整車熱管理系統(tǒng)研究

1、整車熱管理系統(tǒng)研究同濟大學汽車學院倪計民 博士、教授* 整車熱管理 車輛熱管理系統(tǒng)(VTMS, Vehicle Thermal Management System) - 整車的流場研究。主要研究發(fā)動機艙的冷卻系統(tǒng)和駕駛室（車廂）的人員環(huán)境的舒適性。 發(fā)動機熱管理系統(tǒng)（ETMS, Engine Thermal Management System) 主要是以冷卻介質(zhì)流動為基礎，研究在提高發(fā)動機的冷卻能力的同時，保持發(fā)動機良好的動力性、經(jīng)濟性、排放性能和可靠性。 同時還涉及到發(fā)動機冷卻系統(tǒng)零部件的設計。 * 與熱管理相關的車輛子系統(tǒng)* 汽車熱管理開發(fā)過程* 熱管理模擬的各個部分* 目前在用軟件Kul

2、i：特點：- 整車和發(fā)動機開發(fā)中心開發(fā)的軟件，實用- 整體考慮整車、發(fā)動機、冷卻系統(tǒng)（散熱器、熱交換器、 風扇）零部件，可以在熱管理平臺上優(yōu)化各系統(tǒng)和零部件- 技術支持：Magna中國技術中心 同濟大學Flowmaster：特點：- 通用性強，尤其是在管路計算方面- 對于整車、發(fā)動機、零部件整合不理想- 汽車、內(nèi)燃機專業(yè)人員支持力量不夠* Kuli軟件的功能群* Kuli軟件功能和參數(shù)（發(fā)動機艙）* 軟件的應用實例 整車廠發(fā)動機廠零部件廠整車熱管理平臺開發(fā)和研究* 整車熱管理所涉及的專業(yè)和部門* 熱管理不同的冷卻系統(tǒng)模型（參數(shù)和邊界條件） 整車設計1） 冷卻空氣側(cè)建模（1）空氣側(cè)模型* 乘用車

3、冷卻空氣流動模型* 冷卻空氣外流場參數(shù)定義和測量* 雙隔柵冷卻空氣外流場參數(shù)定義和測量* 空氣側(cè)的流動模型（可能布置方式） * 冷卻空氣流動模型* 冷卻空氣側(cè)計算網(wǎng)絡* 一款柴油機轎車空氣側(cè)模型* Audi A8 V8 TDI空氣側(cè)冷卻系統(tǒng)示意圖 * 空氣側(cè)和傳熱模型（2）數(shù)據(jù)測量（試驗臺）* 結(jié)構阻力曲線測量試驗臺* 結(jié)構阻力特征線測量數(shù)據(jù)模式* 面積阻力的阻力特性曲線* BorgWarner 冷卻系統(tǒng)公司LKW試驗臺* BorgWarner 冷卻系統(tǒng)公司LKW試驗臺2） 帶乘員室環(huán)境舒適性的空氣側(cè)模型* 帶乘員室空氣調(diào)節(jié)的空氣流網(wǎng)絡* 總模型* 應用于PKW的模擬計算模型* 空氣流通通道示

4、意圖* 帶通風的空氣對流模擬計算模型* 車身模型* 帶和不帶車廂加熱的冷卻循環(huán)壓力損失* 帶發(fā)動機的加熱循環(huán)* 帶前、后Modul的冷卻介質(zhì)循環(huán)* PTC運行特征和模擬計算模型* 熱氣運行模擬計算模型（HGC）* 熱泵循環(huán)模擬計算模型3）帶空調(diào)的空氣側(cè)模型在PKW中，空調(diào)對舒適性有很大影響，* 空調(diào)循環(huán)示意圖* 空調(diào)循環(huán)過程* 空調(diào)和車輛冷卻模型* 冷卻系統(tǒng)和空調(diào)的模擬計算模型* 空調(diào)系統(tǒng)模型2. 冷卻零部件1）散熱器（水箱） 熱功率特性曲線（Nesselt數(shù)與Reynold數(shù)和Prandt數(shù)之間的關系）* 散熱器工作點與車輛運行工況點的對應關系（由此可以進行散熱器工況點優(yōu)化） 2）風扇特性曲

5、線* 測量的和無量綱化阻力特性曲線* 冷卻水泵和風扇在全耦合時對油耗的影響* 風扇特性測量試驗臺在PKW和LKW中，風扇的耗能是不一樣的，PKW可以忽略，但是在LKW中需要特別重視。* 風扇試驗臺和數(shù)據(jù)處理* 風扇運行工況點確定* 考慮通過風扇功率變化適應發(fā)動機運行工況點變動的模擬計算模型* 粘性風扇 * 風扇接合控制策略* 風扇接合控制策略* 耦合器的結(jié)合和脫離轉(zhuǎn)速* 粘性耦合器的結(jié)合特性* 粘性耦合器和風扇扭矩特性場* 壓力與空氣流關系* 風扇功率與流率的關系圖4 風扇與流率的關系* 無量綱的風扇性能* 不同風扇的風扇功率和散熱器性能 * 發(fā)電機效率特性場（高級車專用）* 發(fā)電機集成到模擬

6、計算模型中3. 發(fā)動機熱流* 發(fā)動機散熱分析* 發(fā)動機冷卻介質(zhì)循環(huán) * 所應用的發(fā)動機熱模型示意圖* 用冷卻水冷卻增壓空氣的NT冷卻系統(tǒng)1）穩(wěn)態(tài)（1） 模型* 早期用Flowmaster 軟件的模擬模型* 穩(wěn)態(tài)工況商用車冷卻系統(tǒng)模擬計算模型* 冷卻介質(zhì)內(nèi)循環(huán)模型* 穩(wěn)態(tài)模擬計算時的液態(tài)循環(huán)* 流體循環(huán)* 模型和數(shù)據(jù)輸入格式* 發(fā)動機傳熱特性場，按照汽車特性場來確定（2）穩(wěn)態(tài)試驗2） 動態(tài)模型（1）質(zhì)量模型* 按照最高車速（250km/h）設計冷卻系統(tǒng)時，在低速全負荷加速時出現(xiàn)短暫的冷卻能力不足狀態(tài)：通過無級變速箱使得發(fā)動機在優(yōu)化的功率范圍內(nèi)加速 * 2-質(zhì)量發(fā)動機模型* 4-質(zhì)量模型* 發(fā)動機

7、模擬計算模型* 發(fā)動機模擬計算模型* 發(fā)動機5質(zhì)量熱流模型* 瞬態(tài)模型* 瞬態(tài)模擬模型（1.PM、2.PM（Punktmasse）為質(zhì)量）3） 動態(tài)試驗* 動態(tài)試驗* 汽車熱管理瞬態(tài)模擬圖* 車輛瞬態(tài)模擬框圖* 行駛模擬* 穩(wěn)態(tài)工況和動態(tài)工況計算4） 動態(tài)模型驗證所有動態(tài)模擬計算都需要試驗支持* 基本標定的散熱特性（測量和模擬計算）* 在突然爬坡14.5%，車速66km/h時溫度上升變化情況* 驗證循環(huán)加速和剎車，120km/h 后等速行駛* 在負荷跳躍式交變時的冷卻水溫度變化過程4. 優(yōu)化匹配計算分析* 不同的冷卻系統(tǒng)方案優(yōu)化* 不同的冷卻系統(tǒng)方案優(yōu)化* 參數(shù)變化優(yōu)化 使用不同的參數(shù)會導致不

8、同的結(jié)果，KULI最大的優(yōu)勢是能夠輕易地改變一些實際測試中不易改變的條件，從而進行多樣性的試驗，而無須更大成本的投入，而能進行優(yōu)化設計。 尤其是能發(fā)現(xiàn)熱系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)，并且能實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化。環(huán)境溫度環(huán)境溫度 注釋發(fā)動機出水溫度 20較低環(huán)境溫度69.1630本次模擬78.2440較高環(huán)境溫度88.31 基于模擬條件的變化行駛速度車速 km/h注釋發(fā)動機出水溫度 10低速行駛78.5130本次模擬78.2450高速行駛77.73 基于元件參數(shù)的變化（阻力和散熱器）1. BiR文件注釋 pa at 1m3/s發(fā)動機出水溫度 ExTRUCK30.ewp=3076.22ExTRUCK40.ewp

9、=4078.24ExTRUCK50.ewp=5080.32ExTRUCK60.ewp=6082.12ExTRUCK70.ewp=7083.841.RAD高度 mm注釋發(fā)動機出水溫度700減小高度79.48800原高度78.24 基于元件參數(shù)的變化（風扇）1.MFan 風扇直徑 mm注釋發(fā)動機出水溫度500減小直徑93.12 600原直徑78.24 Fan 風扇 轉(zhuǎn)速在發(fā)動機2000r/min下的風扇 r/min 注釋發(fā)動機出水溫度 2400低傳動比79.842500原傳動比78.24 2600高傳動比77.29 基于工況點的變化發(fā)動機熱量散熱量 kw注釋發(fā)動機出水溫度 110低散熱量74.53

10、120原散熱量78.24 130高散熱量82.22 2D Flow char. curve內(nèi)部流量 l/min注釋發(fā)動機出水溫度 180小水泵79.56200原水泵78.24220大水泵77.38運行工況冷卻水最高溫度進氣最高溫度潤滑油最高人口溫度爬坡+掛車30km/h30120Tu+25=5550*部分負荷180km/h 50120Tu+25=75180最高車速230km/h 50120Tu+25=753300* 建立平臺后，可以從一個車型另一個車型：PKW-SUV* PKW試驗邊界條件模擬參數(shù)爬坡+掛車部分負荷最高車速環(huán)境溫度 305050車輛行駛速度 km/h30180230發(fā)動機轉(zhuǎn)速

11、r/min250033004200冷卻水循環(huán)冷卻功率 kW356080冷卻介質(zhì)流量5080120增壓空氣循環(huán)LL-流量 kg/h250400700介質(zhì)溫度 130150180ATF-潤滑油循環(huán)ATF流量 l/min71014ATF熱流 kW447* PKW基本模型的熱交換器布置* SUV試驗邊界條件模擬參數(shù)爬坡+掛車最高車速環(huán)境溫度 3050車輛行駛速度 km/h30180（*）發(fā)動機轉(zhuǎn)速 r/min3000（*）4200冷卻水循環(huán)冷卻功率 kW50（*）80冷卻介質(zhì)流量 kg/h70120增壓空氣循環(huán)LL-流量 kg/h360700介質(zhì)溫度 150180ATF-潤滑油循環(huán)ATF流量 l/mi

12、n1014ATF熱流 kW10（*）8（*）* SUV基本模型的熱交換器布置* 方案優(yōu)化* 方案優(yōu)化* 優(yōu)化計算（乘員室熱特性，電加熱，從室外-20開始）* 優(yōu)化設計（熱氣循環(huán)和熱泵驅(qū)動熱特性，從室外-20開始）* 10min和20min后乘員室的平均溫度* 不同車輛的油耗 * 不同裝置的附加油耗5. 與其它軟件和CFD的耦合* 0D-，1D和3D模擬工具* 與與3D CFD數(shù)據(jù)的連接數(shù)據(jù)的連接* 1D和3D計算過程的耦合* 風扇位置對冷卻器中冷卻水溫度的影響* 模擬軟件耦合研究具體內(nèi)容：（1）用Kuli軟件建立車型和發(fā)動機的熱管理計算模型（2）與整車及零部件企業(yè)建立合作關系，收集相關零部件的試驗數(shù)據(jù)（3）建立與熱管理計算和設計相關的發(fā)動機試驗系統(tǒng)、整車和零部件試驗系統(tǒng) 發(fā)動機試驗臺架的改建、制定試驗大綱、處理和分析試驗結(jié)果 整車空氣流動特性測量 零部件（冷卻器和風扇）試驗，通過與零部件企業(yè)合作獲得試驗數(shù)據(jù)（4）將試驗結(jié)果與計算結(jié)果（主要是關鍵點的溫度）進行對比，以檢驗模型的準確性（5）在與整車廠和零部件企