冷却系统匹配方法.doc

冷却系统匹配方法加入时间： 2007-7-19 10:43:43 浏览次数：34整车冷却系统优化匹配方法浅谈 盛明星 (上海柴油机股份有限公司，上海200438) 【摘要】对整车冷却系统的优化匹配方法进行介绍。首先采用适当的试验方法对相关零部件的性能进行测试，获得完整的性能数据。这不仅可以对特定部件进行全面评价，也使零部件的试验更好地为冷却系统匹配分析提供有价值的参考数据。如果条件允许则可利用CFD的模拟分析手段，整车风洞试验或整车道路试验是整车冷却系统匹配优化的最终评价手段。 Abstract：Optimizing method in matching process of vehicle cooling systems is one of key factors for a good vehicle applicationTo begin with，relevant components should be tested with proper methods to acquire complete performances data of the components.The test results can be used to evaluate the components and offer the reference data for cooling system analysis. The cooling system should be analyzed by CFD if possibleA vehicle test in wind tunnel or a vehicle steering test is a final appraisal method of a matching optimism of vehicle cooling systems 1前言 汽车、工程机械在实际的使用过程中，冷却系统会出现水温过高、过低的情况，特别是由于系统匹配不当造成此类问题时，此类故障就很难简单解决，从而影响整车的正常使用，因此，整车厂以及相关零部件供应商对冷却系统的匹配研究给予越来越多的关注。国外这方面的研究工作已经比较系统，各种研究手段已经相当成熟，而国内仍处于起步阶段。 整车冷却系统一般由以下部件组成：发动机、(温控)风扇、水散热器(水箱)、中冷器、节温器、空调系统、变矩器油散热器、液压油散热器、取暖器以及相应的管路、温度传感器及仪表等。如何对所选择的冷却系统配置进行分析和评价，从而缩短新品设计开发周期，提高设计成功率，是设计师追求的目标。传统的做法是按照类似整车经验，选择一些冷却部件进行组合，然后样机装车直接试验考核，因此，在一次成功率和系统优化能力方面相对欠缺。 目前中国汽车产业发展迅速，国内的汽车厂商及零部件供应商的技术水平也在不断提高，试验能力不断增强，同时模拟计算手段CFD日趋成熟，这些都为冷却系统匹配研究提供了很好的条件。 本文试图结合实际工作，就整车冷却系统匹配优化方法作一些探讨。 2典型冷却系统示意图 冷却系统的布置型式多样，下面以某装载机的冷却系统布置型式来说明，如图1所示。 具体布置包括：热源(包括发动机、工作液压泵、变矩器)、散热器(包括水散热器、机油冷却器、变矩器油散热器、液压油散热器)、冷却介质(包括水(防冻液)、机油、液压油、变矩器用机械传动油、环境空气)、结构件(包括车架、机罩、导风罩、前格栅)。 部件试验和分析 31发动机水泵 水泵的作用是对冷却水加压，使之在冷却泵中加速循环流动，因此水泵性能的好坏直接影响冷却系统的工作，在试验时应测定以下参数： 1)测定各档转速下的流量一扬程特性。水泵试验转速选定时一般应选取发动机标定转速、最大扭矩转速和其它特定需要的转速，另外还需要适当再穿插一些转速，如图2。 2)测定其穴蚀能力。穴蚀能力在使用中具有实际参考意义，当外部散热器等的流动阻力过大时，将会使水泵进口处出现一定的真空度，当接近穴蚀区域时，水泵流量将会大幅度下降，从而导致故障的发生。在确定配置时要充分考虑这一点，有些系统中采用补偿水管来避免这种故障的发生。 3)测定各转速流量时消耗的功率及效率。 图1 发动机冷却系冷却液匹配图 32节温器 节温器属于冷却系统的调控装置，其作用是随发动机出水温度变化自动控制通过散热器的冷却液流量，以调节冷却液的温度，在试验时应测定： 1)测定节温器开启规律(即温度一升程关系)。通常来说提高发动机工作时的冷却液温度，可以使其热效率处于较高水平。发动机的水温处于较高(如80以上)为宜，所以现代发动机的节温器开启温度大多在80以上，全开温度在9095左右;另外，为避免冷却液温度变化幅度过大，在大循环逐渐打开的同时，小循环应逐步关闭，其行程为大循环行程的1/22/3为宜。 2)测定节温器全开情况下的流量一阻力特性关系。试验时，设法使其处于全开位置，并和对应的节温器座体安装在一起进行试验，选取合适的流量，测出对应的阻力。 图2 发动机冷却系统冷却液侧匹配图 33发动机内部冷却液侧流动阻力特性 发动机内部冷却液侧流动阻力主要是指发动机的机体和缸盖冷却液通道的阻力。对于新研制的发动机在冷却系统试验时，有必要对二者进行阻力试验，以便更好地对水泵各项参数进行设计评估。具体操作：水泵和节温器都应隔离出来，必要时对水泵处节温器座体处进行适当处理。具体特性曲线如图2所示。 34发动机外部阻力冷却液流量特性试验 按照发动机实际使用的热负荷最大工况或常用工况，确定某几档转速(特别对于一些工程机械用途的发动机有必要增加调速特性时的转速)。 图3 发动机冷却系统冷却液侧匹配图 在各档转速下分别测定外部流动阻力变化时相应的流量变化规律。可参见图3。 试验时应使发动机冷却液走大循环，节温器处于全开状态。 35发动机散热量的测定 发动机散热量的测定参数如下： 1)确定典型工况转速(标定和最大扭矩，或根据最终车辆的使用特点，必要时调速特性上的转速)。 2)测定各档转速下的燃料消耗量、冷却液散热量、中冷器散热量、EGR散热量、有用功、排气带走热量，计算出各自的比例。 3)测定各档发动机进气流量、中冷器进出口温度、进出口压力等参数，可以计算出中冷热量，为中冷器的选型提供依据。 试验时的注意事项： 1)应保持发动机油门为最大。 2)必要时，在额定功率上偏差条件下(如+5)重复上述试验，以便掌握生产一致性对散热量的影响。 3)试验测定时，发动机冷却液进出口的温差一般不大，因此温度传感器的精度要予以保证，同时测点位置的布置也应符合相关测试规范。 4)试验室条件许可时，可调节不同的试验室环境温度，重复上述试验，以便了解环境温度对散热量的影响规律。 36水散热器、中冷器 散热器的风洞试验。由于影响散热器的散热能力特性的因素较多，对特定材料、特定结构的散热器，其热侧流量Ql、冷侧流量Q2、液气温差t是影响其传热系数的主要因素，即传热系数K=f(Ql， Q2，t) ，风洞试验的目的是得到K和Ql， Q2，t的关系曲线(我们把它称为万有传热特性场)，如图4。 图4传热系数与热侧流量、冷侧流量、液气温差的关系 散热性能试验：试验时选取液气温差为20，30，40，60，参照冷侧匹配点的流量(匹配点的确定可按照图3)，分别测定冷侧4档流量的散热器散热量、计算散热系数、传热系数。 热侧流动阻力特性，测定在不同流量时的阻力。可参见图3。 冷侧流动阻力特性： 对于中冷器试验时可选取气一气温差在100，80，60，参照增压空气的流量、出口温度等来确定风洞试验方案，可获得冷侧的流动阻力。 在以上测试数据的基础上，利用相关的数据处理软件，可以得到该散热器的万有传热特性场。 37变矩器油散热器 同水散热器的做法，但热侧介质选用实际的工作介质，整车特定工况时该散热器的散热量、介质流量，如果理论计算没有把握时，则需要在整车上进行测量并予以确定。最终得到该散热器的万有传热特性场。 38液压油散热器 同水散热器的做法，但热侧介质选用实际的工作介质，整车特定工况时散热器的散热量、介质流量，如果理论计算没有把握时，则需要模拟整车进行测量予以确定。最终得到该散热器的万有传热特性场。 39风扇 风洞试验可得到风扇的风量一静压、风量效率、风量一功率特性参数和曲线，如条件许可，可同时测量风扇的噪声，以便为方案的选择提供辅助参考信息。 上述部件性能试验方法的合理性、测试技术的规范性，以及试验方案的针对性都是很重要的，由此得到的部件试验数据在系统匹配分析时的利用价值会更大，实际工作中应予以充分重视。 部件的特性不仅对于系统分析是必要的，同时也便于同种部件进行相互比较，如两种水泵，根据它们的部件性能，可对其流量、扬程、以及功耗作出优劣评判。从而为部件优化确定方向。 所有相关零部件在系统中都不是孤立的，我们研究的目标首先是对每个子部件的流体动力学、热力学特性要有充分了解，然后才是他们之间的相互影响。 4匹配分析方法1 各单个零部件的优化方法本文不作具体展开，这里强调的是系统概念，因为每个部件可能都有优化改进提高的余地，但是对系统带来的收益却大小不等，有时可能相差巨大，因此系统方法使我们能够找到主要矛盾，从而展开最有效的改进优化措施，达到事半功倍之目的。 模拟匹配计算的初始边界条件：发动机全油门，整车车速、环境状况和档位保持在设定的条件下。 系统匹配计算可分以下3步进行： 1)首先需要确定整车实际使用过程中最为恶劣的散热工况。一般地，车用发动机的危险工况为长距离爬坡，车速较低(按标准规定，试验时变速箱处于二档位置)，而对应的发动机处于全油门最大扭矩工况;装载机的工况则为最高速跑车工况，对应的发动机工况为调速特性上的某一转速。 2)确定对应的各相关部件的工作点。由发动机转速，得到相应的水泵转速、风扇转速。然后可以确定查找上述相关部件特性曲线，得到该特定工况点的冷却液流量、冷却液散热量、中冷器散热量、工作油散热量等数据。 3)相对来说，水侧的参数确定较为简单，各部件配置一定时，就可得到系统的总阻力一流量特性。水泵为驱动源，其它的都是阻力部件，机体缸盖、节温器叠加后得到图3的4条曲线，在此基础上把外部水箱等散热器的水阻特性叠加后，得到实际工作点。如图3中所示，假设某整车在发动机1 800rmin全负荷为散热的危险工况，则分析图中匹配点，即为发动机在1 800rmin全负荷时的热侧流量为230Lmin。 确定风侧的匹配点则是一个难点，一般可进行风洞试验得到相关数据，也可利用CFD分析后得到相关数据，作为换热分析的输入条件。 整车热系统包括零部件很多，如空调冷凝器、冬天用取暖器、自动变速器油散热器、变矩器油散热器、工作泵油散热器、燃油冷却器等等，它们在系统中的布置也是多种多样，有些是串联叠加在一起，有的并排在一起，有的独立布置，也有比较复杂的布置，如图5，6，7所示。 大多数的叠加布置，其风阻特性可在部件风洞试验台上得到，这样流过各散热器的风量可以确定。 但是必须要考虑的是整车上的一些结构件对风扇风量的影响不容忽视，如车架、机罩、导流格栅，以及发动机本身等，由于现在的CFD技术已经相当完善，利用它就可以很好的模拟计算出风侧的流动特性，得到各种不同叠加方式的风阻分布规律，风洞试验的数据和CFD计算结果可相互验证。 4)换热模拟计算。 具体计算分析时，可对整个迎风区域进行分区，对各区的阻力进行CFD分析，进行换热计算。采用迭代逼近计算的方法可以算出给定边界条件下的系统平衡温度，以及相应的各部件的动力学和热力学参数。 以下举例简单说明“B完全叠加”的模拟计算方法。 已知条件： 环境温度t0 、压力Po、湿度、车速v 、比热CP油(t，P)，CP冷却液(t，P)，CP空气(t，P)。 水箱：上、下两部分热侧流量Qfiow，散热量Qheat，万有传热特性场K(Q热侧flow，Q冷侧flow，t液气); 油散热器：热侧流量Qfiow，散热量Qheat，散热面积F，万有传热特性场K(Q热侧flow，Q冷侧flow，t液气); 中冷器：热侧流量Qfiow，散热量Qheat，散热面积F，万有传热特性场K(Q热侧flow，Q冷侧flow，t液气); 风扇：位置及风量特性 求解确定如下参数： 水箱：冷却液进、出口温度t w，t w，可据此对系统适应高温环境能力作出评价。 中冷器：热侧进出、口温度t c，t c。，可据此对中冷系统是否满足排放及性能等作出评价。 油散热器：热侧进、出口温度20，tO!-可据此对液压油散能力作出评价。 空气：散热器前后温度t a，t a 可得到液气温差。 具体方法： (1) 利用部件风洞试验或CFD得到的数据： 油散热器冷侧前后压差、中冷器冷侧前后压差、水箱冷侧前后压差，从而得到水箱上下两部分(即分别通过油散热器和中冷器)冷侧的空气流量Qf iow上、Qfiow下。 (注：由于气体的物性参数对温度、压力的敏感性强，可根据精度要求等用求解结果对CFD计算结果进行反复运算，以逼近真实解，此种算法是可行的，但计算工作量大。) (2)根据能量守恒定律： 能量守恒定律：热侧Q热侧heat=Q冷侧heat 的系统平衡温度，以及相应的各部件的动力学和热力学参数。 以下举例简单说明“B完全叠加”的模拟计算方法。 换热规律：Q heat=QfiowCPt 传热规律：Q heat =KFtm 质量守恒定律：Q水箱冷侧质量流量=Q油散冷侧质量流量+Q中冷器冷侧质量流量 其中： 对于液体介质(如冷却防冻液、液压油、变矩器传动油等)，比热CP和密度值随温度变化不大，故Qfiow流量单位取kg/s或m3/s皆可。 对于气体介质(如空气、增压空气等)，比热CP和密度值随温度变化较大，换热计算时Qfiow流量单位取kgs，阻力(压差)计算时Qfiow流量单位取m3s。 t进出口温差，即指整个部件的进出口温差，亦可指对部件划分后的各部分单元的进出口温差，根据结构的对称性情况以及不同的计算精度要求的不同来确定划分方案。 F相关散热器部件(或CFD划