趙有金

(安徽汽車(chē)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 教務(wù)處,安徽 合肥 230601)

0 引言

伴隨著汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展,汽車(chē)保有量快速增加。汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)將汽車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量有效散發(fā)到空氣中,避免發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)過(guò)熱,確保發(fā)動(dòng)機(jī)在適宜環(huán)境下良性運(yùn)轉(zhuǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)處在比較寒冷環(huán)境下工作會(huì)使得組件磨損速度加快、工作效率降低且容易排出更多污染物。通過(guò)冷卻系統(tǒng)熱管理可以有效確保發(fā)動(dòng)機(jī)在比較寒冷環(huán)境下快速升溫。汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)利用水泵帶動(dòng)冷卻介質(zhì),實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和空氣之間的熱量交換,確保汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)始終在適宜的溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。對(duì)于汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)而言,其不僅僅受到單個(gè)零件性能的影響,同時(shí)零件之間的協(xié)調(diào)匹配也對(duì)單個(gè)零件性能的發(fā)揮具有重要的影響,因此對(duì)汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)熱管理分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。柳文斌對(duì)純電動(dòng)車(chē)型熱管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)進(jìn)行研究,指出冷卻風(fēng)扇對(duì)車(chē)速低時(shí)的冷卻效果比較好,高速時(shí)的冷卻效果比較差,通過(guò)增加散熱器組冷卻風(fēng)的進(jìn)氣流量可以有效地改善散熱系統(tǒng)的性能[2]。于翰林對(duì)某輕型卡車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻系統(tǒng)熱管理進(jìn)行分析,建立了包含冷卻系統(tǒng)在內(nèi)的整車(chē)模型,同時(shí)將仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了仿真模型的可靠性[3]。前人對(duì)汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)熱管理研究主要是基于整車(chē)試驗(yàn),成本比較高,采用仿真模型進(jìn)行研究缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,將轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)和熱分析仿真試驗(yàn)相結(jié)合,研究仿真模型的有效性,并同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),改善汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)熱管理性能,這為汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)熱管理開(kāi)發(fā)提供了參考。

1 冷卻系統(tǒng)水流量建模

對(duì)冷卻系統(tǒng)水流量分析必須結(jié)合所研究車(chē)輛的冷卻系統(tǒng)部件組成與部件之間的連接關(guān)系，從而構(gòu)造冷卻系統(tǒng)水流量分析模型。圖1為車(chē)輛冷卻系統(tǒng)原理圖。

根據(jù)圖1冷卻系統(tǒng)的原理圖,采用FLOWMASTER軟件搭建冷卻系統(tǒng)一維分析模型。由于本文所選擇的車(chē)型變速箱為DCT雙離合變速箱,因此需要對(duì)變速箱進(jìn)行冷卻,即在冷卻系統(tǒng)中包含DCT冷卻器。將車(chē)輛冷卻系統(tǒng)幾何模型進(jìn)行離散化,同時(shí)輸入流阻數(shù)據(jù)、水泵數(shù)據(jù),獲得用戶仿真分析的模型。采用所構(gòu)建的模型對(duì)不同轉(zhuǎn)速下冷卻系統(tǒng)的散熱器支路流量、暖風(fēng)支路流量、變速箱支路流量以及增壓器支路流量進(jìn)行仿真分析。在整車(chē)進(jìn)行冷卻系統(tǒng)水流量試驗(yàn)時(shí),驗(yàn)證所搭建模型的有效性。整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)水流量試驗(yàn)傳感器采用非接觸式傳感器,同時(shí)當(dāng)測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定之后再進(jìn)行讀取,確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖2給出了整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)水流量試驗(yàn)傳感器的布置形式。

圖1 冷卻系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the cooling system

圖2 整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)水流量試驗(yàn)傳感器布置Fig.2 Sensor arrangement for water flow test of vehicle cooling system

將仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,包括散熱器支路、暖風(fēng)支路、DCT支路以及增壓器的流程,結(jié)果如圖3所示。

圖3 仿真與實(shí)車(chē)試驗(yàn)對(duì)比Fig.3 Comparison between simulation and real vehicle test

由圖3可知,散熱器支路流量、暖風(fēng)支路流量、DCT支路流量、增壓器流量的仿真結(jié)果和實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,采用FLOWMASTER軟件搭建的冷卻系統(tǒng)一維分析模型具有比較高的仿真精度。

2 冷卻系統(tǒng)熱分析建模

冷卻系統(tǒng)熱分析模型是在冷卻系統(tǒng)水流量模型的基礎(chǔ)上搭建的,即對(duì)冷卻系統(tǒng)水流量模型中的部分部件進(jìn)行更換,完成對(duì)冷卻系統(tǒng)熱分析的建模,具體如表1所示[4]。

表1 水流量模型轉(zhuǎn)熱分析模型更換部件Table 1 Replacement of water flow model to thermal analysis model

采用所建立的冷卻系統(tǒng)熱分析模型計(jì)算不同熱平衡工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水口溫度和出水口溫度,結(jié)果如表2所示。

表2 不同熱平衡工況下溫度分布(仿真試驗(yàn))Table 2 Temperature distribution under different heat balance conditions (simulation test)

由表2可知,當(dāng)車(chē)輛以3擋30 km/h爬9%的坡運(yùn)行時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)出水口的溫度為111.2 ℃,超過(guò)最高水溫限定值110 ℃,這是由車(chē)輛行駛速度比較低,進(jìn)風(fēng)量不足所導(dǎo)致的。當(dāng)車(chē)輛以4擋60 km/h爬8.7%的坡運(yùn)行時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)出水口的溫度114.2 ℃,也超過(guò)了最高水溫限定值110 ℃,這是由于車(chē)輛整體發(fā)熱量進(jìn)一步增加,而車(chē)速增加的進(jìn)風(fēng)量無(wú)法將增加的熱量全部帶走,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)出水口的溫度進(jìn)一步提高。當(dāng)車(chē)輛以6擋130 km/h運(yùn)行時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)出水口的溫度為104 ℃,沒(méi)有超過(guò)最高水溫設(shè)定值110 ℃,這是因?yàn)檐?chē)輛行駛速度的大幅度增加,進(jìn)風(fēng)量增大,大量的熱量被帶走。

3 冷卻系統(tǒng)熱平衡試驗(yàn)

圖4 熱平衡試驗(yàn)轉(zhuǎn)轂臺(tái)架Fig.4 Hub test bench for heat balance test

為了驗(yàn)證所搭建模型的準(zhǔn)確性,采用熱平衡轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)。熱平衡試驗(yàn)轉(zhuǎn)轂臺(tái)架可以有效地實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)的控制,同時(shí)轉(zhuǎn)轂的速度、坡度負(fù)載、試驗(yàn)車(chē)輛的行駛速度也均可以通過(guò)臺(tái)架的外部控制臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)[5]。熱平衡試驗(yàn)轉(zhuǎn)轂臺(tái)架如圖4所示。

為了更準(zhǔn)確地獲得試驗(yàn)車(chē)輛散熱器、中冷器表面的溫度,將溫度傳感器進(jìn)行矩陣狀布置,取各個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度傳感器的測(cè)試值平均值作為測(cè)試部件的表面溫度值。通過(guò)暖風(fēng)水溫傳感器測(cè)試暖風(fēng)進(jìn)出口的水溫溫度值,從而對(duì)最高溫度是否超過(guò)設(shè)定值110 ℃做出判斷?；跓崞胶廪D(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)架的試驗(yàn)流程如圖5所示。

圖5 熱平衡轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)架試驗(yàn)流程圖Fig.5 Flow chart of heat balance hub test bench

對(duì)3擋-30 km/h-9%、4擋-60 km/h-8.7%以及6擋-130 km/h-0%三種熱平衡工況進(jìn)行試驗(yàn),得到不同熱平衡工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水口溫度和出水口溫度,結(jié)果如表3所示。

表3 不同熱平衡工況下溫度分布(轉(zhuǎn)轂試驗(yàn))Table 3 Temperature distribution under different heat balance conditions (hub test)

將仿真試驗(yàn)和轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)下不同熱平衡工況下溫度進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖6所示。

圖6 仿真試驗(yàn)與轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)對(duì)比Fig.6 Comparison between simulation test and hub test

由圖6可知,仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水口溫度最大誤差為2.2 ℃,發(fā)動(dòng)機(jī)出水口溫度最大誤差為2.4 ℃,即所建立的汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)熱平衡分析仿真模型是可靠的。

4 冷卻系統(tǒng)熱管理優(yōu)化

4.1 優(yōu)化思路

汽車(chē)在4擋-60 km/h-8.7%熱平衡工況下發(fā)動(dòng)機(jī)出水口溫度為111.8 ℃,超過(guò)了110 ℃,因此需要進(jìn)行優(yōu)化,降低發(fā)動(dòng)機(jī)出水口的溫度。對(duì)汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)熱管理實(shí)施優(yōu)化的思路是增加冷卻液的流量和各散熱部件的進(jìn)風(fēng)量,本文從增加各散熱部件的進(jìn)風(fēng)量角度進(jìn)行優(yōu)化。為了確保中冷器的散熱效果,在中冷器四周增加聚風(fēng)板,通過(guò)聚風(fēng)板來(lái)增加中冷器通風(fēng)量,達(dá)到有效降低增壓空氣溫度的目的[6]。另外,考慮到部件之間間隙不利于進(jìn)風(fēng)量增加的影響,對(duì)存在回流和密封不良的部位粘貼硬質(zhì)海綿。圖7為汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)優(yōu)化方案示意圖。

圖7 汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)優(yōu)化方案Fig.7 Optimization scheme of automobile cooling system

4.2 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

將優(yōu)化后的方案采用搭建的冷卻系統(tǒng)水流量仿真模型獲得進(jìn)風(fēng)量數(shù)據(jù),將進(jìn)風(fēng)量數(shù)據(jù)作為邊界條件輸入到冷卻系統(tǒng)熱分析模型中,計(jì)算不同熱平衡工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水口溫度和出水口溫度,結(jié)果如表4所示。

表4 不同熱平衡工況下溫度分布(優(yōu)化后)Table 4 Temperature distribution under different heat balance conditions (after optimization)

由表4可知,通過(guò)增加聚風(fēng)板和粘貼硬質(zhì)海綿可以提高汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)熱部件的進(jìn)風(fēng)量,降低整個(gè)冷卻系統(tǒng)的溫度,三種熱平衡工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)出水口溫度均低于110 ℃.

5 結(jié)論

本文以某車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)熱管理為研究對(duì)象,搭建了冷卻系統(tǒng)一維分析模型,并在此基礎(chǔ)上搭建了冷卻系統(tǒng)熱分析模型,通過(guò)熱平衡試驗(yàn)轉(zhuǎn)轂臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了所搭建冷卻系統(tǒng)熱分析模型的有效性,并指出該車(chē)在4擋-60 km/h-8.7%熱平衡工況下發(fā)動(dòng)機(jī)出水口溫度超過(guò)了110 ℃.對(duì)原結(jié)構(gòu)增加聚風(fēng)板、粘貼硬質(zhì)海綿進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化結(jié)果表明三種熱平衡工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)出水口溫度均低于110 ℃,滿足設(shè)計(jì)要求。本論文的研究對(duì)汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)熱管理開(kāi)發(fā)具有一定的工程指導(dǎo)意義。