基于最小耗功的发动机冷却系统设计研究

来源:用户上传      作者: 刘晓东 石秀勇 倪计民

　　摘要：应用商用仿真软件GT-Cool对某客车柴油机建立冷却系统一维仿真计算模型。基于最小耗功原则，在设定发动机进出口温差和发动机出口温度的情况下，获得最合适的冷却液流量和冷却空气流量特性需求，为水泵和风扇的传动系统以及节温器的匹配提供了优化的边界条件。
　　关键词：发动机冷却系统；最小耗功；GT- Cool；匹配计算
　　中图分类号：U464.138 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2012）02-0042-05
　　
　　Analysis of Engine Cooling System Based on Minimum Power Consumption
　　LIU Xiao-dong，SHI Xiu-yong，NI Ji-min
　　（School of Automotive Studies, Tongji University，Shanghai 201804，China）
　　Abstract: By using simulation code GT-Cool，one-dimensional engine cooling system simulation model was established for a diesel engine. According to the minimum power consumption criteria，optimal engine coolant and cooling air flowrate were obtained on condition that temperature difference between engine entry and exit port and temperature of engine exit port were known，which were taken as boundary conditions of optimized matching of thermostat，coolant pump driving component and electromagnetic clutch.
　　Key words: engine cooling system；minimum power consumption；GT- Cool；matching
　　随着对整车经济性要求的不断提高，减小发动机冷却系统耗功元件的耗功也越来越得到人们的重视。发动机冷却系统的主要耗功元件是风扇和水泵。因此，对水泵和风扇的耗功进行分析显得相当重要［1，2］。
　　在传统的冷却系统校核设计计算中，在设计初期对水泵和风扇分别独立设计，然后进行匹配组合。因而在匹配计算中，没有同时对冷却液流量和冷却空气流量进行优化［3-8］，因而总耗功没有实现最小化。
　　对此，本文将发动机冷却液出口温度设为定值，并且将发动机冷却液进出口温差作为边界条件，在水泵、风扇和散热器确定的情况下，在发动机外特性下，通过对水泵和风扇的功耗之和进行分析，获得在不同转速下的冷却系统最小耗功、对应的冷却液流量和冷却空气流量、水泵转速和风扇转速等，以及此时对应的水泵和风扇传动比。并且根据冷却空气流量和风扇压升的关系曲线，分析了风扇运行工况点在风扇性能曲线上的分布状况，为风扇、水泵与发动机的优化匹配提供依据。
　　
　　1 冷却系统的计算
　　
　　1.1 传统的冷却系统校核计算
　　传统的冷却系统校核计算见图1［7-9］。在使用驱动轴来直接驱动水泵以及风扇的情况下，因为水泵和风扇与发动机之间具有固定的传动比，在确定了发动机的转速和散热量后，就直接确定出水泵和风扇的转速、效率、所消耗的功率等，以及发动机冷却液出口温度和发动机冷却液进出口温差。
　　1.2 基于发动机进出口温差和出口温度的计算
　　将发动机冷却液出口温度和进出口温差作为输入值，在确定了发动机散热量的情况下，可以解出水泵和风扇的转速、效率、消耗的功率等，见图2。
　　
　　1.3 系统最小耗功
　　通常，对于冷却系统而言，系统所消耗的功率主要表现为水泵和风扇所消耗的功率。
　　水泵所消耗的功率计算公式［5］为：
　　
　　式中:Nw为水泵消耗的功率；qvw为水泵流量；pw为水泵泵水压力；?浊w为水泵总效率。
　　风扇所消耗的功率计算公式［5］为：
　　
　　式中:Na为风扇消耗的功率；qva为风扇流量； pa为风扇的供气压力；?浊a为风扇总效率。
　　其中，水冷式冷却系统空气通道的阻力、也就是风扇的供气压力一般为［5］ ：
　　 pa=?驻pR+?驻pL（3）
　　式中:?驻pR为散热器的阻力；?驻pL为除散热器外所有空气通道的阻力，对于一般的汽车，?驻pL=（0.4~1.1）?驻pR。
　　因此，系统的总耗功为：
　　
　　从该公式可以得出，系统总耗功与水泵流量、水泵泵水压力、风扇流量、散热器气侧阻力以及水泵和风扇的效率有关。
　　在考虑散热器散热性能的情况下，对公式（4）进行变形，获得公式（5）：
　　
　　式中：a1、a2为常数，c1为冷却液比热容，c2为冷却空气比热容，Q为散热量，?驻T12为发动机进出口温差，T1为发动机出口温度，T3为环境温度，k为散热器传热系数，A为散热器热交换面积。
　　1.4 基于最小耗功的匹配计算
　　基于发动机进出口温差和出口温度的计算流程，同时根据最小耗功原则，建立基于最小耗功的匹配计算过程，见图3。
　　
　　
　　基于最小耗功的匹配计算的核心是，在确定了散热量的情况下，设定发动机冷却液出口温度以保证“不开锅”，并且假定在确定了散热器、风扇和水泵的情况下，还可以通过在一定范围内改变发动机冷却液进出口温差，获得水泵和风扇即冷却系统的最小耗功，以及与最小耗功对应的冷却液流量和冷却空气流量、对应的水泵转速和风扇转速。根据获得的水泵转速和风扇转速，对风扇传动比或风扇离合器、水泵传动比进行匹配计算。
　　本文研究的重点是在确定了冷却系统的主要零部件散热器、风扇和水泵的情况下，对风扇匹配的“合理性”进行分析研究，并且对风扇和水泵驱动件的传动比进行了分析计算。
　　
　　2 某发动机冷却系统的计算结果分析
　　
　　某客车柴油机冷却系统（见图4）使用机械式传动方式来驱动水泵，并且使用电磁离合器来驱动风扇。在匹配时，为获得最合适的水泵流量，节温器全开。
　　2.1 建立发动机冷却系统模型
　　使用GT-Cool软件建立发动机冷却系统仿真计算模型。根据第1.2节的计算流程，在模型中，水泵和风扇与发动机解耦，并且通过控制调节水泵和风扇的转速，获得预设的发动机进出口温差以及发动机出口温度。
　　2.2 额定转速下最小耗功的确定
　　目前，柴油机的进出口温差一般控制在3 ℃~7 ℃，而柴油机的正常工作温度控制在80 ℃~95 ℃［6］。此外，在设计时，外界环境温度，即散热器气侧进气温度一般可取40 ℃~45 ℃［9］。
　　发动机额定转速为2 300 r/min，外界环境温度设置为45 ℃。同时，柴油机冷却液出口温度设置为95 ℃，柴油机冷却液进出口温差在4 ℃~12 ℃的范围内变动。水泵和风扇的功率特性曲线分别见图5和图6。
　　仿真计算结果见图7。由于水泵的特性曲线已经确定，所能达到的温差只能为4 ℃~9 ℃。

　　从图7可见，随着发动机进出口温差的增加，在发动机散热量一定的情况下，水泵流量会相应地减少。通常水泵流量与水泵泵水压力成正比，因此根据公式（1），水泵消耗的功率也相应地减小。并且，根据公式（5），随着发动机进出口温差的增加，系统总耗功为先减小后增加，因此，在该工况下存在最小系统总耗功，即此时存在最合适的水泵流量与风扇流量。
　　2.3 外特性下总功耗以及最合适的水泵流量和风扇流量
　　用同样方法，可获得外特性下不同发动机进出口温差时的总功耗和发动机转速的关系曲线，见图8。从图8可见，在发动机高转速区域，发动机进出口温差为6℃时系统耗功最小，在发动机中低转速区域，发动机进出口温差的改变对总功耗的影响较小。同时获得外特性下最合适的水泵流量、风扇流量与发动机转速的关系，见图9。
　　
　　3 发动机冷却系统的匹配分析
　　
　　3.1 风扇的匹配分析
　　该车型所匹配的风扇特性曲线见图10，图10显示了风扇在风扇转速为2 100 r/min、2 400 r/min、2 700 r/min和3 000 r/min时风扇的流量与静压的关系曲线，同时还显示了风扇在各个转速下的效率等值线。图10中的虚线为上文所得的最合适风扇流量所对应的风扇运行工况点。
　　
　　从图10可见，即便按照最小功耗原则确定运行工况点，所得的风扇运行工况点并未分布在风扇特性曲线上的效率最高区域。由此可见，虽然使用该风扇可以保证发动机“不开锅”，也尽量做到功耗最小，但是该风扇与发动机并不是最佳匹配，所以，需要在冷却系统计算平台上进行相关零部件的优化匹配设计。
　　3.2 风扇驱动部件的匹配分析
　　同时，还获得风扇转速与发动机转速的关系曲线，以及对应的速比，见图11。从图11可见，风扇速比的最高值为1.35。因此电磁离合器的最高挡位速比可取1.35。
　　3.3 水泵传动比的匹配分析
　　根据最小功耗原则计算得到的对应的水泵速比见图12。从图12可见，水泵速比的最高值为1.17。因此，如果采用机械式驱动方式，那么水泵速比应采用1.17。此时，在其它水泵速比不为1.17的发动机转速下，由于速比的增大，使得水泵提供的流量大于根据最小耗功原则求得的流量，该部分多余的流量只能通过节温器分流。
　　4 结论
　　
　　（1） 根据某客车的冷却系统结构，建立了发动机冷却系统仿真模型。
　　（2） 根据最小耗功原则，获得了最合适的冷却液流量和冷却空气流量与发动机转速的关系曲线。
　　（3） 获得了风扇运行工况点在风扇特性曲线上的分布，表明虽然该风扇可满足“不开锅”的要求，然而风扇并未运行在效率最高区域。
　　（4） 根据获得的外特性下水泵转速与发动机转速的关系曲线，如果采用机械式驱动方式，水泵与发动机转速之间的速比应为1.17，同时获得风扇转速与发动机转速的关系曲线，可知电磁离合器的最高档位的速比应取1.35。
　　
　　参考文献：
　　［1］ 倪计民. 汽车内燃机原理［M］. 上海：同济大学出版社，1997.
　　［2］ G. Cantore，F. Paltrinieri，F. Perini，et al. A Lumped Parameter Approach for Simulation of ICE Cooling Systems［C］. SAE Paper 2009-01-2760.
　　［3］ 姚仲鹏，王新国. 车辆冷却传热［M］. 北京：北京理工大学出版社，2001.
　　［4］ 吴海荣，郭新民. 发动机冷却系统设计参数的确定［J］. 农业化研究，2007，1：223-224.
　　［5］ 杨连生. 内燃机设计［M］. 北京：中国农业出版社，1981.
　　［6］ 王金华，孙长亮. 发动机冷却系统的选型［J］. 工程机械与维修，2008，6：152-153.
　　［7］ Jimin Ni，Wanying Yu，Xiuyong Shi，et al. Optimization of Combination among Key Components at Air Side in Vehicle Thermal Management System［C］//2010 International Conference on System Science， Engineering Design and Manufacturing Informatization （ICSEM 2010），Yichang，2010：310-313.
　　［8］ GU Ning， NI Jimin. Simulation of Engine Cooling System Based on AMESim ［C］//the Second International Conference on Information and Computing Science（ICIC2009），Manchester，2009：117-120.
　　［9］ 柴油机设计手册编撰委员会. 柴油机设计手册［M］. 北京：中国农业机械出版社，1984.

转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-1703445.htm