某增壓車型冷卻系統分析與驗證

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）

為了驗證冷卻系統仿真分析在整車冷卻系統開發中的意義，根據某增壓車型冷卻系統布置原理建立冷卻系統分析模型，基于水套CFD分析及冷卻系統一維模型確定各轉速工況下冷卻系統各支路流量分配情況，然后將分析結果與整車冷卻系統試驗進行對比，驗證分析的精度，確定冷卻系統分析在產品開發中的意義。

1D；冷卻系統；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

發動機冷卻系統的任務是使發動機得到適度的冷卻，從而保持在最適合的溫度范圍內工作[1]，如果發動機冷卻能力不足，會導致發動機工作條件惡化，進而引起發動機動力性、經濟性全面變差[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主要的發展方向[3]，但是增壓技術的應用在提高發動機動力性的同時，對冷卻系統也提出了更高的要求[4]，所以增壓發動機冷卻系統的設計也就尤為重要，這也就需要尋找一種高效、準確的冷卻系統開發方法。

本文利用三維和一維聯合分析方法對某增壓車型冷卻系統進行建模分析，確定冷卻系統流量分配情況。然后進行整車冷卻系統試驗，與發動機臺架試驗相比，整車冷卻系統試驗流量數據更接近實際狀態，根據仿真結果與試驗數據對比判斷仿真精度，驗證冷卻系統仿真分析在整車冷卻系統開發中的意義。

1、發動機水套CFD分析

圖1　冷卻系統仿真分析流程

整車冷卻系統分析流程如圖1所示，冷卻系統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1D分析模型計算確定系統流量分配和壓力分布情況。

首先確定水套流阻特性，水套流阻數據一般通過水套CFD分析獲得，首先對該增壓發動機水套的CAD模型進行前處理，并進行面網格的劃分，然后將面網格以中間格式導入流體分析軟件中，進行流體網格的劃分，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，分析模型介質為乙二醇溶液，冷卻液為不可壓縮穩態湍流流動，采用復合壁函數來處理接觸壁面[5]，湍流模型采用穩定性較好的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據，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　發動機水套流阻特性曲線

2、冷卻系統一維分析

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

圖4　冷卻系統設計原理圖

冷卻系統各主要部件流阻特性曲線如圖5所示，該數據根據零部件單體試驗測試獲得，水泵性能數據如圖6所示，該水泵性能MAP圖根據試驗測試機數據差值獲得，通過MAP圖對水泵性能數據進行處理可以更準確的反應水泵真實性能。

根據冷卻系統設計原理圖和各邊界條件進行冷卻系統一維分析模型的建模，分析模型如圖7所示，圖中對冷卻系統各主要部件進行標注。

圖5　各主要部件流阻特性

圖6　發動機水泵特性

圖7　整車冷卻系統分析模型

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

表1　冷卻系統各支路的流量分配

3、整車冷卻系統試驗

為驗證冷卻系統仿真分析的精確度，進行整車冷卻系統試驗，整車冷卻系統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連接，增加部分管路長度，為降低增加管路對系統流阻的影響，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　分結果與試驗數據對比

分別控制發動機轉速為以上8個工況點，進行整車冷卻系統試驗，測量并記錄各傳感器試驗數據，對數據進行處理，并將試驗數據與仿真數據進行對比，判斷仿真分析的精確度，具體對比結果如圖10所示。

根據對比結果可知，冷卻系統分析結果與試驗數據符合較好，個別工況下試驗數據存在波動，與分析結果存在一定偏差，但兩結果整體符合較好，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、結論

為驗證冷卻系統仿真分析在整車冷卻系統開發過程中的精確度，選取某冷卻系統較復雜的增壓車型進行冷卻系統建模分析，并進行整車水流量測試試驗，將分析結果與試驗數據進行對比，根據對比結果知除個別試驗數據波動點外，仿真結果與試驗數據符合較好，兩結果偏差小于10%，說明冷卻系統仿真具有較高的精確度，可以為冷卻系統開發提供支持，提高產品開發效率。

[1]劉艷莉等.汽車構造與使用[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[2]馮貝貝,張少華等.增壓直噴汽油發動機冷卻系統優化的研究[J].內燃機,2013,（2）21-25.

[3]張揚軍,張樹勇，徐建中.內燃機流動熱力學與渦輪增壓技術研究. [J].內燃機學報，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中心發動機設計研究院，研究方向為發動機產品的設計開發。