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整车发动机冷却系统性能计算研究

2022-11-10 来源:易榕旅网
客摇车摇技摇术摇与摇研摇究

摇摇摇摇摇摇第1期摇摇摇摇摇摇摇摇摇BUS&COACHTECHNOLOGYANDRESEARCH摇摇摇摇摇摇摇No.1摇2020

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整车发动机冷却系统性能计算研究

童摇元,漆摇杰,赵少锋,王摇文,李摇鹏

(安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心,合肥摇230601)

摘摇要:以某款车型的发动机冷却性能设计为例,通过理论计算与一维仿真分析得出几种冷却系统匹配方案,并进行实车实验验证。

关键词:发动机冷却系统;性能计算;一维仿真分析中图分类号:U464郾138摇摇摇摇摇文献标志码:A摇摇

文章编号:1006-3331(2020)01-0015-04

ResearchonPerformanceCalculationofVehicleEngineCoolingSystem

(TechnologyCenter,AnhuiJianghuaiAutomobileCo.,Ltd.,Hefei230601,China)

TONGYuan,QIJie,ZHAOShaofeng,WANGWen,LIPeng

Abstract:Takingtheenginecoolingperformancedesignofatypeofvehicleasanexample,severaltypesofthecoolingsystemmatchingschemeareobtainedthroughtheoreticalcalculationandone-dimensionalsimu鄄lationanalysis,whichareverifiedbytherealvehicletest.

Keywords:enginecoolingsystem;performancecalculation;one-dimensionalsimulationanalysis摇摇现代汽车发动机大多采用强制循环式水冷系统[1]。本文阐述某款车型发动机冷却系统匹配设计过程,通过理论计算分析和一维CFD仿真分别得出冷却系统散热量、冷却空气流量和冷却水流量,并开展整车风洞实验对整车热平衡性能进行验证。

总功率,包括发动机功率Ne1、空调功率Ne2、变速器功率Ne3等,该车型总功率为45郾2kW,其中发动机功率35郾2kW。

为40郾2kW。将上述数据代入式(1)计算得出Qw为

1郾2摇冷却系统空气流量Ga分析及计算带走的热量相等[5],故有:

根据能量守恒定律,冷却液中包含的热量与空气

111öç÷++驻T=QwæKA2GC2GCèRwwapø

(2)

1摇理论计算分析

1郾1摇发动机散热量Qw计算

汽车发动机冷却系统在设计初期需要考虑发动机在极限工况能否散去发动机产生的热量[2-3],并且需要考虑当地市场制定整车的热平衡设计工况。该车主要考核工况为环境温度35益,60km/h车速爬8%坡,发动机需用温度上限110益。设计初期需预估冷却系统的散热量Qw,受许多复杂因素的影响,很难精确计算,常用传统的经验公式进行估算[4]:

Qw=浊1伊ge伊Ne伊hu/3600

(1)

式中:KR为散热器散热系数,很难通过计算获得精确值,可以通过标定近似得出[6],该车型匹配的不同散热器的值见表1;A为散热器散热面积,值见表1;驻T为液气温差值;Gw为冷却水流量,后面通过一维仿真计算得出;Cw为冷却水比热,可近似取值3郾561kJ/kg·益;Ga为冷却空气流量,通过下一节计算得出;Cp为空气定压比热,取1郾047kJ/kg·益。

式(2)中,驻T=(tw1-ta1),其中,tw1为发动机许用

式中:浊1为传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比,需通过发动机热耗比曲线得出,该车型为22%;ge为燃油消耗率,通过发动机台架试验得出该车型为0郾295kg/kWh;hu为燃料低热值,对汽油机取43100kJ/kg,柴油机取41870kJ/kg,该车为汽油机;Ne为

温度上限,本车型要求tw1臆110益;ta1为散热器前的温度值,根据经验,空气通过空调冷凝器后相对于环境温度35益约上升15~20益,本车型ta1取60益,驻T为本文需要计算的值。

作者简介:童摇元(1989—),男,工程师;主要从事乘用车冷却系统设计开发工作。

16客摇车摇技摇术摇与摇研摇究摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇2020年2月

根据式(2)描述,需先得出G式(2)计算出驻T值。在得出驻T后a、,G即可知道冷却系w的值,再通过

统最终水温值t要求。以下确定空气流量w1,若该值臆110G益,则冷却性能满足根据前面Qa。

个风扇进行匹配w的计算结果,选取4个散热器与1

,散热器芯厚分别为16mm、18mm、184个散热器的散热系数与散热器面积

mm加密、21mm。通过台架试验与计算分别得出[7]

见表1。

表1摇散热器性能参数

不同型号散热器

散热系数KR总散热面积厚度/mm16/18/18加密/21

(kJ/m2

·s·益/

A/m

2

0郾18/0郾2/0郾19/0郾)

19

6郾8/7郾8/8郾5/8郾9

式(2)中的Ga为车辆行驶时通过散热器的自然

进风量G1)自然进风量a1与风扇风量GGa2的和[8]。风量为:

a1的计算。车辆行驶时的自然进

Ga1:S=SR伊PR伊Vi伊浊2伊,ra

式中R为散热器正面迎风面积

[9]

器均为0郾24m2匹配的4个散热

(3)

到散热器上的面积与散热器正面面积的比值;PR为迎风系数,即格栅进风正投影,本车型为30%;Vi为当前工况下的车速,取60km/h;浊取值范围0郾15~0郾3,本车型为0郾2;2为损失修正系数,ra为空气密度,本工况空气密度为1郾146kg/m3由于4个散热器正面迎风面积一致,经式。(3)计

算,其自然进风量Ga1均为0郾275kg/s。

空气流量可结合部件台架试验与计算预估确定2)冷却空气流量Ga的确定。整车发动机的冷却

。该车型的风扇为吸风式,风扇前有空调冷凝器与发动机散热器,需通过台架测试出空调冷凝器与发动机散热器的风压差-风量关系曲线,风扇在整车上的风压差总值可近似等于发动机散热器与空调冷凝器的风压差之和。由此测试出散热器与空调冷凝器的总风压差-风量数据,另通过风扇台架试验测试出风扇风压差-风量数据,将两组数据在同一坐标系中绘制曲线,由此在两条曲线中找到同一横坐标值下的纵坐标之差为GGa1两点的纵坐标值,即分别为某车速下对应的空调冷凝器与风扇的风压差a值和Ga2值[10]。图1所示为-风量台架试验曲线以及16mm厚的散热器、60km/h车速Ga1所对应的Ga点、Ga2点位置。

图1摇16mm散热器风扇风量、风压差曲线

在两条曲线上各存在一点,这两点的总风压差一

致,而风量相差为G1郾075kg/s,即匹配厚度为a1。图161mm中的散热器对应的G、a值为为60km/h时的冷却空气流量。用同样的方法可得出车速V

车速V为60km/h时,匹配厚度为18mm、18mm加密、21mm散热器时的G0郾975kg/s、1郾015kg/s。

a值分别为1郾045kg/s、

气流3)量风扇风量GGa2与风扇效率校核。在得出冷却空

匹配厚度为16mm、18值分别为mm、18a值后,可算出风扇0郾mm8kg加密与/s、0郾7721kgmm/s、0郾散热器的风扇风量7kg/s、0郾74kg/s,G其a2

所对应的风压差分别为140Pa、148Pa、183Pa、167Pa,处于风扇效率曲线的上升段峰值附近需要校核其效率。如图2所示,风扇的工况点应,如果处在下降段,需要根据实际情况调整风扇扇叶形状,以匹配整车实际风压差。

图2摇风扇风压差效率曲线图

图2中A、B、C、D分别为车速V为60km/h时对应匹配厚度为16mm、18mm、21mm与18mm加密散热器的风扇风压差效率曲线,可以看出,除了18mm均在上升段加密厚度散热器的风扇处在效率下降区间,故要满足热平衡的条件,不推荐18,其他mm加密的散热器。

式(2)中的G况下通过散热器的水流量w冷却水流量是指在相应考核工

,该数值与散热器、发动机水泵等零部件的性能相关。下面通过Flowmas鄄ter仿真分析软件对上述匹配不同散热器。

的水流量Gw进行摇第1期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇童摇元,漆摇杰,赵少锋,等:整车发动机冷却系统性能计算研究17

2摇水流量FlowmasterGw的一维仿真及验证

算工具,其具有强大的热流体系统仿真的功能是全球领先的一维流体系统仿真计

,通过该软件可以较精准地模拟出冷却系统水流量分布情况,大大减少试验测量的工作量,为系统开发提供有力的支持。

2郾1摇计算模型及边界条件

本次计算中将冷却系统的主要部件定义为压损元件,同时将水套、散热器等定义为换热元件[11]件的数据均来自台架试验结果。计算类型为稳态热传,换热元计算[12]泵状态与整车工况点下的发动机转速相匹配,根据发动机原理建立分析模型。计算中的水,根据上述软件分析可以模拟出散热器支路的水流量G该车型冷却系统原理如图3所示,散热器从缸盖

w。

取水,回水至水泵前端,暖风从缸盖取水,回水至水泵前端,DCT油冷器从缸盖取水,回水至暖风支路。依据冷却系统原理建立冷却系统的一维仿真计算模型,如图4所示。

图3摇冷却系统原理图

图4摇Flowmaster一维仿真模型及流量分析结果

计算边界主要包括4部分:发动机水泵性能,水泵的数据来自水泵厂家,水泵与发动机转速比为

1郾果38;;节温器流阻数据采用其专用的三维发动机水套阻尼,采用单独的水套CFDCFD分析结分析结果,散热器阻尼数据根据台架试验获得;管路尺寸,管路的长度和直径通过三维模型获得。2郾2摇水流量Gw一维仿真结果

计算中冷却液为50%水与乙二醇混合液,大气

压力为1郾013bar.计算类型为稳态热传计算。计算工况为发动机转速3271r/min,节温器全开,冷却系统进行大循环,对应水泵转速为4513r/min,对应的流量与扬程参数根据水泵性能曲线进行选取。以上模型与参数输入完成后,根据4个散热器方案的台架测试数据通过更改散热器的风阻、水阻等参数分别模拟出散热器支路的分析水流量,分析结果如图4所示,水流量见表2。

表2摇散热器水流量

不同型号散热器厚度/mm

分析水流量Gw16/18/18加密/21

1郾31/1郾42/1郾/30(kg/1郾·s-151

)2郾3摇水温值t通过以上理论计算及仿真分析w1的计算及实车验证

,利用式(2)可以

计算出该车型匹配不同散热器的驻T数值,见表3,再结合1郾2节的分析结果,可得出匹配不同散热器该工况下的发动机水温值,具体见表3。

表3摇发动机水温计算值

不同型号散热器

厚度/mm驻T/益ta1/益

计算水温tw1/益16/18/18加密/21

48郾42郾18/42郾/40郾16

/均为60

108郾102郾18/102郾/100郾16

/通过计算结果可知,4种散热器理论计算均满足

臆110小,有一定的风险益的水温限值要求。另根据图,但162风扇与散热器匹配效mm的散热器余量较率图可知,在散热器均满足水温限值的前提下不推荐

18mm综合上述分析结果加密散热器。

,在实车上通过更换散热器进

行对比实验,实验结果见表4。对比理论分析与实验可知,实验值与分析值的误差均在5%以内,且理论

分析可以准确地预测实验的趋势水平。综合对比上述结果,推荐该款车型匹配18mm散热器。

表4摇发动机水温实验值

不同型号散热器厚度/mm

水温tw1实验值/益16/18/18加密/21

112郾5/103郾8/104郾5/96郾2

18客摇车摇技摇术摇与摇研摇究摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇2020年2月

[6]刘善锷,陈煌熙,罗冲,等.基于电子风扇控制的混合动力

13-16.

3摇结束语

整车冷却性能在整车开发设计流程中有着非常

客车散热器面积计算[J].客车技术与研究,2012,34(2):

重要的地位。本文通过理论分析与推导,借助经典计算公式并结合一维分析软件对实车冷却方案的合理性做出了评估,提供了一种开发思路。最后通过实验验证了该理论方法的可行性。参考文献:

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收稿日期:2019-09-20

詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬

(上接第14页)

的频率相同或相近,造成共振。为了避开主要的激振源,要求整车骨架和内饰车身的低阶模态频率应处于3~127Hz之间。根据上述模态分析可知,整车骨架和内饰车身的低阶模态频率都处在3~127Hz之间,避开了外界和内部的主要激振源频率,不会引起共振。

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3摇结束语

通过建立整车模型,对整车骨架和内饰车身分别进行模态分析,得到车身结构容易受外界激励影响的频率范围,并与车身内外部激励进行研究对比,确认车身结构不会发生共振。参考文献:

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收稿日期:2019-09-09

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