（动力机械及工程专业论文）发动机与整车热管理平台开发和研究.pdf

年 e s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o lo f a u t o m o b i l e m a jo r ：d y n a m i c m e c h a n i s ma n de n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：l e h u al i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f d r j i m i nn i m a r c h ，2 0 0 8 用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 谗琢鲜 l 朋8 年弓月罗日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 淙琢钎 加3 年弓月7 日 的设计也越来越紧凑，热流密度也 越来越大，对冷却系统以及汽车热管理提出了更高的要求。热管理平台强调在 平台上对发动机和车辆的热管理进行的全面和系统的研究。 本课题基于实际发动机，搭建发动机散热试验台架，并利用软件对台架进 行模拟。通过台架改进，进行发动机热管理台架试验。利用软件模拟改进后的 发动机热管理台架，以发动机入口温度作为比较依据，验证模型与试验的一致 性。结果显示，发动机散热台架与模型的冷却液入口温度相差约0 6 ，而基于 实际发动机热管理的台架与模型的冷却液入口温度最高相差0 9 c 。表明软件对 台架的模拟有较高的精度。 选定两个散热器、两个风扇和两个节温器相互匹配，在发动机外特性工况 点下进行模拟计算。结合冷却常数评价指标，选择了最佳零部件组合( 冷却常 数最大为6 3 6 c ) 。分析零部件对冷却常数的独立影响，得出零部件对冷却常数 的影响大小。并且利用热管理平台对不同功率的两个风扇进行选型。 以手动5 档的车辆为基础，在软件中建立整车热管理模型。设定模拟工况 为n e d c 循环，分析了系统中冷却液和润滑油的温度、大小循环流量、散热器 进出口温度、冷却液热量等主要参数随工况变化的状态。此外，还分析了空气 侧的压力、温度变化情况以及空气从发动机舱带走的热量。整车模拟的结果符 合发动机、冷却系统和整车随工况的变化情况。 关键词：热管理，平台，冷却系统，发动机台架，整车 l a s tt e s tb e n c h t h i ss h o w e dh i g hp r e c i s i o no ft h es i m u l a t i o n t w or a d i a t o r s ，t w of a n sa n dt w ot h e r m o s t a t sw e r ec h o s e na n dm a t c h e df o rt h e s i m u l a t i o n t h eb e s tg r o u pw a sp i c k e du pa c c o r d i n gt ot h ec o o l i n gc o n s t a n t ( m a x i m u m6 3 6 ) a sm e a s u r e m e n t i n d i v i d u a li m p a c t sf r o mc o m p o n e n t sw e r e a n a l y z e d o n ef a nw a sc h o s e nf r o mt w ow i t hd i f f e r e n tp o w e ru n d e rt h et h e r m a l m a n a g e m e n tp l a t f o r m b a s e do na5g e a r sv e h i c l e , v e h i c l et h e r m a lm a n a g e m e n tm o d e lw a sb u i l tu pi n s o f t w a r e t h es i m u l a t i o nw a ss e tn e d c ，i nw h i c ht h e r ep a r a m e t e r sw e r ea n a l y z e d ： c o o l a n tt e m p e r a t u r e ，o i lt e m p e r a t u r e , a n d c i r c u i tm a s sf l o w , i n l e ta n do u t l e t t e m p e r a t u r eo fr a d i a t o r , c o o l a n th e a t b e s i d e s ，p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ef r o ma i rs i d e w e r ea n a l y z e da l s o ，a n dh e a tt a k e nf r o mt h ee n g i n ec o m p a r t m e n t t h er e s u l to f v e h i c l et h e r m a lm a n a g e m e n tm e e t st h ep a r a m e t e r s m o v e t m m ta c c o r d i n gt on e d c k e yw o r d s ：t h e r m a lm a n a g e m e n t , p l a t f o r m ，c o o l i n gs y s t e m ，e n g i n et e s tb e n c h , 删c l e 2 3 1 基本假设1 2 2 3 2 发动机模型。1 2 2 3 3 发动机热量平衡1 4 2 3 4 发动机特性曲线1 6 2 4空气流路计算1 7 2 5k u l i 软件及主要功能2 0 第3 章台架稳态模拟及结果分析2 3 3 1 发动机散热台架2 3 3 1 1 台架试验结构与参数2 3 3 1 2k u l i 模型2 5 3 1 3a m e s i m 模型2 7 3 1 4 模拟和试验结果2 7 3 2 基于实际发动机热管理的台架模拟3 0 i i i 目录 3 2 1 台架试验结构与参数3 0 3 2 2k u l i 模型3 2 3 2 3a m e s i m 模型3 4 3 2 4 模拟和试验结果3 4 3 3 本章小结3 9 第4 章基于发动机热管理平台的零部件优化设计4 0 4 1 冷却系统优化设计的评价指标4 0 4 2 模型建立与零部件参数4 l 4 2 1 模型说明4 2 4 2 2 零部件及参数说明4 3 4 3 模拟结果分析4 6 4 4 本章小结4 9 第5 章整车模拟5 1 5 1 整车冷却系统结构图5 1 5 2k u l i 整车模型5 3 5 3 模拟参数设定5 6 5 4 整车热管理结果分析5 7 5 5 空气侧模拟结果6 0 5 6 本章小结6 2 第6 章总结与展望6 4 6 1 总结6 4 6 2 展望6 5 致谢6 7 参考文献6 8 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果7 0 i v 第1 章引言 1 1前言 第1 章引言 自世界上第一台车用内燃机以来，内燃机经历了一百多年的不断发展和改 进，具有热效率高、性能良好的特点。内燃机的发展为汽车工业奠定了基础， 同时也带动了石油工业和交通运输业的发展，目前汽车已经成为人们生活中主 要的交通工具之一，汽车内燃机的出现推动了人类社会的前进。 内燃机是车辆的动力源，它将燃料燃烧所释放出的热能转化成为驱动车辆 行驶的机械能，同时也产生大量的热。发动机工作时，由于气缸内燃料燃烧而 发出的热，其中一部分转变为有效功，还有一部分则由冷却系统散到大气中。 如果这些热量不能及时散发出去，就会使内燃机受热零部件的热负荷非常高， 引起热故障，将会直接影响内燃机的工作可靠性、耐久性和经济性。 1 2 热管理研究意义 当前，很多科研人员在致力于提高内燃机性能、降低其排放的课题研究， 这些工作的进行是在保证内燃机能够安全、可靠的工作的前提下进行的，而内 燃机的热管理问题是影响内燃机工作可靠性的一个重要因素。为了适应内燃机 高性能、高耐久性、低油耗的发展趋势，解决好内燃机的冷却问题是至关重要 的。 热管理系统包括： 车辆热管理系统( v t m s ，v e h i c l et h e r m a lm a n a g e m e n ts y s t e m ) ，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( e t m s ，e n g i n et h e r m a lm a n a g e m e n ts y s t e m ) ，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。 第1 章引言 热管理平台是能够充分整合发动机、冷却系统和整车三者为一体的平台( 图 1 1 ) 。在此基础上，研究人员可以结合试验数据进行软件模拟，充分发挥c a e 的优势，对热管理进行研究或者对冷却系统进行优化。 图1 1 热管理平台示意图 同时，热管理包括了许多相关子系统( 图1 2 ) ： 图1 2 热管理相关予系统 2 第1 章引言 在整车开发过程中，在系统设计方面，各个系统零部件的确定耗资巨大。 通过计算优化，不仅可以节省费用，缩短时间，而且可以研究： 车辆 乘客舱热流状况 车辆迎风冲击影响 车辆随路况和车速变化对冷却系统的影响 发动机 发动机热流状况 水、润滑油、增压空气里的热量流动 冷却系统 冷却系统布置以及匹配组合 零部件选型和匹配 环境参数对冷却系统的影响 发动机和整车热管理平台建立在理论基础上，根据热管理的要求可以搭建 试验台，模拟发动机、冷却系统以及整车的实际结构。同时，试验还能为模拟 提供数据支持。而利用软件模拟可以减少试验次数，缩短开发周期，节省人力、 物力和财力。 1 1 国内外研究现状及发展趋势 1 3 1 国内研究现状及发展趋势 在汽车热管理方面，国内的发展还比较缓慢。由于在一段时期里，人们注 意的只是发动机的功率和排放方面，而专门研究汽车热管理的组织和人员相对 比较少，汽车热管理并没有得到足够的重视。虽然整车厂、发动机厂和各冷却 系统的零部件厂都为各汽车的运行创造良好的热管理条件做出了努力，但是却 没有一个有效的平台将三者统一起来，使三者能够做到最优匹配。 随着发动机技术的不断进步，包括新动力系统的出现和普及( 如混合动力 系统，燃料电池动力系统等) ，热管理在保护发动机、提升发动机效率和降低排 放等方面越来越突出其作用，而热管理也越来越得到了人们的重视。现在，一 些企业和厂家已经逐渐开展了与高校合作，通过c a e 模拟来缩短开发周期。同 3 第1 章引言 济大学、浙江大学、清华大学等高校在热管理方面也都有自己的科研成果，并 且都有许多与企业合作的实例。 在热管理平台建立方面，国内的资源相对比较少。许多企业和科研单位有 通过s t a rc d 、f l u e n t 或者f l o w m a s t e r 来解决实际冷却问题的例子，但是主要还 是针对单个元件或者系统。能切实建立联系整车、发动机和冷却系统三者密切 关系的热管理平台还比较少见。尤其在k u l i 软件的使用方面，我国国内还未见 大范围的普及。 1 3 2 国外研究现状及发展趋势 国外在热管理方面的进展比我国快得多，企业间的合作也比较多。其中冷 却系统的建模工作最早开始于7 0 年代末1 9 8 2 年，美国密歇根技术大学的u r s i n i 等人开发出了车辆冷却系统仿真程序v e c s ( v e h i c l ee n g i n ec o o l i n gs y s t e m ) 。8 0 年代主要工作集中在对模型的改进冷却系统组件的扩充和模型的验证，例如通 过采集c u m m i n s 发动机实车数据，对仿真模型进行验证，对仿真程序不断进行 升级从最初的d o s 版本到现在w i n d o w sn t 上运行大型程序等。同时基于模型 的故障诊断方法也开始应用到冷却系统，例如美国v a n d e r b i l t 大学b i s w a s 教授 提出的基于定性模型的对冷却液泄漏的故障诊断k e n gb o o n 应用，滑模技术进 行故障诊断等。 此外，许多企业已经能够很好地建立起汽车热管理平台并包含了整车和发 动机、润滑系统、冷却系统等部件的参数，通过软件的模拟( 如k u l i 或者 f l o w m a s t e r ，结合其他软件) ，计算和管理发动机舱或者发动机本身的热分 布，或者对冷却系统和发动机、整车进行零部件选择和布置方案选择以及匹配， 从而来解决汽车热管理问题，提高发动机效率。 在与m a g n a 合作使用k u l i 的企业中，有许多实际的例子。如a u d ia g 基于热管理平台对零部件不同位置安排的设计、b r o g w a r n e r 公司对冷却系统的 路测和最优化风扇控制方案、v o l v o 卡车对热管理平台的建立和分析、v a l e o 公司使用k u l i 建立模型进行发动机舱空气流的计算等等。除此之外，一些公司 开发出来的零部件技术水平也相对地高。比如d a n a 公司开发的智能冷却系统 成套技术等。 另外，国外还有不少的研究机构或者大学给热管理设定研究目标，如噪声 4 第1 章引言 限制或者欧排放限制等进行试验，从而进行换热器的优化、冷却介质流量控 制、冷却系统和发动机运行的稳定性等研究。通过这些研究和试验开发，热管 理平台的建立的确缩短了产品开发时间，并能有效地进行模型建立和模拟计算。 1 2 本论文完成的主要工作 1 ) 研究发动机与整车热管理平台的作用。以软件的理论和数学模型为基 础，充分发挥c a e 的作用，对发动机、整车、冷却系统中的热量和温 度进行分析。 2 ) 搭建和模拟发动机热管理台架，从发动机散热试验台架开始试验和软件 模拟。利用软件准确地模拟发动机试验台架，根据试验条件在软件中设 定对应的参数控制。对关键温度、热量等参数进行比较，验证试验与模 拟的一致性。 3 ) 改进发动机热管理试验台架，并且利用软件进行改进后的发动机热管理 台架模拟。比较发动机入口温度等参数，利用同一方法使得改进后的台 架模型与实际车型相一致。并比较不同软件对同一台架的模拟结果。 4 ) 利用发动机热管理平台，进行零部件的选型和匹配。在台架中选择了不 同的两个散热器、两个风扇和两个不同开度的节温器进行组合，在相同 发动机和稳态工况下进行模拟，在同一冷却常数评价指标下比较模拟结 果，选择最佳组合。并且分析零部件对冷却常数的单独影响，以及利用 热管理平台对风扇进行选型。 5 ) 建立热管理整车模型，根据实际车辆的发动机舱布置和车辆参数建立模 型，在n e d c 工况下进行模拟试算，分析冷却系统主要参数、空气侧参 数等在循环工况下的变化情况。 5 第2 章热管理平台理论 第2 章热管理平台理论 发动机热管理平台主要研究发动机热量的流动，以及冷却系统、润滑系统、 空气流动等从发动机带走的热量。而整车热管理平台主要研究冷却系统、发动 机和整车在热管理方面的匹配，以及在动态工况下的运行状况。而这些都需要 理论支持。 本章将详细叙述热管理平台的基本原理和计算依据。热管理中包括了许多 关于热量、温度、流量以及空气侧的压力、流动等计算，这些理论都是支撑平 台的重要组成。而软件能够在模型中实现所需要的计算。 2 1 发动机冷却系统及零部件m 瑚 发动机冷却系统主要由散热器、风扇、节温器、水泵、膨胀水箱、冷却液 管道等元件组成，还包括了空调的蒸发器、冷凝器、膨胀阀和压缩机，有些汽 车还有发动机中冷器、变速箱冷却等。图2 1 显示了冷却系统的主要组成部分。 车厢加热誉 图2 1 冷却系统主要组成 黼 风扇 散热器：又名水箱，它把冷却液中携带的热量传给外界空气，保持发动机 正常工作温度。 6 第2 章热管理平台理论 风扇：风扇使空气通过散热器由发动机前向后流动，加速冷却液的冷却。 冷却风扇由发动机曲轴通过v 型皮带带动，还可以采用风扇电磁离合器驱动或 者电子驱动。 散热器盖：作用是调节冷却系统的工作压力。当系统内压力超过一定值时， 散热器盖开启，冷却液流到副水箱内；当冷却系内压力小于一定值时，散热器 盖开启，冷却液从副水箱流回散热器。 节温器：控制冷却液大小循环的开关阀，可以使冷却液保持适当的温度。 它控制冷却液做不同循环，其原理是利用可随温度伸缩的材料做开关阀门，当 暖机时( 水温高) 材料膨胀顶开阀门，冷却液进行大循环，当冷机时( 水温低) 材料 收缩关闭阀门，冷却液小循环。大、小循环示意图如图2 2 所示。 犬谮环臼q 髯环 图2 2 大小循环示意图 水泵：是强制冷却液在发动机内部产生循环的部件，它由曲轴v 型皮带带 动，水泵叶轮旋转推动冷却液在整个系统内循环。 冷却液：发动机水道内的冷却液并不是单纯的水，而是由水( 符合饮用水质 量) 、防冻液( 通常为乙二醇) 和各种专门用途的防腐剂组成的混合物。冷却液中 的防冻液含量占3 0 5 0 ，它提高了液体的沸点，在一定压力之下，这种混合 物允许的工作温度可达摄氏1 2 0 ，超过了水的沸点且不容易蒸发。 2 2 热量分配和计算原理 热负荷是影响内燃机工作可靠性和耐久性的重要因素之一。而由于内燃机 的结构和工作原理，从燃油热量中所利用到的有效功率并不高，汽油机的有效 7 第2 章热管理平台理论 功率约为2 5 3 0 ，柴油机的有效功率约为3 0 - 4 0 。 除去有效功率外，大部分的能量都被冷却系统和废气带走。对于现有的内 燃机，可以通过热平衡试验，确定其燃烧放热的总热量中传给冷却液和润滑油 的那部分热量。国内外的热平衡计算和试验结果表明，内燃机传给冷却介质的 总热量约占燃料燃烧所释放热量的2 0 3 0 。通常柴油机为2 5 3 0 ，汽油 机为2 0 2 8 。 同时，由于机械运动产生的摩擦等机械损失也带走一部分的能量。 热量分布的比例，对于柴油机和汽油机而言并不一样，但是大致的能量分 布和流程可以通过图2 3 表示。 内燃机熊量流动图 1 0 0 薯 燃油畿量 图2 3 内燃机能量流动图 ( 1 ) 发动机能量流动 发动机模型的系统边界是根据能量守恒确定的：来自燃料燃烧和进气空气 所供给的焓，通过废气和冷却介质带走的焓，通过发动机表面的热量损失，输 出功率守恒。发动机稳态时输入、输出能量流的分布如式2 1 。 q 蹦一q 4 牺一易一q m q 黝，= o f ，1 、 式中，q 。为总的能量流动源， q t , g 。s 为废气带走的热量，名为发动机有 效功率，q 酬为运行时的能量损失，q 为冷却液带走热量。 8 第2 章热管理平台理论 其中，总的能量流动源q 。主要分为两个部分，燃料燃烧后产生的热量和增 压空气( 增压式内燃机) 带进的部分能量组成总能量： 既= q 绷+ q 工妒 ( 2 2 ) 式中，q 肋删为燃油提供的热量，q 工埔为增压空气所提供的热量( 增压式 内燃机) 。 其中，燃油提供的热量： q 跏删= 曰巩( 材j j l ) ( 2 3 ) 式中，b 为燃料消耗量( k g h ) ；矾为燃料的低热值( k j k g ) 。 ( 2 ) 内燃机有效功率 内燃机热效率计算公式为： 仉2 蠹2 酱 亿4 ， 式中，i - i 为燃料的低热值( 材k g ) ，b e 为有效油耗率( g k w h ) 在内燃机能量流中，实际应用到推动汽车的能量是有效功率c ： 2 圪小刀詈 ( 2 5 ) 式中，i 为内燃机气缸数；n 为内燃机转速；f 为冲程数，二冲程f - 2 ，四 冲程f = 4 ；圪为气缸工作容积( 锄3 ) ；为平均有效压力( k p a ) ，2 詈， 其中形为输出轴输出的有效功。 ( 3 ) 机械损失 内燃机的损失不仅包括实际摩擦产生的损耗，例如活塞环与气缸壁之间的 摩擦或轴承中的摩擦，而且也包括辅助装置，如点火装置、喷油泵、风扇、冷 却水泵、增压器和气门动作的驱动功率、空气动力损耗和液力损耗等。此外， 9 第2 章热管理平台理论 还包括泵气损失。表2 1 为各部分所引起的机械损失大致比例。最大的损耗是由 活塞总成、气门机构和辅助装置引起的。 表2 1 机械损失各部分比例 占总机械损失占指示功率 摩擦损失 6 0 7 58 2 0 驱动附件损失1 0 2 0l 5 换气损失 1 0 2 01 5 机械损失的测定可以用示功图法、倒拖法、灭缸法和油耗线法。在热管理 模型中通常用油耗线法来对机械损失进行估算。 油耗线法也称负荷特性法。内燃机的油耗量与有效功率在低负荷和中等负 荷的情况下基本成线性关系，可以利用外推法和相似三角形的定理，求出机械 损失的值。而对于不同转速时的油耗量和有效功率曲线，可以获得一组机械损 失值。如图2 4 所示。 芒 旦 一 油 耗 l n - - 2 0 0 0i ： 。彭备l 乞五z z r 咒| 移 机磕损失 0 ；7 净 形；1 n - 咖i - ：n- n-101 0a40 辅 ：有效功事嗍 图2 4 油耗线法测机械损失 ( 4 ) 冷却液带走热量 在利用软件进行模拟的过程中，冷却液带走的热量跟实际发动机的运行工 况、冷却系统零部件结构布置和运行情况都有关系。热量的计算方法很多，不 同的软件计算方法也不一致。主要分为两种：一是根据冷却液本身的温度变化 和流量进行计算，二是通过燃料提供的热值以比例的方法进行计算。通常对于 水冷发动机而言，许多文献都提到了经验计算公式结合发动机和燃料的参数进 1 0 第2 章热管理平台理论 行计算【5 1 。 一般来说，水冷发动机冷却系统通过水介质散掉的热量占发动机燃料能量 的2 3 - 3 0 ，应通过试验测出实际瓯值。在冷却液带走的全部热量中，其中 约5 0 是由缸盖散发出去的，活塞散发出去的约占3 3 - - 3 8 ( 由活塞传给缸套， 再传给冷却液) 。 带走的冷却热量可由经验公式2 6 进行计算： q w = c i d l + 2 m , ”( 也一崛) 心吼) ( 2 6 ) 式中，c 为四冲程发动机的比例系数，c = 0 4 5 - - 0 5 3 ，对轻型车或轿车发动 机取下限，对中型以上载货车发动机取上限；i 为气缸数；d 为气缸直径( c m ) ； n 为发动机曲轴转速( r m i n ) ：m 为四冲程发动机的幂指数，取0 6 - - 0 6 5 ；e ，为 燃料的低热值( j m 3 ) ；a h 为燃料燃烧不完全损失的热量( j ) ；口为过量空气 系数，最低转速时口= 0 8 6 ，其他工况口= o 9 6 。 此外，由于通过冷却液带走的热量最终是通过散热器散发到冷却空气中， 因此，可以通过散热器来分析冷却液带走的热量。 散热器与空气进行热交换的关系可用方程式2 7 近似描述： q = c j 丝( 乃伽一乃川) = c o m 。( 乙础一死。加) = 坼4 a t ( 2 7 ) 式中，下标r 和a 分别是冷却水流体和空气流体，i 1 1 以及o u t 为进口和出口， m 为流体质量流量，c 为流体比热，t 为流体温度，口，为散热器的散热系数，4 为散热器的有效散热面积。因为通过辐射散发的热量比例相对对流散热较小， 所以在此辐射散热率忽略不计。 ( 5 ) 废气带走的热量 废气带走的热量可以由式2 8 计算： 乃譬 q t , g a s = i n a b g a s 。j 舾刃 ( 2 8 ) 而 式中，m a b g a s 为废气质量流量，舾为废气热容，乃舾为废气温度，t o 为 环境温度。废气温度可以从发动机试验台架上测得，废气质量流量可以根据供 给的空气和燃油的质量流来确定。 第2 章热管理平台理论 2 3 发动机数学模型 发动机是系统的核心部件，同时在热管理平台里，也是最重要的部分。因 此，需要对发动机数学模型进行分析，明确热量流动的状态，以便能在软件中 建立可靠有效的模型。 2 3 1 基本假设 为了建立有效模型，软件中作以下假设： ( 1 ) 发动机质量由直接质量和间接质量组成，能紧随发动机工况变化而变 化的为直接质量( 例如活塞，发动机缸套等) ，而对发动机工况变化有滞后反应的 为间接质量； ( 2 ) 在直接和间接质量之间存在热量传递； ( 3 ) 冷却剂、润滑油和摩擦产生的热量是分开的； ( 4 ) 发动机产生的热量流入冷却剂、润滑油和环境中； ( 5 ) 水和润滑油内部存在热量传递； ( 6 ) 发动机舱的温度使用平均温度： ( 7 ) 发动机舱的空气流动速度使用平均速度。 2 3 2 发动机模型 发动机热管理模型分为两个部分：一是发动机表面与外界空气接触，散发 到空气侧的热量，二是发动机内部的冷却液和润滑油流动所带走的热量。 在发动机模型中，发动机是建立在空气循环中的，如图2 5 所示，以便于发 动机舱热量流动的模拟。同时，模型中另外一个重要部分就是流经发动机表面 以及油底壳表面的空气。 1 2 第2 章热管理平台理论 o e ) ( h a u s t 图2 5 空气循环中的发动机模型 根据发动机的热量流动和发动机运行工况变化时热流变化的特性，将发动 机的质量分成四个质量块，在水冷循环内和油冷循环内各有一个直接质量和间 接质量。理论上定义为：随着发动机工况变化而受直接影响的质量为直接质量， 直接质量直接与每个循环连接；随着发动机工况变化需要一定时间才能引起变 化的质量定义为间接质量，而且间接质量的热量只来自直接质量，只受直接质 量的影响。 在循环中，燃烧的热量进入发动机质量块后分成了冷却液和润滑油两个流 路，两个流路中的热量直接传递到直接质量中，而间接质量又从直接质量中获 得热量。在冷却液和润滑油之间也产生了热量交换，同时，两个循环流路又通 过发动机表面和油底壳与发动机舱进行热量交换，最后发动机舱通过与环境的 接触将热量散发出去。具体发动机热量流动模型如图2 6 。 1 3 第2 章热管理平台理论 2 3 3 发动机热量平衡 图2 6 发动机质量模型 热量平衡方程： ( 1 ) 冷却液循环直接质量 q d r w - 鲁= ”壶肌+ 丸6 一刍。+ 6 。一壹胁一刍一( 2 9 ) 其中，垂撕为冷却液循环直接质量热量，m 撕为冷却液循环直接质量，c p w 为冷却液循环直接质量比热，d 乙为冷却液循环直接质量温度差，a 。为燃料热 量流入冷却液循环的比例，q 肼为燃料所产生的热量，屯为摩擦热量流入冷却液 循环的比例，q 为摩擦产生的热量，刍。为流入冷却液的热量，蠢为从润滑 油流入冷却液循环的热量，q 胁为流向间接加热质量的热量，q 。为从发动机 表面流入发动机舱的热量。 ( 2 ) 润滑油循环直接加热质量 1 4 第2 章热管理平台理论 q d i r o - 鲁= 吒6 肼+ ( 1 一九) 刍一6 。一6 。一刍腑一6 朋( 2 1 。) 其中，q 枷为润滑油循环直接质量热量，以跏为润滑油循环直接质量，c 。 为润滑油循环直接质量比热，d 乙为润滑油循环直接质量温度差，口d 为燃料热量 流入润滑油循环的比例，q 西为燃料所产生的热量，6 w 为摩擦热量流入润滑油循 环的比例，q 为摩擦产生的热量，q 。为流入润滑油的热量，q 。为从润滑油 流入冷却液循环的热量，q ，砌为润滑油循环直接质量热量，q , - 为从油底壳流 入发动机舱的热量。 ( 3 ) 间接质量 壶耐= - 鲁“一) ( 2 1 1 ) 上式由傅立叶定律可得，其中，为流入间接质量热量，m i n d 为间接质量， k 为热导率，a 为传热面积，为直接加热质量温度，为间接质量温度。 ( 4 ) 润滑油和冷却液之间的传热 q 删= k 厶( 乃一乙)( 2 1 2 ) 其中，q 删为润滑油到冷却液的热量，为润滑油和冷却液之间的传热系 数，厶为润滑油和冷却液换热面积，乃为润滑油温度，瓦为冷却液温度。 ( 5 ) 发动机表面和油底壳的传热 q 咖= 。l ( 乙一k ) ( 2 1 3 ) 其中，既为对流热量，为对流换热系数，如为发动机表面积，为 发动机表面积温度，乙为发动机舱温度。 其中对流热导率由台架试验测量获得的空气流速决定，根据空气流速的 1 5 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 。根据实际测量 算出发动机的损 ( 2 1 6 ) 七，巳，乞2 为修正 ( 2 1 7 ) 其中，只为发动机总损耗量。 在发动机工作时，工作温度对热量的传递是有影响的。同时，由于温度对 润滑油和冷却液的粘度都有影响，这就间接影响到润滑油和冷却液从发动机中 带走的热量。在发动机数学模型中，由于温度变化所造成的热量传递影响由公 式2 1 8 计算： 1 ， 易= ( 二) 。只( 2 1 8 ) 其中，b 为由于温度变化产生的摩擦损失值，y 为润滑油在发动机工作状 态下的运动粘度系数，屹为润滑油在相应温度下的运动粘度系数，为由于温 度变化产生的损失值占总损失值只的比例系数。 2 3 4 发动机特性曲线 在发动机开发中在试验台架上测得的特性场，如油耗、空气流量、废气温 度、废气背压、冷却介质温度和润滑油温度都可以用来确定发动机热力学模型。 1 6 第2 章热管理平台理论 由于这些数据都是在稳态时测得，所以也只能覆盖模型的稳态部分。在发动机 数学模型中，还根据实际测量的发动机油耗图，发动机外特性曲线和倒拖曲线， 发动机散热率曲线等进行插值，使得发动机在所有工况点上都能对应找到相应 的参数。 2 4 空气流路计算 作为车用发动机，发动机的环境( 即发动机舱) 对发动机的热流有很大的 影响。在进行发动机热管理计算时，需要考虑发动机舱的空气流动给热量造成 的变化。 在发动机舱空气流路中，对冷却空气的模型是基于流动理论的。在空气流 动速度低于当地音速很多的情况下，空气的密度变化很小，可以认为是常数。 而空气流经发动机舱时，经过每一个元件时都会产生压力和温度的变化。这些 变化可以由不同的公式来定义。 ( 1 ) c p 值 c p 值是冷却空气流入和流出发动机舱时，由于压力变化所存在的压力系数。 根据伯努利方程，有式2 1 9 ： a + +等2=p2pgzi v l p 2 + p g z 2 + 譬屹2 ( 2 1 9 )a + 寺= + + 屹 ( 2 1 9 ) 二二 对于发动机舱的空气流动，可以忽略势能所造成的差异，如式2 2 0 ： p t + p - 2 - v - 2 = p z + 詈吃2 ( 2 2 0 ) 式中：环境空气流速为，空气压力为儿，而车辆头部表面的空气流速为 咋，空气压力为p k ，则公式可定义为： 儿+ 争2 = 以+ - - p 2 v t 2( 2 2 1 ) 无量纲的压力系数c p 直接与空气流动速度和环境压力与发动机舱内压力差 相关联。图2 7 为发动机舱入口和出口空气流路。 1 7 第2 章热管理平台理论 图2 7 发动机舱入口和出口空气流路 同样，在发动机舱出口处，也可以用速度v 和压力p 来定义其空气流动。 c p 值的计算方法根据车辆和发动机舱的具体情况分为三种：绝对压力、相 对压力和总压力。其表达式如式2 2 2 至式2 2 4 ： 相对压力t a p 2 c p 。i p 。( 比一胁) 2 ( 2 2 2 ) 绝对压力： 卸= c p 。虿p k 2 ( 2 2 3 ) 总压力： a p = i p ( 印k 2 一e t 2 ) ( 2 2 4 ) ( 2 ) 发动机舱内部阻力 空气流过发动机舱时会在风扇的强制作用下流经隔栅、散热器、风扇、发 动机体和相关管道等元件，同时会产生空气流路的分叉和扭曲，这些作用给流 动的空气带来了一定的压力降。根据流动状态，可以将空气流动简化为一维流 动，并且对发动机舱内部阻力建立沿空气流动方向压力降的模拟。 压力降的特性可以转化为无量纲的压力损失系数f ： 1 8 第2 章热管理平台理论 f = 等 亿2 5 ， 式中，哦埘为压力降，p 为冷却空气密度，v 为冷却空气流速。 而空气流动的雷诺数计算公式为式2 2 6 ： r e - 等 ( 2 2 6 ) 式中，v 为特征速度，为特征长度，d 为运动粘滞系数。 ( 3 ) 风扇 风扇在空气流路中的作用主要是增加压力降，使发动机产生的热量更多地 被带走。在热管理模型中，可以建立各种类型风扇的模型，包括机械风扇、电 风扇和离合风扇。而根据不同风扇的特性曲线以及风扇的功率消耗，来模拟风 扇对空气流动以及热量转移的影响。 在空气流路中，需要确定风扇的几个系数。其中包括体积流量系数、压力 系数、风扇效率。 体积流量系数： 4 v 缈= 而 ( 2 2 7 ) 压力系数： 沙= 等 ( 2 2 8 )沙= 昔( 2 “ 风扇效率： 7 7 = 争 ( 2 2 9 )7 7 = 子( 2 2 9 ) 式中，y 为体积流量，d 为风扇直径，p 冷却空气密度，”风扇外沿速度。 如果是粘性离合风扇，则要考虑离合器根据空气温度开关的情况。根据离 合器特性定义风扇的输入和输出转速，如图2 8 。 1 9 第2 章热管理平台理论 _ 4 0 0 0 麦 匠3 0 0 0 圭毒 翟2 0 0 0 建 1 0 0 0 0 k占 占 占 占占占占 矿竹 7 l i 。l 1 - - - _ ， j 卜输入速度 ， 叫离合器结合 - - o - - 离合罂分离 ll 4 04 55 56 06 57 0 7 5 空气温度r c l 图2 8 风扇离合器特性曲线 因此风扇输出转速公式可表示为式2 3 0 ： ( 毛) = u t ( o f f ) + ( ( 叫一( 咿) ) 志 ( 2 3 0 ) 式中，z g 为离合风扇结合率，? l o u t 为风扇输出转速。 2 5k u l l 软件及主要功能 本论文采用k u l i 软件，k u l i 是由m a g n a 公司开发的专门针对汽车热管 理的商业软件，软件的操作简便，界面友好，能够迅速根据实际情况建立冷却 系统、空调系统、发动机和动力系统等模型，并提供比较完善的数据输入，并 且还可以进行静态、瞬态和驾驶模拟，以便计算得出各分系统( 零部件) 在不 同工况下的最佳运行点和最佳工作状态。 k u l i 模型中主要包括了实际整车和发动机中存在的零部件以及控制元件， 如图2 9 至图2 1 5 所示。 ( 1 )发动机 1 h e r r o 【o 哪 ! h e r o 阶雠e r 】 谮“画 图2 9 发动机模块示意图 发动机模块的建立主要是用于模拟发动机的热状况。其模块同时存在于冷 第2 章热管理平台理论 却液循环和润滑油循环中。在模型中，发动机作为整体出现，是整个模型的热 量来源。发动机不同工况的散热量可以通过实际测量确定，如图2 1 0 所示。 图2 1 0 发动机散热量 ( 2 )强制冷却器( 水箱或散热器) p f c 川1 p f c 【o 】 i 心、心 图2 1 1 强制冷却器模块示意图 模型中的强制冷却器由内部流动和外部流动组成，外部冷却水从冷却液中 带走部分热量，从而降低冷却液的温度。模块存在于冷却液循环和外部冷却循 环中，一个是内流，另外一个是外流。 ( 3 ) 水泵 1 p u 图2 1 2 水泵模块示意图 由于不同的水泵对冷却液循环有着不同的影响，在热管理平台中对水泵进 行研究时，需要提供水泵的特性曲线。 2 1 第2 章热管理平台理论 ( 4 )水循环和润滑油循环 模型中包括了三个最重要的流体循环：冷却液循环，润滑油循环和外部冷 却水循环。 2 l n 乩t rc - e 溘 2 0 | c 曲l 图2 1 3 水循环模块示意图图2 1 4 润滑油循环示意图 ( 5 )控制元件 图2 1 5 控制元件模块示意图 通过二维或者三维的控制元件，实现了参数之间的相互关系，并且通过控 制元件达到模型与实际台架参数相对应的目的。 2 2 喇一 d 一 厶缸如 第3 章台架稳态模拟及结果分析 第3 章台架稳态模拟及结果分析 发动机热管理系统主要研究发动机热量的流动，以及冷却系统从发动机带 走的热量。热管理台架试验是研究发动机热管理的重要手段之一，在台架中进 行关键点温度、流体流量和热量的测量，可以分析研究发动机热量的流动情况。 台架的建设要体现发动机的实际热流动，台架试验可以验证模型的模拟计算精 度，在此模型上进行分析计算和优化设计，可以减少试验的次数，减少人力物 力，提高研究效率。 3 1 发动机散热台架 3 1 1 台架试验结构与参数 发动机的散热可以通过构建试验台架直接测量。本试验台架的构建原则： 在台架试验中简化发动机内部冷却液流动，取消冷却液的小循环，只保留大循 环，并在大循环中利用外部强制冷却器对冷却液进行散热。同时台架的简化改 造也便于温度测点、流量测点的布置。此台架试验也作为发动机热管理台架最 基础的试验。 需要建立台架的发动机参数为： 表3 1 发动机基本参数 参数名称发动机参数单位 排量1 3 9 9 6 l 气缸数 4 怠速转速6 5 0r r a i n 额定转速 6 0 0 0r m i n 最大转速 6 5 0 0r r a i n 燃油牌号和密度 r o n 9 7 k g ，m 3 机油牌号5 w 3 0 第3 章台架稳态模拟及结果分析 发动机数模示意图及主要冷却液进出口流向如图3 1 所示。 图3 1 发动机数模示意图及主要冷却液进出口 实际台架试验连接如图3 2 所示。 压力阀 图3 2 发动机散热台架试验连接图 第3 章台架稳态模拟及结果分析 此台架冷却系统包括：连接管道，一个强制冷却器，一个两通节温器( 该 节温器在试验过程中处于常开位置) ，一个水泵，一个膨胀水箱，一个节流阀( 调 节冷却液流量，使之与实车所测相符) 。其中强制冷却器的散热量靠其外部自来 水流量大小进行控制，如图3 3 所示。 图3 3 强制冷却器示意图 同时，试验台架的测点有两个温度测点和个流量测点，即发动机出水口 温度测点，发动机进水口温度测点及冷却液流量测点，其中发动机出水口温度 测点布置在发动机出口处，发动机进水口的温度测点布置在强制冷却器的出水 口处即节温器的进水口处，该台架试验根据测量的两测点温差及冷却液流量来 确定发动机的散热率( q = m c p a t ) 。试验冷却液在9 0 c 时密度为1 0 2 0 1 堙m 3 ， 在9 0 时比热容为3 5 5 5 k j ( k g k ) 。 台架试验以保持发动机出口冷却液温度为9 0 作为目标，在此条件下分别 测量了发动机外特性曲线，转速从1 2 0 0 r m i n 到6 2 0 0 r m i n 的1 3 个工况点下发动 机进出口冷却液温度，冷却液散热量及冷却液流量值。 3 1 2i ( u l _ i 模型 根据试验台架及外部冷却水连接，在软件k u l i 中建立相对应的台架稳态模 型，如图3 4 所示。 2 5 第3 章台架稳态模拟及结果分析 模拟参数 润滑油循环 型( 油侧) 发动机模型( 水侧) 强制冷却器 群t 一世了i 强制冷却器 图3 4k u l i 发动机散热台架模型 水泵 - 一 冷却液流动方向 模型中包括了润滑油循环，冷却液循环以及外部冷却水循环。在冷