某增壓車型冷卻系統(tǒng)分析與驗證

張應兵，王次安，王宏大，劉吉林

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某增壓車型冷卻系統(tǒng)分析與驗證

張應兵，王次安，王宏大，劉吉林

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

為了驗證冷卻系統(tǒng)仿真分析在整車冷卻系統(tǒng)開發(fā)中的意義，根據(jù)某增壓車型冷卻系統(tǒng)布置原理建立冷卻系統(tǒng)分析模型，基于水套CFD分析及冷卻系統(tǒng)一維模型確定各轉(zhuǎn)速工況下冷卻系統(tǒng)各支路流量分配情況，然后將分析結(jié)果與整車冷卻系統(tǒng)試驗進行對比，驗證分析的精度，確定冷卻系統(tǒng)分析在產(chǎn)品開發(fā)中的意義。

1D；冷卻系統(tǒng)；水套；CFD；試驗

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.11.038

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)11-103-03

前言

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的任務是使發(fā)動機得到適度的冷卻，從而保持在最適合的溫度范圍內(nèi)工作[1]，如果發(fā)動機冷卻能力不足，會導致發(fā)動機工作條件惡化，進而引起發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性全面變差[2]，近年來，高效、高增壓比的渦輪增壓器設計已成為增壓技術(shù)主要的發(fā)展方向[3]，但是增壓技術(shù)的應用在提高發(fā)動機動力性的同時，對冷卻系統(tǒng)也提出了更高的要求[4]，所以增壓發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的設計也就尤為重要，這也就需要尋找一種高效、準確的冷卻系統(tǒng)開發(fā)方法。

本文利用三維和一維聯(lián)合分析方法對某增壓車型冷卻系統(tǒng)進行建模分析，確定冷卻系統(tǒng)流量分配情況。然后進行整車冷卻系統(tǒng)試驗，與發(fā)動機臺架試驗相比，整車冷卻系統(tǒng)試驗流量數(shù)據(jù)更接近實際狀態(tài)，根據(jù)仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比判斷仿真精度，驗證冷卻系統(tǒng)仿真分析在整車冷卻系統(tǒng)開發(fā)中的意義。

1、發(fā)動機水套CFD分析

圖1　冷卻系統(tǒng)仿真分析流程

整車冷卻系統(tǒng)分析流程如圖1所示，冷卻系統(tǒng)1D建模主要邊界包括管路尺寸、水套流阻特性、各部件流阻特性和水泵性能，建立冷卻系統(tǒng)1D分析模型計算確定系統(tǒng)流量分配和壓力分布情況。

首先確定水套流阻特性，水套流阻數(shù)據(jù)一般通過水套CFD分析獲得，首先對該增壓發(fā)動機水套的CAD模型進行前處理，并進行面網(wǎng)格的劃分，然后將面網(wǎng)格以中間格式導入流體分析軟件中，進行流體網(wǎng)格的劃分，為了保證計算收斂性及計算精度，需要對模型關鍵位置進行細化。然后進行分析設置，分析模型介質(zhì)為乙二醇溶液，冷卻液為不可壓縮穩(wěn)態(tài)湍流流動，采用復合壁函數(shù)來處理接觸壁面[5]，湍流模型采用穩(wěn)定性較好的k-ε模型，k-ε模型可以通過以下兩個方程來描述，即：

對水套模型設置不同的流量進出口邊界，通過計算確定不同流量下水套各出口對應的流阻數(shù)據(jù)，圖2為水套壓強分布圖，圖中對水套進出口進行標注，從圖中可以看出水套散熱器出水口為整個水套壓力最低位置，水套壓力分布過渡均勻，壓力分布正常。各流量邊界下水套暖風支路和散熱器支路流阻特性曲線如圖3所示。

圖2　水套壓強分布云圖

圖3　發(fā)動機水套流阻特性曲線

2、冷卻系統(tǒng)一維分析

該增壓車型冷卻系統(tǒng)原理圖如圖4所示，根據(jù)系統(tǒng)原理圖知該增壓車型冷卻系統(tǒng)包括高溫循環(huán)回路和低溫循環(huán)回路，兩回路冷卻液通過膨脹水壺連接流動。

圖4　冷卻系統(tǒng)設計原理圖

冷卻系統(tǒng)各主要部件流阻特性曲線如圖5所示，該數(shù)據(jù)根據(jù)零部件單體試驗測試獲得，水泵性能數(shù)據(jù)如圖6所示，該水泵性能MAP圖根據(jù)試驗測試機數(shù)據(jù)差值獲得，通過MAP圖對水泵性能數(shù)據(jù)進行處理可以更準確的反應水泵真實性能。

根據(jù)冷卻系統(tǒng)設計原理圖和各邊界條件進行冷卻系統(tǒng)一維分析模型的建模，分析模型如圖7所示，圖中對冷卻系統(tǒng)各主要部件進行標注。

圖5　各主要部件流阻特性

圖6　發(fā)動機水泵特性

圖7　整車冷卻系統(tǒng)分析模型

冷卻系統(tǒng)計算工況點為發(fā)動機轉(zhuǎn)速1500rpm、2000rpm、2500rpm、3000rpm、3500rpm、4000rpm、4500rpm和5000rpm，共8個工況點，表1為發(fā)動機轉(zhuǎn)速5000rpm工況下系統(tǒng)流量分配情況，系統(tǒng)各支路流量分配正常。其他各轉(zhuǎn)速流量變化情況如圖10所示。

表1　冷卻系統(tǒng)各支路的流量分配

3、整車冷卻系統(tǒng)試驗

為驗證冷卻系統(tǒng)仿真分析的精確度，進行整車冷卻系統(tǒng)試驗，整車冷卻系統(tǒng)各傳感器布置方式如圖8所示， 由圖可知各傳感器與冷卻系統(tǒng)各支路連接方式。實車中水流量傳感器布置方式如圖9所示，為方便傳感器與系統(tǒng)連接，增加部分管路長度，為降低增加管路對系統(tǒng)流阻的影響，要求增加的管路直徑比原管徑大，并且管路接頭過渡平緩。

圖10　分結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比

分別控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速為以上8個工況點，進行整車冷卻系統(tǒng)試驗，測量并記錄各傳感器試驗數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理，并將試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進行對比，判斷仿真分析的精確度，具體對比結(jié)果如圖10所示。

根據(jù)對比結(jié)果可知，冷卻系統(tǒng)分析結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)符合較好，個別工況下試驗數(shù)據(jù)存在波動，與分析結(jié)果存在一定偏差，但兩結(jié)果整體符合較好，且大部分工況點下偏差小于10%，說明仿真分析的精度較高。

4、結(jié)論

為驗證冷卻系統(tǒng)仿真分析在整車冷卻系統(tǒng)開發(fā)過程中的精確度，選取某冷卻系統(tǒng)較復雜的增壓車型進行冷卻系統(tǒng)建模分析，并進行整車水流量測試試驗，將分析結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進行對比，根據(jù)對比結(jié)果知除個別試驗數(shù)據(jù)波動點外，仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)符合較好，兩結(jié)果偏差小于10%，說明冷卻系統(tǒng)仿真具有較高的精確度，可以為冷卻系統(tǒng)開發(fā)提供支持，提高產(chǎn)品開發(fā)效率。

[1]劉艷莉等.汽車構(gòu)造與使用[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[2]馮貝貝,張少華等.增壓直噴汽油發(fā)動機冷卻系統(tǒng)優(yōu)化的研究[J].內(nèi)燃機,2013,（2）21-25.

[3]張揚軍,張樹勇，徐建中.內(nèi)燃機流動熱力學與渦輪增壓技術(shù)研究. [J].內(nèi)燃機學報，2008，26（增刊）：90-95.

[4]胡群,韓同群,張云鵬. [J].湖北汽車工業(yè)學院學報.2008. （22）:18-22.

[5]AVL fire user's guide version 3.3[R]. AVL LISTGmbH，2000.

Analysis and Test of Cooling System for Turbocharged Vehicle

Zhang Yingbing, Wang Cian, Wang Hongda, Liu Jilin
( Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In order to verify the importance of cooling system simulation, the cooling system model of turbocharged vehicle is built basing on arrangement principle of cooling system. The coolant flow rate of different branches can be got based on CFD and 1D simulation model. Then simulation results can be compared with test data. And the accuracy of simulation can be verified according to test.

1D; Cooling system; Water jacket; CFD; Test

U467.3

A

1671-7988(2016)09-103-03

張應兵（1979-），男，工程師，就職于江淮汽車技術(shù)中心發(fā)動機設計研究院，研究方向為發(fā)動機產(chǎn)品的設計開發(fā)。