某重型車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的冷卻性能的優(yōu)化設計

1、MB型車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的冷卻性能的優(yōu)化設計*李文尚，龍芋宏，劉均亮，蔡杰（桂林電子科技大學機電工程學院，廣西桂林541004） 摘要：以某重型車發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)為研究對象，根據供應商提供的熱交換器的風洞實驗數(shù)據，運用KULI軟件對該重型 車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)模型進行優(yōu)化設計。重點研究在散熱器與中冷器不完全覆蓋的情況下，探討中冷器的安裝位置對整體 散熱性能的影響。結論是對于中冷器與散熱器的迎風面積不是全覆蓋的情況，中冷器芯子與散熱器芯子的安裝高度應盡 量一致，有助于提供散熱器的冷卻效果。該方法可為重型車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設計前期提供參考。關鍵詞：重型車；冷卻系統(tǒng)；KULI；優(yōu)化配置中國法分類號U463文

2、獻標志碼A1引言隨著重型車載重量的不斷提高，使得發(fā)動機轉速和功率也相應地提高。而作為車輛的重要組成部分 冷卻系統(tǒng)是保障發(fā)動機正常穩(wěn)定運轉的重要輔助系統(tǒng)之一。有數(shù)據顯示，燃油燃燒后產生的熱量分配大 約為：30%用于推動活塞做功，30%通過排氣散發(fā)掉，而30%的熱量需要通過冷卻系統(tǒng)散發(fā)掉。這就對發(fā) 動機的冷卻系統(tǒng)提出了更高的要求，要求冷卻系統(tǒng)能夠具有更好的散熱效果，使發(fā)動機在高功率下能夠 正常的運轉IE。而與此同時，現(xiàn)在很多汽車廠商在汽車設計過程中，為了保證駕駛室有足夠的空間而縮 小了發(fā)動機艙的空間。因此，在有限的發(fā)動機艙空間里，散熱條件惡劣的情況下，設計出既能保證有足 夠散熱能力和強度又能提高效

3、率降低能耗已成為冷卻系統(tǒng)未來發(fā)展的必然趨勢if。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的開發(fā)和實驗通常需要在風洞中做大量試驗，其理論設計涉及傳熱學和流體力學等 學科，計算量大，這無疑加大了發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的設計周期和昂貴的試驗費KULI軟件是由斯太爾工程 技術中心研發(fā)的汽車熱管理的設計和仿真的一維軟件。它系統(tǒng)地考慮零部件與零部件，零部件與系統(tǒng) 間的性能配置。運用KULI汽車熱管理一維軟件可以方便快速地設計出某個發(fā)動機冷卻系統(tǒng)模型，縮短 設計周期降低開發(fā)成本。本文利用該軟件對某重型車冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)化并與實驗數(shù)據對比，從而得到該 冷卻系統(tǒng)配置的優(yōu)化方案。2冷卻系統(tǒng)模型的建立本文是以某重載車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)為研究對象，該冷卻系

4、統(tǒng)主要采用閉式強制水冷循環(huán)的方式，主 要由冷卻水套、水泵、風扇、散熱器、進氣中冷器、節(jié)溫器、機油冷卻器以及循環(huán)管路等組成。2.1冷卻系統(tǒng)的散熱量Qw該重載車使用的發(fā)動機主要技術參數(shù)如表1所示：表1發(fā)動機主要技術參數(shù)Table 1: the main technical parameters of engine缽文受桂林市科學研究與技術開發(fā)研究項目（編號:20120102-1）.柳州市科學研究與技術開發(fā)研究項目（編號：2013H020401）和廣西制造系統(tǒng) 與先進制造技術重點實驗室主任課題（編號：桂科能11-031-12_009）資助。作者簡介：李文尚 （1988-），J男，江辦省鹽城市*人，碩

5、士研.生，研力-向I為y勺車動力學。Email: HYPERLINK mailto:281206398 281206398導師介紹：龍芋宏（1974-），女，湖南省岳陽市人，教授，研究方向為機械動力學。通訊地址：桂林電子科技大學機電工程學院，541004。發(fā)動機參數(shù)參數(shù)值進氣形式增壓中冷汽缸數(shù)6缸徑X行程（mm）120X130排量（L）8.8額定轉速/ - min-1 )2100額定功率（KW）275最大扭矩（N m）1550最大扭矩轉速”min-1）1300冷卻系統(tǒng)散出的熱量Q ，受許多復雜因素的影響，w很難精確計算，一般采用經驗公式估算7：Q =化 w 3600(1)式中：Qw為冷卻系統(tǒng)散

6、走的熱量，單位：KJ - s-1 ； k為發(fā)動機傳給冷卻系的熱量占燃料總熱量的 百分數(shù)；g為發(fā)動機燃料消耗率，單位：kg （kw-h）-1 ； %為發(fā)動機標定功率，單位：kw ； 為燃 料低熱值，單位：KJ.kg-1。上式中：k取0.2； g取0.32； h.取41870。求出冷卻系統(tǒng)散出的熱量Q為205KJ -s-1。2.2冷卻水的循環(huán)量w（2）WWW式中：、為冷卻水在發(fā)動機內循環(huán)是的容許溫升，對現(xiàn)代強制循環(huán)冷卻系，可取=612C； rw 為水的比重，取1000kg/m3； Cw為水的比熱，取4.187KJ/kg - C。求得冷卻水的循環(huán)量為380 Lmin。2.3冷卻系統(tǒng)模型建立根據該重型

7、車發(fā)動機艙結構形式，在KULI中建立進口壓降（KULI軟件中為CP閥）、格柵阻力、中 冷器、散熱器、機械風扇、內部壓降（KULI軟件中為內部阻力）以及出口壓降的仿真模型。其中中冷器、 散熱器以及風扇的性能特性由供應商提供。散熱量與循環(huán)水量由上面計算得出。建立的冷卻系統(tǒng)模型如 圖1和圖2所示。1.CF鞍熱H內邸3力出口壓睢圖1內循環(huán)回路Figure 1: the internal loop圖2外循環(huán)回路Figure 2: the external loop3模擬計算參數(shù)3.1模擬計算參數(shù)設定根據臺架模擬運行實驗數(shù)據和零部件模型參數(shù)設置，確定數(shù)字模型模擬計算參數(shù)，主要包括發(fā)動機 轉速、有效壓力均值

8、、模擬行駛車速、空氣濕度和壓力等。對發(fā)動機最大轉速、最大扭矩等三種工況進 行分析研究。如表2所示：表2模擬計算參數(shù)設定Table 2: the setting of simulating parameters工況工況1工況2工況3發(fā)動機轉速rpm130015002100有效壓力均值kPa145168158模擬車速km/h151515大氣壓力hPa101310131013環(huán)境溫度C353535空氣濕度%454545風扇轉速rpm130015002100空調狀態(tài)關閉關閉關閉散熱器內部流量率l/min208240380散熱器內部壓力bar222散熱器內部熱流量kW7791.5135中冷卻內部流量率k

9、g/s中冷卻內部壓力bar2.422.52.75中冷卻內部媒介溫度C144145.91653.2模擬計算結果通過KULI的仿真分析，得到以下主要結果數(shù)據，包括散熱器的進、出水溫度及進出水溫差、散熱 器的進、出水壓力及進出水壓差、中冷器的進、出氣溫度及進出氣溫差、中冷器的進、出氣壓力及進出 氣壓差。如表3所示：表3模擬計算結果Table 3: simulating results工況工況1工況2工況3發(fā)動機轉速rpm130015002100散熱器進水溫度C88.4597.8393.96散熱器出水溫度C85.1991.9387.46散熱器進出水溫差K3.265.906.5散熱器

10、進水壓力bar222散熱器出水壓差bar1.821.691.49散熱器進出水壓力差bar0.180.310.51中冷器進氣溫度C144.53145.90165.00中冷器出氣溫度C46.6348.0954.53中冷器進出氣溫差K97.9097.81106.47中冷器進氣壓力bar2.422.502.75中冷器出氣壓力bar2.392.472.68中冷器進出氣壓力差bar0.030.030.07從表3中可以看出，在最大扭矩工況（工況2）和額定轉速工況（工況3）下，散熱器出水溫度都保 持在85C95C以內，在發(fā)動機允許的溫度范圍內；中冷器出氣溫度（即發(fā)動機進氣溫度）保持在50C 左右，在發(fā)動機最佳

11、進氣范圍內。因此可以認為，在發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設計前期，運用KULI軟件和供應 商提供的性能參數(shù)可以初步確定發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的各參數(shù)。為發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的設計和匹配提供參考依 據。4冷卻系統(tǒng)優(yōu)化配置通過以上方法可指導發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設計者正確進行散熱器、中冷器以及風扇的選型和計算。但是 考慮到發(fā)動機功率的提高及發(fā)動機艙空間的縮小，有必要對冷卻系統(tǒng)整體布局進行優(yōu)化使其具有更好的 散熱能力。針對該重型車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中散熱器與中冷器的迎風面積不同，兩者不能完全重疊。根據流體力 學理論，冷卻空氣在散熱器和中冷器組件中流動時，在中冷器進口截面和散熱器出口截面之間的各個部 分壓力降都是相同的，所以冷卻空氣流過重疊

12、部分和非重疊部分的流速是不同的，流過重疊部分因阻力 大其流速較小，而流過非重疊部分因阻力小其流速較高。所以散熱器上水室冷卻水溫受到中冷器安裝位 置的影響8本文分別用KULI軟件仿真和理論計算的方法對中冷器位于散熱器上部、中部、下部這三種 情況展開研究。三種位置關系如圖3所示：Aw；以費器上水亳冷卻水溫“;散熱街下水室隆卻水詛5里西部分的交界處冷卻溫宣Q1 ；北王益部分觸皤散走的恩長2; Me部分*，空能走的熱昌兌】：三淫吾凈分骸熱器比冷卻冬力 必：更簽部分散痔器比;合卻白汕4 :中冷血口處冷卻空氣侶廈 A ;中冶脂出口處冷卻空蔑溟圖3中冷器的布置Figure 3: the layout of

13、intercooler4.1模型仿真根據上面設計出的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)，在KULI中建立該發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中冷器的三種不同布置的模 型，保持其他參數(shù)不變，只改變中冷器的位置參數(shù)。其位置參數(shù)如表4：表4：各部件位置參數(shù)Table 4: the location parameters of parts參數(shù)中冷器下置中冷器中置中冷器上置坐標mm（X，y，z）（X， y， z）(x，y，z)中冷器CAC(0,37,0)(0,37,175)(0,37,350)進口壓降CP1(-200,300,450)格柵阻力1 Aresl(-50,12,0)格柵阻力2 Ares2(-50,12,400)散熱器RAD(100,

14、0,0)風扇Fan(300,325,450)內部阻力BiR(500,300,450)出口壓降CP2(600,300,450)為了能夠分析中冷器三種不同位置時散熱器表面散熱量的分布，將散熱器分成若干個50X50的小 模塊，這樣在后處理KULI lab中可以直觀的反映出散熱器表面溫度的分布情況。4.2仿真結果本論文以額定功率為研究工況，通過KULI的仿真分析，得到散熱器進、出水溫度及中冷器進、出 氣溫度等主要結果數(shù)據。如表5所示：表5：模擬計算結果Table 5: simulation results參數(shù)中冷器下置中冷器中置中冷器上置發(fā)動機額定轉速rpm2100散熱器進水溫度C93.962293.

15、197392.4276散熱器出水溫度C87.463386.497985.5270散熱器進出水溫差C6.49896.69946.9006中冷器進氣溫度C165165165中冷器出氣溫度C58.526858.554158.5817中冷器進出氣溫差C106.4731106.4459106.4183由仿真計算結果可以看出，當散熱器內部冷卻水自上往下，中冷器內部冷卻水自左往右流動時，中 冷器的三種布置方式對散熱器的散熱效果具有一定的影響。中冷器上置時散熱效果要優(yōu)于中冷器中置和 下置。將仿真結果導入KULI lab軟件中，可以看出不同布置對散熱器表面散熱能力均勻性有一定的影響。（a）（b）（c）圖4中冷器

16、不同布置時散熱器溫度分布（a）中冷器下置；（b）中冷器中置；（c）中冷器上置Figure 4: the temperature distribution of radiator for intercooler in different location對比圖4三種不同布置散熱器溫度分布圖可以直觀的看出，圖（a）中散熱器自上而下溫度分布差值 較大，圖（c）的溫度分布差值較小，而圖（b）的溫度分布介于這兩者之間。由此說明在這三種不同布置 中，當中冷器上置時散熱器的散熱更均勻，溫度過渡平順，散熱效果要更好。4.3理論分析根據車輛冷卻傳熱理論，散熱器散走的熱量可通過下面兩個表達式來計算。如式（3）、式

17、（4）所 示：Q = q F （/ -12）（3）。廣式中：Qw為冷卻系統(tǒng)散走的熱量；F為散熱器的迎風面積；1m為散熱器的平均溫度；12為中冷 器出口處冷卻空氣溫度；Gw為水泵的流量；。引為冷卻水的等壓比熱；q為比冷卻能力，其物理意義 是冷卻器（散熱器或中冷器）單位迎風面積、單位溫差（冷卻器平均溫度與冷卻空氣溫度之差）所散走 的熱量。1 疽（1wu V2（5）結合圖3所示三種中冷器的布置結構，將中冷器下置、中置和上置時的散熱器分為重疊部分和非重疊部分來討論，并分別將各參數(shù)帶入式（3）（4）（5）組成方程組如下: 中冷器下置時方程組為：Qw1（6）（7）Qwi =氣C(，廣（10）Qw2 = %

18、 C (tw1 - Qw = QZ Qw2式中：為散熱器與中冷器非重疊部分面積；孔為散熱器與中冷器重疊部分面積;同理，可以得出中冷器上置時方程組為：Qw1=qs1（11）Qw2 = qs 2 Fb t +1wuw1 t22 7（12）Qw1 =氣，C (tw1 - (13)Qw2= % C wu-UEQw = Qw1+ Qw 2（15）聯(lián)合上面各式可以解得散熱器上水室冷卻水溫t的計算式。如下:wu中冷器下置時，散熱器上水室的溫度t*計算式為：wuQ A B 2q F t A + 2q F t Dt * = w + S2 b 2s1 a 1wu G c A B C D)A B C D（16）中冷

19、器上置時，散熱器上水室的溫度t.計算式為：Q A B2q F t B + 2q F t Ctu = w +s1a1S2b2 (17)wu G- C A B C D)A B C D其中：A = 2G C + q F（18） TOC o 1-5 h z B = 2G C + q K(19)C = 2GCw - qsiF(20)D = 2G C -q F(21)貝g： tu td = si s 2_a_bG t )(22)wu wu G C q F + G C q F i 2w pw s 2 b w pw si a其中：12 ti =Vt , Vt為中冷器進出口冷卻空氣的溫升。由上式結果可知，當中冷

20、器上置時，散熱器的散熱性能更好。這與在KULI中仿真結果一致。所以對于中冷器和散熱器不完全覆蓋的情況時，可以把中冷器安裝成與散熱器等高，這樣既可以提 高散熱器的冷卻效率，也能使散熱器內部的散熱分布更均勻，延長散熱器的使用壽命。理論分析進一步 驗證了仿真結果。5結論本文以某重型車發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)為研究對象，運用KULI軟件對該重型車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)模型進 行優(yōu)化設計。重點研究在散熱器與中冷器不完全覆蓋的情況下，探討中冷器的安裝位置對整體散熱性能 的影響。理論和仿真結果表明：對于中冷器與散熱器的迎風面積不是全覆蓋的情況，為了使冷卻水得到 有效的冷卻，中冷器芯子安裝高度應盡量與散熱器芯子的高度一致，有

21、助于提供散熱器的冷卻效果。運 用KULI汽車熱管理一維軟件可以方便快速的設計出某個發(fā)動機冷卻系統(tǒng)模型，縮短設計周期降低開發(fā) 成本，可為重型車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設計前期提供參考。參考文獻：尉慶國，蘇鐵熊,董小瑞.汽車發(fā)動機構造及原理M.北京：國防工業(yè)出版社,2012:139-151Wei Q G, Su T X, Dong X R. Automabile engine structure and principleM. Beijing : National Defence Industry Press, 20i2: i39-i5i戴繁榮.內燃機車冷卻裝置M.北京：中國鐵道出版社，1993:1-5Da

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