整车热管理系统研究.ppt

整车热管理系统研究,同济大学汽车学院 倪计民 博士、教授,* 整车热管理 车辆热管理系统(VTMS, Vehicle Thermal Management System) - 整车的流场研究。主要研究发动机舱的冷却系统和驾驶室（车厢）的人员环境的舒适性。 发动机热管理系统（ETMS, Engine Thermal Management System) 主要是以冷却介质流动为基础，研究在提高发动机的冷却能力的同时，保持发动机良好的动力性、经济性、排放性能和可靠性。 同时还涉及到发动机冷却系统零部件的设计。,* 与热管理相关的车辆子系统,* 汽车热管理开发过程,* 热管理模拟的各个部分,* 目前在用软件 Kuli： 特点： - 整车和发动机开发中心开发的软件，实用 - 整体考虑整车、发动机、冷却系统（散热器、热交换器、 风扇）零部件，可以在热管理平台上优化各系统和零部件 - 技术支持：Magna中国技术中心 同济大学 Flowmaster： 特点： - 通用性强，尤其是在管路计算方面 - 对于整车、发动机、零部件整合不理想 - 汽车、内燃机专业人员支持力量不够,* Kuli软件的功能群,* Kuli软件功能和参数（发动机舱）,* 软件的应用实例,整车厂,发动机厂,零部件厂,整车热管理平台开发和研究,* 整车热管理所涉及的专业和部门,* 热管理不同的冷却系统模型（参数和边界条件）,整车设计 1） 冷却空气侧建模 （1）空气侧模型,* 乘用车冷却空气流动模型,* 冷却空气外流场参数定义和测量,* 双隔栅冷却空气外流场参数定义和测量,* 空气侧的流动模型（可能布置方式）,* 冷却空气流动模型,* 冷却空气侧计算网络,* 一款柴油机轿车空气侧模型,* Audi A8 V8 TDI空气侧冷却系统示意图,* 空气侧和传热模型,（2）数据测量（试验台）,* 结构阻力曲线测量试验台,* 结构阻力特征线测量数据模式,* 面积阻力的阻力特性曲线,* BorgWarner 冷却系统公司LKW试验台,* BorgWarner 冷却系统公司LKW试验台,2） 带乘员室环境舒适性的空气侧模型,* 带乘员室空气调节的空气流网络,* 总模型,* 应用于PKW的模拟计算模型,* 空气流通通道示意图,* 带通风的空气对流模拟计算模型,* 车身模型,* 带和不带车厢加热的冷却循环压力损失,* 带发动机的加热循环,* 带前、后Modul的冷却介质循环,* PTC运行特征和模拟计算模型,* 热气运行模拟计算模型（HGC）,* 热泵循环模拟计算模型,3）带空调的空气侧模型 在PKW中，空调对舒适性有很大影响，,* 空调循环示意图,* 空调循环过程,* 空调和车辆冷却模型,* 冷却系统和空调的模拟计算模型,* 空调系统模型,2. 冷却零部件,1）散热器（水箱） 热功率特性曲线 （Nesselt数与Reynold数和Prandt数之间的关系）,* 散热器工作点与车辆运行工况点的对应关系 （由此可以进行散热器工况点优化）,2）风扇特性曲线,* 测量的和无量纲化阻力特性曲线,* 冷却水泵和风扇在全耦合时对油耗的影响,* 风扇特性测量试验台 在PKW和LKW中，风扇的耗能是不一样的，PKW可以忽略，但是在LKW中需要特别重视。,* 风扇试验台和数据处理,* 风扇运行工况点确定,* 考虑通过风扇功率变化适应发动机运行工况点变动的模拟计算模型,* 粘性风扇,* 风扇接合控制策略,* 风扇接合控制策略,* 耦合器的结合和脱离转速,* 粘性耦合器的结合特性,* 粘性耦合器和风扇扭矩特性场,* 压力与空气流关系,* 风扇功率与流率的关系,图4 风扇与流率的关系,* 无量纲的风扇性能,* 不同风扇的风扇功率和散热器性能,* 发电机效率特性场（高级车专用）,* 发电机集成到模拟计算模型中,3. 发动机热流,* 发动机散热分析,* 发动机冷却介质循环,* 所应用的发动机热模型示意图,* 用冷却水冷却增压空气的NT冷却系统,1）稳态 （1） 模型,* 早期用Flowmaster 软件的模拟模型,* 稳态工况商用车冷却系统模拟计算模型,* 冷却介质内循环模型,* 稳态模拟计算时的液态循环,* 流体循环,* 模型和数据输入格式,* 发动机传热特性场，按照汽车特性场来确定,（2）稳态试验,2） 动态模型 （1）质量模型,* 按照最高车速（250km/h）设计冷却系统时，在低速全负荷加速时出现短暂的冷却能力不足 状态：通过无级变速箱使得发动机在优化的功率范围内加速,* 2-质量发动机模型,* 4-质量模型,* 发动机模拟计算模型,* 发动机模拟计算模型,* 发动机5质量热流模型,* 瞬态模型,* 瞬态模拟模型（1.PM、2.PM（Punktmasse）为质量）,3） 动态试验,* 动态试验,* 汽车热管理瞬态模拟图,* 车辆瞬态模拟框图,* 行驶模拟,* 稳态工况和动态工况计算,4） 动态模型验证 所有动态模拟计算都需要试验支持,* 基本标定的散热特性（测量和模拟计算）,* 在突然爬坡14.5%，车速66km/h时温度上升变化情况,* 验证循环加速和刹车，120km/h 后等速行驶,* 在负荷跳跃式交变时的冷却水温度变化过程,4. 优化匹配计算分析,* 不同的冷却系统方案优化,* 不同的冷却系统方案优化,* 参数变化优化 使用不同的参数会导致不同的结果，KULI最大的优势是能够轻易地改变一些实际测试中不易改变的条件，从而进行多样性的试验，而无须更大成本的投入，而能进行优化设计。 尤其是能发现热系统中最薄弱的环节，并且能实现系统的最优化。,基于模拟条件的变化,基于元件参数的变化（阻力和散热器）,基于元件参数的变化（风扇）,基于工况点的变化,* 建立平台后，可以从一个车型另一个车型：PKW-SUV,* PKW试验边界条件,* PKW基本模型的热交换器布置,* SUV试验边界条件,* SUV基本模型的热交换器布置,* 方案优化,* 方案优化,* 优化计算（乘员室热特性，电加热，从室外-20开始）,* 优化设计 （热气循环和热泵驱动热特性，从室外-20开始）,* 10min和20min后乘员室的平均温度,* 不同车辆的油耗,* 不同装置的附加油耗,5. 与其它软件和CFD的耦合,* 0D-，1D和3D模拟工具,* 与3D CFD数据的连接,* 1D和3D计算过程的耦合,* 风扇位置对冷却器中冷却水温度的影响,* 模拟软件耦合,研究具体内容： （1）用Kuli软件建立车型和发动机的热管理计算模型 （2）与整车及零部件企业建立合作关系，收集相关零部件的试验数据 （3）建立与热管理计算和设计相关的发动机试验系统、整车和零部件试验系统 发动机试验台架的改建、制定试验大纲、处理和分析试验结果 整车空气流动特性测量 零部件（冷却器和风扇）试验，通过与零部件企业合作获得试验数据 （4）将试验结果与计算结果（主要是关键点的温度）进行对比，以检验模型的准确性,（5）在与整车厂和零部件企业协调情况下，进行整车和发动机热管理系统的优化设计，包括： 对原车型热管理系统进行性能评价