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      某歐6柴油發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      2018-10-26 03:30:32
      汽車與新動(dòng)力 2018年5期
      關(guān)鍵詞:冷卻系統(tǒng)冷卻器元件

      (上汽集團(tuán)商用車技術(shù)中心,上海 200438)

      0 概述

      冷卻系統(tǒng)是保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要輔助系統(tǒng)之一。發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)按冷卻介質(zhì)的不同可分為水冷和風(fēng)冷兩大類。風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)是采用高速空氣流直接流過氣缸蓋和氣缸體的外表面,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷卻。水冷發(fā)動(dòng)機(jī)則是利用冷卻液吸收高溫零部件的熱量,然后經(jīng)過循環(huán)系統(tǒng),通過散熱器將熱量傳給空氣。在發(fā)動(dòng)機(jī)概念設(shè)計(jì)階段,需要對(duì)冷卻系統(tǒng)各元件處流量需求進(jìn)行初步定義,并確定冷卻系統(tǒng)方案。這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)處在最適宜的溫度范圍內(nèi)工作,以及設(shè)計(jì)最優(yōu)水泵排量有著重要意義。

      1 冷卻元件流量需求定義

      1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)性能及基本設(shè)計(jì)參數(shù)

      該發(fā)動(dòng)機(jī)以滿足歐6排放為目標(biāo),同時(shí)采用高、低壓廢氣再循環(huán)(EGR)形式,每缸四氣門,采用兩級(jí)增壓、雙頂置凸輪軸、帶液壓挺柱的滾子搖臂及閉式曲軸箱通風(fēng),配備水-空中冷、變排量油泵和高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)外特性見圖1。

      圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)外特性示意圖

      1.2 冷卻元件流量需求定義

      在冷卻系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)前,需根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo),結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)經(jīng)驗(yàn),根據(jù)基本熱力學(xué)理論對(duì)各冷卻元件流量需求進(jìn)行預(yù)估。

      柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒放熱在工作循環(huán)中轉(zhuǎn)化為以下幾個(gè)部分:柴油機(jī)有效功、排氣熱損失、傳入冷卻介質(zhì)的熱量、機(jī)油熱損失和其他熱損失[1]。柴油機(jī)的熱平衡方程為

      Qt=Qe+Qw+Qo+Qr+Qres

      (1)

      式中,Qt為燃料完全燃燒產(chǎn)生的熱量,Qe為轉(zhuǎn)化為有效功的熱量,Qw為傳入冷卻介質(zhì)的熱量,Qo為機(jī)油帶走的熱量,Qr為排氣帶走的熱量,Qres為余項(xiàng)損失。

      根據(jù)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,有用功約占燃油總發(fā)熱量的20%~40%,廢氣帶走的熱量約占35%~45%,冷卻水帶走的熱量(包括機(jī)體缸蓋散熱、機(jī)油冷卻器散熱、中冷器散熱)約占15%~25%,余項(xiàng)損失約占2%~10%。對(duì)于額定工況,有用功占38%,排氣散熱約占38%,冷卻水帶走熱量約占21%,余項(xiàng)損失約占3%[2]。

      由于該發(fā)動(dòng)機(jī)水冷式中冷器計(jì)劃應(yīng)用于單獨(dú)的冷卻循環(huán)中,采用獨(dú)立的散熱器及電子水泵,因此傳入發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻循環(huán)的熱量不包含此部分。根據(jù)熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)經(jīng)驗(yàn),基于目標(biāo)額定功率(P0)預(yù)設(shè)部分冷卻元件冷卻需求為:發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體冷卻需求(εengine)為50%P0;發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、缸蓋總冷卻需求(εhead)為60%εengine;機(jī)體冷卻需求(εblock)為40%εengine;機(jī)油冷卻器冷卻需求(εoil)為10%P0。

      對(duì)于高低壓廢氣再循環(huán)(EGR)冷卻器目標(biāo)冷卻需求,參照了同排量對(duì)標(biāo)機(jī)型最大EGR率相關(guān)參數(shù),如表1所示。

      表1對(duì)標(biāo)機(jī)型EGR冷卻器氣側(cè)參數(shù)

      項(xiàng)目高壓EGR低壓EGR氣側(cè)流量/(kg·h-1)37.164.9氣側(cè)壓力/(mbar①)11.772.35進(jìn)氣溫度/℃685.4589.5出氣溫度/℃135.4106.0

      ①為了符合作者本意,本文仍沿用部分非法定單位——編注。

      參考表1中數(shù)據(jù),結(jié)合冷卻器供應(yīng)商經(jīng)驗(yàn)換熱效率(η)范圍一般為90%~96%,根據(jù)公式(2)

      (2)

      式中,Q為換熱率,Cgas為氣體比熱,M為質(zhì)量流量,Tin、Tout分別為氣側(cè)進(jìn)、出口溫度。預(yù)估高、低壓EGR冷卻器冷卻需求分別為6.5 kW和10.0 kW。

      對(duì)于散熱器散熱需求,冷卻需求總和預(yù)設(shè)散熱器熱量為110 kW[3]。

      考慮到各冷卻元件的換熱需求,根據(jù)公式(2)并結(jié)合供應(yīng)商提供相關(guān)零件的性能參數(shù),定義各元件目標(biāo)冷卻液流量。對(duì)于目標(biāo)流量評(píng)價(jià)點(diǎn)轉(zhuǎn)速、機(jī)體、缸蓋、機(jī)油冷卻器、散熱器設(shè)定的最大功率時(shí)轉(zhuǎn)速為3 600 r/min。對(duì)于EGR冷卻器,高低壓EGR冷卻器分別定義在各自EGR率的最大工況點(diǎn),對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別為3 000 r/min和2 400 r/min。暖風(fēng)流量需求由整車熱管理提出。最終各元件流量需求如表2所示。

      表2 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻循環(huán)冷卻各元件流量目標(biāo)

      2 冷卻系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

      2.1 設(shè)計(jì)各方案

      發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)為保證車輛有更好的冷起動(dòng)性能,采用機(jī)體和缸蓋分流冷卻形式,該冷卻形式需額外采用一個(gè)機(jī)體節(jié)溫器?;谀壳盃顟B(tài),設(shè)計(jì)了幾種冷卻方案,如圖2所示。

      圖2 各設(shè)計(jì)方案圖

      2.2 各冷卻方案一維對(duì)比分析

      為選擇最優(yōu)的冷卻方案,使用軟件為GT-Cool,采用一維CAE方式對(duì)各冷卻系統(tǒng)方案進(jìn)行評(píng)估。

      對(duì)4個(gè)方案大循環(huán)狀態(tài)及小循環(huán)機(jī)體節(jié)溫器關(guān)閉狀態(tài),整個(gè)系統(tǒng)的壓力和各自在轉(zhuǎn)速3 600 r/min評(píng)價(jià)點(diǎn)的流量分布進(jìn)行對(duì)比。

      分析時(shí)水泵用定流量水源等效,首先需根據(jù)公式(3)預(yù)估整個(gè)系統(tǒng)的冷卻水循環(huán)量Vw

      (3)

      式中,Δtw為冷卻水在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)內(nèi)的允許溫升,取6~12 ℃;rw為水的比重;cw為水的比熱。

      按照散熱器散熱量為110 kW,根據(jù)式(3)計(jì)算得出節(jié)溫器全開大循環(huán)工況冷卻水循環(huán)量約為260 L/min,小循環(huán)工況按經(jīng)驗(yàn)減半為130 L/min,以此作為冷卻系統(tǒng)水源輸入帶入各模型。對(duì)于各元件流阻特性,機(jī)體和缸蓋采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)分析方法計(jì)算水套流阻,機(jī)油冷卻器、高低壓EGR冷卻器、暖風(fēng)、散熱器等則采用零件供應(yīng)商提供的性能參數(shù)。對(duì)于管路幾何尺寸,結(jié)合實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)布置情況預(yù)估設(shè)置,直徑根據(jù)4 m/s的流速限值結(jié)合零件接口尺寸定義。

      4種方案在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 600 r/min時(shí),部分元件流量分析結(jié)果,如表3所示。

      可以看出,在大循環(huán)全開工況下,方案3和方案4整個(gè)冷卻系統(tǒng)壓降水平最小,且方案3在小循環(huán)機(jī)體節(jié)溫器關(guān)閉工況時(shí),冷卻元件流量裕度更高,更易進(jìn)行管路及水泵的優(yōu)化,因此選擇方案3作為冷卻系統(tǒng)初步的設(shè)計(jì)方案。

      表3 定流量輸入下在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 600 r/min時(shí)各方案壓降及流量分布結(jié)果

      2.3 水泵排量及管路直徑定義

      經(jīng)對(duì)比分析采用方案3作為冷卻系統(tǒng)布置形式,但具體水泵排量及管路尺寸需進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算后方可定義。根據(jù)其定流量水源輸入的計(jì)算結(jié)果可知,大循環(huán)全開狀態(tài)下冷卻系統(tǒng)水流量為260 L/min,系統(tǒng)壓降為0.18 MPa,結(jié)合離心式水泵軸功率計(jì)算公式(4)

      (4)

      式中,H為泵的揚(yáng)程;Q為泵的額定流量;ρ為介質(zhì)密度;η為泵額定工況下的效率(η=ηm·ηh·ηv,其中ηm為機(jī)械效率;ηh為水力效率;ηv為容積效率);P為泵的軸功率。水泵優(yōu)化流量范圍為200~320 L/min(0.15 MPa)。泵的初始優(yōu)化性能如表4所示。

      表4 水泵初始優(yōu)化性能定義

      軟件可據(jù)此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(5)初步得出水泵部分的流量和揚(yáng)程

      (5)

      由于計(jì)算結(jié)果中,各零件水流量均高于目標(biāo)值,且各元件處流量相對(duì)于目標(biāo)值的富裕量差異較大,因此在優(yōu)化減小泵排量的同時(shí)可同步優(yōu)化散熱器、機(jī)油冷卻器、高低壓EGR冷卻器所在管路的直徑,范圍在初步方案基礎(chǔ)上適量變動(dòng),優(yōu)化邊界為各元件目標(biāo)流量限值。由于變量較多,采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)方法[4]通過軟件實(shí)現(xiàn),優(yōu)化變量如表5所示,分別計(jì)算在轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、2 400 r/min、3 000 r/min和3 600 r/min下的流量分布結(jié)果,共67 500個(gè)計(jì)算結(jié)果。因變量選取除各元件處流量外還應(yīng)考慮水泵總功率,DOE篩選條件按表2定義。

      通過計(jì)算結(jié)果可知,水泵的額定排量對(duì)水泵總功率影響最為顯著,根據(jù)水泵總功耗最小這一原則篩選出的最優(yōu)結(jié)果,水泵額定排量為235 L/min,各管路直徑也依照該結(jié)果定義。

      根據(jù)重新定義后的水泵性能及管路直徑參數(shù)重新設(shè)置模型,計(jì)算出評(píng)價(jià)點(diǎn)流量滿足目標(biāo)值。

      表5 DOE優(yōu)化變量

      3 試驗(yàn)驗(yàn)證

      3.1 冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架

      發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行冷卻系統(tǒng)試驗(yàn),試驗(yàn)采用AVL自動(dòng)化控制試驗(yàn)臺(tái),主要相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備及儀器名稱如表6所示,相關(guān)傳感器布置如圖3所示。

      表6 主要試驗(yàn)儀器及設(shè)備

      圖3 傳感器布置位置示意圖

      試驗(yàn)中,主油道、油冷器前后及油底殼分別裝有一個(gè)K型熱電偶溫度傳感器,以監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)是否正常工作。

      3.2 試驗(yàn)結(jié)果

      試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況良好,冷卻及潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度都在正常范圍內(nèi)。將試驗(yàn)測(cè)得的外特性最大功率時(shí),在3 600 r/min轉(zhuǎn)速下各處流量分布與CAE計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,吻合良好,試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表7。

      表7 試驗(yàn)與一維分析結(jié)果對(duì)比

      試驗(yàn)測(cè)得其他評(píng)價(jià)點(diǎn)水流量如表8所示,可見流量分布滿足計(jì)算要求,且發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行無異常,冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。

      表8 各評(píng)價(jià)點(diǎn)流量試驗(yàn)結(jié)果

      4 結(jié)論

      在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)前期設(shè)計(jì)階段,一維CAE方法可以很好地進(jìn)行方案篩選,結(jié)合DOE方法進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的定義,大大減少了設(shè)計(jì)及試驗(yàn)成本。

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