趙宏霞

摘 要：文章在某型號(hào)國(guó)V柴油機(jī)原冷卻系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)仿真計(jì)算，得到系統(tǒng)和各元件的流量、壓力分布和溫升等情況。對(duì)兩種不同優(yōu)化方案的冷卻系統(tǒng)工作能力進(jìn)行預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)，根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果提出改善建議，指導(dǎo)冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)，大大縮短研發(fā)時(shí)間，降低研發(fā)成本。

關(guān)鍵詞：冷卻系統(tǒng);優(yōu)化;指導(dǎo);仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：U467? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）17-124-03

Engine Cooling System Optimization Analysis

Zhao Hongxia

（ Beijing Polytechnic， Automotive Engineering Institute， Beijing 100176 ）

Abstract： The Article Based on a type of V diesel engine original cooling system model， we did the system optimization design. Through the simulation calculation， the distribution of flow rate， pressure and temperature， etc. of each component is obtained by simulation calculation， For two different schemes of optimization cooling system， to forecast and evaluation the work ability， provide improvement suggestions according to the result of calculation and analysis， and guide the structure of the cooling system design and experiment， shorten the development time， reduce development costs.

Keywords： Cooling system; Optimization; Guidance; Simulation

CLC NO.： U467? Document Code： B? Article ID： 1671-7988（2020）17-124-03

引言

在樣機(jī)試制之前對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)性能進(jìn)行預(yù)估并及時(shí)優(yōu)化非常重要[1]。仿真分析效率和準(zhǔn)確度高，可以提供最優(yōu)化的方案，更好的指導(dǎo)冷卻系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)，提高研發(fā)效率，縮短開(kāi)發(fā)周期，在概念設(shè)計(jì)階段、試驗(yàn)階段節(jié)省成本，提高冷卻循環(huán)系統(tǒng)的性能和可靠性[2]。

1 冷卻系統(tǒng)仿真優(yōu)化分析概述

1.1 分析概述

某型號(hào)國(guó)V發(fā)動(dòng)機(jī)在某型號(hào)國(guó)IV柴油發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)的基礎(chǔ)上取消EGR系統(tǒng)，增加SCR系統(tǒng)升級(jí)到國(guó)V排放水平。因上述結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)的變化，需對(duì)冷卻系統(tǒng)重新計(jì)算評(píng)估。原方案不滿(mǎn)足需求，故本文主要針對(duì)兩種不同優(yōu)化方案的冷卻系統(tǒng)工作能力的預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)，根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果提出改善建議。

系統(tǒng)各元件流量估算經(jīng)驗(yàn)公式：

Q=Cp*m*ΔT[3]??????????????????????????????? （1）

1.2 冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

原方案：升級(jí)國(guó)V發(fā)動(dòng)機(jī)在某國(guó)IV機(jī)的基礎(chǔ)上取消EGR系統(tǒng)，增加SCR系統(tǒng)與機(jī)冷器串連。

優(yōu)化方案一：在原方案的基礎(chǔ)上將空壓機(jī)水路的管路直徑由8mm減小為6mm。

優(yōu)化方案二：在優(yōu)化方案一的基礎(chǔ)上將水泵速比由1.11增大到1.25。

2 分析模型及邊界條件輸入

2.1 模型描述及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 輸入和邊界條件

2.2.1 水泵

水泵冷卻液體積流量：120L/min @3570rpm 水泵揚(yáng)程：9m。

圖4為水泵轉(zhuǎn)速在3570rpm時(shí)，水泵揚(yáng)程隨流量變化曲線(xiàn)：

2.2.2 管/軟管的屬性

管道的設(shè)計(jì)基于實(shí)際機(jī)體和三維數(shù)學(xué)模型。

2.2.3 節(jié)溫器

如圖5所示，節(jié)溫器流量系數(shù)隨控制閥開(kāi)度的變化曲線(xiàn)，如圖6所示，節(jié)溫器閥開(kāi)度隨溫度的變化曲線(xiàn)。

2.2.4 散熱器

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器定義為恒定的出水溫度。冷卻器的性能由軟件內(nèi)部定義。在模型計(jì)算中，散熱器出口水溫度設(shè)定為90℃。

2.2.5 水套

在1D模型中，為了反映真實(shí)的壓力降特性參數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套的阻力用離散損失表示。根據(jù)3D-CFD模型結(jié)果校驗(yàn)離散阻值。

2.2.6 膨脹水箱

在發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率下，膨脹水箱的絕對(duì)壓力（穩(wěn)定壓力）為1.5bar。膨脹水箱冷卻液體積設(shè)定為1L;氣體體積1.5L。

2.2.7 冷卻液種類(lèi)

Flowmaster軟件中有絕大多數(shù)液體的特性參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)公式，在此，選定的液體的類(lèi)型：乙二醇和水等體積混合，即WATER/GLYCOL：50/50[4]。

3 優(yōu)化結(jié)果分析

3.1 優(yōu)化方案一

考慮原方案額定轉(zhuǎn)速下空壓機(jī)流量與限定值相比過(guò)高，散熱器、暖風(fēng)和噴嘴等元件溫升和流量不滿(mǎn)足規(guī)范要求等問(wèn)題，本方案在原方案的基礎(chǔ)上將空壓機(jī)水路的管路直徑由8mm減小為6mm，由調(diào)整后的分析模型計(jì)算得到各轉(zhuǎn)速下各元件流量、壓力、溫升值等，如下表1所示：

結(jié)果顯示，額定點(diǎn)水泵流量127.2L/min。散熱器流量80L/ min。減小空壓機(jī)水路直徑使與之并聯(lián)的機(jī)冷器、暖風(fēng)、尿素罐、噴嘴的流量較原方案均有所提高。機(jī)冷器流量17.35L/ min，尿素罐流量8L/min，較原方案提高了10%。暖風(fēng)流量12.5L/min，噴嘴流量2L/min，較原方案提高了15%?？諌簷C(jī)流量5.2L/min符合限值要求。額定點(diǎn)散熱器溫差10.7℃，不滿(mǎn)足規(guī)范要求。各元件流量分配雖更合理，但散熱器溫差、暖風(fēng)流量不滿(mǎn)足規(guī)范要求，噴嘴流量偏低等。

3.2 優(yōu)化方案二

優(yōu)化方案一減小空壓機(jī)水路管路直徑后，各元件流量分配雖更合理，但仍有額定點(diǎn)散熱器溫差、暖風(fēng)流量不滿(mǎn)足規(guī)范要求，噴嘴流量偏低等問(wèn)題。優(yōu)化方案二考慮在優(yōu)化方案一的基礎(chǔ)上將水泵速比由1.11增大到1.25。由調(diào)整后的分析

模型計(jì)算得到各轉(zhuǎn)速下各元件流量、壓力、溫升值等，如表2所示。

3.2.1 額定點(diǎn)工況

結(jié)果顯示，水泵速比增大到1.25后，水泵流量145.4L/ min;散熱器流量91.6L/min，比原方案提高15%;機(jī)冷器流量19.6L/min;尿素罐流量9.1L/min，較原方案提高25%;暖風(fēng)流量14.4L/min;噴嘴流量2.32L/min，較原方案提高了33%?？諌簷C(jī)流量5.9L/min，符合限值要求。額定點(diǎn)散熱器溫差9.4℃、機(jī)冷器溫差6.8℃，滿(mǎn)足散熱器、機(jī)冷器進(jìn)出口溫差小于10℃的規(guī)范要求。

3.2.2 暖風(fēng)試驗(yàn)工況

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1775rpm時(shí)，暖風(fēng)流量8L/min，較原方案6.05L/min有32%的提高，較優(yōu)化方案一6.85L/min有17%的提高，與該工況下原國(guó)IV機(jī)暖風(fēng)8.5L/min較接近，但仍低于整車(chē)該轉(zhuǎn)速下10L/min的限值要求。

3.2.3 怠速和怠速節(jié)溫器關(guān)閉工況

怠速暖風(fēng)流量2.8L/min，與原方案相比提高40%，怠速節(jié)溫器關(guān)閉時(shí)暖風(fēng)流量5.33L/min，與原方案相比提高72%，符合整車(chē)限值要求。

4 結(jié)論

優(yōu)化方案二增加水泵速比對(duì)系統(tǒng)各元件流量分配和溫升都有很好的改善效果。各工況暖風(fēng)流量較原方案有很大提高。各工況各元件流量和溫度均滿(mǎn)足 分析規(guī)范和要求。

建議：此優(yōu)化方案二系統(tǒng)各元件的流量和溫升情況較合理，怠速暖風(fēng)流量符合規(guī)范，可以采用。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳家瑞等.汽車(chē)構(gòu)造[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2] 張子波.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與維修[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3] J.P.Liu，J.F.Bing ham.Effects of Intake System Dimensions on Volu -metric Efficiency Speed Characteristics of Multi-Cylinder Engines [J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，1997，15（3）：257-266.

[4] 楊萬(wàn)福.發(fā)動(dòng)機(jī)原理與汽車(chē)性能[M].北京：高等教育出版社，2004.