流動問題進行精細分解的同時，也相應提高了模型在結構參數(shù)標定及應用等方面的復雜性。為充分解決該問題，研究人員需要采用理想的分解策略，并應遵循下列原則：（1）1D冷卻水套模型的應用場景;（2）需要對模型總體和局部的尺寸進行考察;（3）有關幾何學、測量數(shù)據(jù)和3D-CFD模擬的可用數(shù)據(jù)狀況;（4）1D模擬環(huán)境中的邊界條件（燃燒放熱、發(fā)動機結構）;（5）物理性能，例如流動特性、壁面溫度和發(fā)動機冷卻水套等不同區(qū)域的熱傳導。

圖3（a）示出了1款轎車柴油機的分解狀況，圖3（b）示出了1臺大型發(fā)動機的分解狀況。根據(jù)圖中所示的流線，研究人員對不同的流動特性進行了識別：轎車發(fā)動機采用橫流式氣缸，大型發(fā)動機采用縱流式氣缸。研究人員對冷卻水套的基本流動圖及發(fā)動機機體和氣缸蓋中的熱負荷進行了分解。考慮到傳熱計算過程，研究人員還應針對機體和氣缸蓋單獨確定模型參數(shù)。

圖3 轎車柴油機（a）和大型發(fā)動機（b）的流動特性（3D-CFD）與實用分解

5 1D模擬中的傳熱計算

在1D模擬中，壁面與冷卻液之間的熱流量可按照牛頓方程式，用傳熱系數(shù)α、面積A、壁面溫度TW和冷卻液溫度TF進行計算，如式（1）所示。

Q·=α·A·（TF-TW）（1）

為了表達α與導熱率λ和特征長度L的相互關系，研究人員采用了源自相似理論的無量綱特性系數(shù)的方法表示，如式（2）和式（3）所示。

α=λL·Nu（2）

Nu=Nu（RePr）=a·Reb·Prc（3）

式2示出了α與努塞爾數(shù)N u之間的關系，它描述了固體表面與流動液體之間的強迫對流傳熱，而努塞爾數(shù)又能用雷諾數(shù)R e和普朗特數(shù)Pr來描述。這種努塞爾關系在式3中通常用參數(shù)a、b、c來表示，而在文獻中，努塞爾關系則用作于簡化某些幾何流動問題的參數(shù)。對于幾何形狀復雜的發(fā)動機冷卻水套中的傳熱過程而言，上述關系的精度尚有待提升[4]，因而研究人員有必要借助于3D-CFD模擬來確定這些參數(shù)。

在1D模擬過程中，研究人員通常以1D流動容積來進行建模。圖4示出了在1D傳熱計算過程中，研究人員要考慮哪些關于流體運動和流體特性的信息。

圖4 1D傳熱計算的模型概念

進一步的修正能獲得更高的結果品質(zhì)，研究人員對比需要考慮層流與紊流之間的過渡、每個流動交接區(qū)的精確加權平均數(shù)和擴展的輸出量。借助于進口質(zhì)量流量（影響雷諾數(shù)）和進口溫度（影響普朗特數(shù)）的變化，研究人員就能理想地對相關參數(shù)進行標定，并通過3D-CFD模型為機體和氣缸蓋推導出單獨的參數(shù)組。在采用大型發(fā)動機的情況下，研究人員還附加推導出了可用于燃燒室頂管道網(wǎng)格的第3個參數(shù)組。

6 試驗結果

轎車柴油機和大型發(fā)動機的1D模擬結果如圖5所示。在圖中，研究人員將各自的3D-CFD模擬作為比較基準。除了標定工況點之外，研究人員還對更多的工況點進行了驗證。研究人員在1D和3D-CFD模擬之間加入了熱量的百分偏差（分別示于圖5（b）和圖5（e）），并將其作為評價結果的標準。上述偏差可用柱狀圖表示，其中可按照運行工況點和不同的冷卻水套范圍來進行劃分。根據(jù)結果可知，2種試驗載體加入熱量的精度偏差小于5%，最大偏差發(fā)生在大型發(fā)動機的氣缸蓋區(qū)域及冷卻水套上。在采用這種試驗載體的前提下，研究人員通過對單個氣缸的傳熱參數(shù)進行優(yōu)化，進一步減小了偏差。

圖5 轎車柴油機和大型發(fā)動機的1D模擬結果概況，以及在運行工況點條件下加入熱量的平均絕對偏差

7 結論

如上文所述，研究人員開發(fā)了1種實用的1D發(fā)動機冷卻水套建模通用方法，其重點在于針對3D幾何形狀的分解策略，以及借助于努塞爾關系的傳熱計算方法。在該建模過程中，采用3D-CFD模型是進行比較的基礎和準則。研究人員可通過整機的熱量平衡和冷卻水套中的光學PIV測量來確保試驗結果的品質(zhì)。同樣，這種方法在大型發(fā)動機上也得到了驗證，取得了較好的試驗結果?？紤]到2種水套尺寸大小和流動特性的不同，研究人員通過對發(fā)動機進行試驗研究，證實了這種方法的普遍有效性，并得出了如下結論：相對于總加熱量而言，1D傳熱計算結果的精度偏差通常小于5%。

參考文獻

[1]DOHMEN J，BARTHEL R，KLOPSTEIN S.Virtuelle kühlsystementwicklung[J].MTZ，2006，67（12）：966-973.

[2]ZEITZ V，VARGA P，TSCHKE H，u.a.Simulation des wrmetransports in verbrennungsmotoren[J]. MTZ，2014，75（7-8）：74-81.

[3]ODER J，ROTTENGRUBER H，ZEITZ V.Simulation des wrmetransports bei variation der betriebsbedingungen[J]. MTZ，2017，78（10）：74-79.

[4]ROBINSON K，HAWLEY J G，HAMMOND G P，et al.Convective coolant heat transfer in internal combustion engines[J].Proceedings of the Institution of Mechanica-l Engineers， Part D： Journal of Automobile Engineering Automobile Engineering，2002（7）：133-146.

范明強 譯自 MTZ，2021，82（4）

伍賽特 編輯

（收稿時間：2021-04-20）