（车辆工程专业论文）整车热管理系统的仿真与优化.pdf

保密2 年 耐眦m s i m u l a t i o na n do p t i m i z a i t o nofn1 t o n v e hiclet h e r m a lm a n a g e m e n ts y ste m s c h o o l d e p a r t m e n t ： s c h o o l o fs i n o g e r m a n y d is c i p li n e ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g m a j o r ： v e h i c l ee n g i n e e r i n g c a n d id a t e ： z h o n gy u n s u p e r v is o r ：p r o f d r j i m i nn i j u n e ，2 0 0 8 学位论文版权使用授权书 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： 彳、彳莉 v 为s 年6 氏p 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： ( 啼初 2 加孑年6 月2 9 日 摘要 摘要 随着汽车发动机在动力、节能和环保方面的飞跃发展，使得发动机的升功 率不断提高，同时发动机舱的设计变得更为紧凑，因而对于冷却系统以及汽车 热管理就提出了更高的要求。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。 本课题基于热力学和传热学方面的理论知识，分析了发动机内部的热量平 衡情况。同时介绍了发动机冷却系统各主要零部件在仿真建模过程中运用的建 模方法和设计原理。 首先基于一台小型汽油机，搭建发动机散热试验台架，并利用a m e s i m 软件 对台架进行模拟。以外特性工况下的发动机入口温度和放热率作为比较依据， 验证模型与试验的一致性。结果显示，模型的冷却液入口温度与发动机台架试 验值相差约0 1 ，放热率最大相对误差仅为2 4 。表明软件对台架的模拟有 较高的精度和可靠性。 其次以一台大型柴油机为例，建立发动机热管理瞬态试验台架，分析说明 了发动机热管理瞬态模型的建模原理，同时在瞬态试验的基础上利用k u l i 软件 建立发动机热管理瞬态模型。根据冷却液和机油的试验温度变化曲线对模型中 的关键参数进行调整，最后得到较为理想的瞬态仿真变化曲线。 然后选定三个散热器、两个水泵、两个水泵传动比和两组大小风扇进行相 互匹配，利用正交试验的方法进行仿真分析。分别在二档最大扭矩工况和二档 最大功率工况下结合冷却常数、冷却系统耗功和冷却效率三个评价指标，计算 得到了6 组备选零部件组合。然后在外特性条件下对这6 组方案再进行模拟分 析，最后结合冷却常数和耗功这两个评价指标得到该发动机最佳的冷却系统零 部件组合。对原有发动机的冷却回路进行改进，采用分隔循环式冷却回路，通 过仿真分析，比较得出分离循环式冷却系统的冷起动时间比传统冷却系统减少 了8 7 s ，发动机的机体温度升高了5 5 ，减少油耗5 。 最后以手动5 档的车辆为基础，在软件中建立整车热管理模型。分别在2 5 、一7 、4 0 以及爬坡情况下进行n e d c 循环测试，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 况的变化趋势。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 摘要 机舱带走的热量，提出相应的改进措施。 关键词：热管理，冷却系统，发动机台架，瞬态试验，整车 i i a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n g 、析t i lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fv e h i c l ee n g i n ei na s p e c t so fp o w e r , e n e r g y s a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , t h ee n g i n ev o l u m e t r i ce f f i c i e n c yi sh i g h e ra n d t h ee n g i n ec o m p a r t m e n tb e c o m e sm o i la n dm o i lc o m p a c t ，a l lt h e s er a i s et h ec a l m a n u f a c t u r e r s 。r e q u i r e m e n tf o rc o o l i n gs y s t e ma n dv e h i c l et h e r m a lm a n a g e m e n t t h e t h e r m a lm a n a g e m e n tp l a t f o r me m p h a s i z e sf u l l ya n ds y s t e m a t i cr e s e a r c ho ne n g i n e a n dv e h i l et h e r m a lm a n a g e m e n t b a s e do nt h et h e o r e t i c a lk n o w l e d g eo ft h et h e r m o d y n a m i c sa n dh e a tt r a n s f e r , t h i sr e s e a r c ha n a l y z e dt h ee n g i n e si n t e r n a lh e a tb a l a n c es i t u a t i o n f u r t h e r m o r ei t i n t r o d u c e dt h em o d e l i n gm e t h o d sa n dd e s i g np r i n c i p l e so fi m p o r t a n tc o m p o n e n t si n e n g i n ec o o l i n gs y s t e m t h i sr e s e a r c hb u i l tu pe n g i n eh e a tr e j e c t i o nt e s tb e n c ha c c o r d i n gt oas m a l l g a s o l i n ee n g i n e ，a n d s i m u l a t e di t 诵t l la m e s i ms o t t w a r e t h ei n l e tc o o l a n t t e m p e r a t u r ea n dh e a tr e j e c t i o nr a t i ow e r eu s e da sc o m p a r i s o no b j e c t s t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h ei n l e tt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e ns i m u l a t i o na n dt e s tb e n c hw a s o n l y0 1 a n dt h em a x i u mr e l a t i v ee r r o ro fh e a tr e j e c t i o nr a t i or e a c h e d2 4 t h i s s h o w e dh i 。g hp r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t yo ft h es i m u l a t i o n b a s e do n ab i gd i e s e le n g i n e ，t h et r a s i e n tt e s tb e n c hf o re n g i n et h e r m a l m a n g e m e n tw a ss e tu p a c c o r d i n gt ot h em o d e l i n gp r i n c p l e so ft r a n s i e tm o d e la n d m e a s u r e m e n to ft r a s i e n tt e s t , t h et h e r m a lm a n a g e m e n tt r a s i e n tm o d e lw a sb u i l tw i t h k u l is o f t w a r e t h em e a s u r e m e n tc u r v e so ft h ec o o l a n tt e m p e r a t u r ea n do i l t e m p e r a t u r ea leu s e dt or e g u l a t et h ek e yp a r a m e t e r si nt h et r a s i e n tm o d e li no r d e rt o g e t t h ei d e a ls i m u a l t e dt r a n i s e n tt e m p e r a t u r ec u r v e s t h r e er a d i a t o r s ，t w ow a t e rp u m p s ，t w op u m pt r a n s m i s s i o nr a t i o sa n dt w of a n s g r o u p sw e r ec h o s e na n dm a t c h e df o rt h es i m u l a t i o nw i t l lam e t h o do fo r t h o g o n a lt e s t t h es i xc o m p o n e n tg r o u p sw e r ep i c k e du pr e s p e c t i v e l ya c c o r d i n gt ot h r e ee v a l u a t i n g i n d i c a t o r s ：c o o l i n gc o n s t a n t ，c o n s u m e dp o w e ra n dc o o l i n ge f f i c i e n c y u n d e r m a x t o r q u ew i t l ls e c o n dg e a rr a t i oa sw e l la su n d em a x p o w e rw i ms e c o n dg e a rr a t i o i i i a b s t r a c t f i n a l l yt h e s es i xc o m p o n e n tg r o u p sw e r es i m u l a t e da n da n a l y z e du n d e re n g i n e f u l l l o a dc o n d t i o n st og e tt h eb e s tc o m p o n e n tg r o u p i n s t e a do ft m n d i t i o n a lc o o l i n g c i r c u l a t i o nas p e r a t e dc o o l i n gc i r c u l t a i o n 、析t ht w ot h e r m o s t a t e sw a su s e di nt h e p r o c e s so fi m p r o v e m e n to ft h ec o o l i n gs y s t e m 1 1 1 ea n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ec o l ds t a r t t i m eo fc o o l i n gs y s t e m 、析t 1 1s e p a r a t e dc i r c u i ti sr e d u c e db y8 7 sa n dm e a n w h i l et h e t e m p e r a t u r eo ft h ee n g i n eb l o c ka r ei n c r e a s e db y5 5 。c t h ef u e lc o n s u m p t i o ni sa l s o d e c r e a s e db y5 b a s e do n a5g 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 i l s o f t w a r ek u l i t h es i m u l a t i o nw a ss e tn e d ci nf o u rd i f f e r e n tt e s tc o n d i t i o n s ： 2 5 c ，一7 ，4 0 ca n dg r a d ec l i m b i n g ，i nw h i c ht h e i rp a r a m e t e r sw e r ea n a l y z e da n d c o m p a r 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 dc i r c u i tm a s sf l o w , i n l e ta n d o u t l e tt 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 e ，t e m p e r a t u r ea tt h ea i r s i d ea n dh e a tt r a n s f e ri nt h ee n g i n ec o m p a r t m e n tw a sa l s oa n a l y z e d a c c o r d i n g l y s o m eu s e f u li m p r o v e m e n ts o l u t i o n sh a sb e e np u tf o r w o r d k e yw o r d s ：t h e r m a lm a n a g e m e n t ，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 ，t r a n s i e n tt e s t ， v e h i c l e i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第1 章引言1 1 1选题背景1 1 2 国内外研究现状及发展趋势1 1 2 1 国内研究现状及发展趋势。1 1 2 2 国外研究现状及发展趋势一2 1 3 热管理的研究意义3 1 4 本论文完成的主要工作5 第2 章整车热系统设计及建模理论基础7 2 1 发动机的热平衡7 2 2 发动机冷却系统及其组成1 1 2 3发动机冷却系统各部件的建模方法及其理论基础11 2 3 1 发动机传热11 2 3 2 散热器1 5 2 3 3 风扇2l 2 3 4 水泵2 2 2 4a m e s i m 软件及其在整车热管理方面的应用2 3 第3 章发动机热管理系统台架稳态试验及其模拟分析2 5 3 1 发动机热管理系统台架的建立2 5 3 1 1 台架试验结构与参数2 5 v 目录 3 1 2 基于台架的a m e s i m 仿真模型。2 6 3 1 3 模拟计算结果的验证。2 9 3 2 发动机台架进一步的改进意见3 2 3 3 本章小结3 3 第4 章发动机热管理系统台架瞬态试验及其模拟分析3 5 4 1 瞬态模型的建模原理3 5 4 2 热管理瞬态试验台架结构及仿真模型4 1 4 3 模拟计算结果比较4 4 4 4 本章小结4 6 第5 章基于整车的零部件选型及结构优化设计4 7 5 1 冷却系统优化设计的评价指标及重要性能参数4 7 5 1 1 冷却系统的冷却能力评价指标4 7 5 1 2 冷却系统经济性的评价指标4 8 5 2 基于整车道路测试的零部件选型4 9 5 2 1 模型说明4 9 5 2 2 选型零部件及测试工况说明5l 5 2 3 模拟结果分析5 3 5 3 冷却回路的结构优化5 8 5 3 1 分隔循环式冷却回路介绍5 8 5 3 2 模型说明5 8 5 3 3 与单回路冷却系统的模拟结果分析比较6 0 5 4 本章小结6 3 第6 章整车热管理模拟6 5 6 1n e d c 循环模拟6 5 6 1 1 冷却系统结构及零部件参数6 5 6 1 2 模型说明：6 6 6 1 3 计算结果分析6 8 v l 7 6 8 0 6 4 本章小结8 5 第7 章总结与展望8 6 7 1 总结8 6 7 2 展望8 7 致谢9 0 参考文献9 1 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果9 3 v i i 第1 章引言 1 1 选题背景 第1 章引言 随着人们对于汽车动力性、经济性、环保以及舒适性方面提出了越来越高 的要求，各种新技术和新概念也随之应运而生。由于汽车热管理对提高燃料经 济性和减少排放有直接或间接的影响，因而许多汽车厂商都不遗余力地在这个 方面进行研究和改善。 热管理作为汽车节能、安全和环保的重要技术之一，是当代汽车研究与开 发、特别是燃料电池等电动汽车研究与开发所面临的主要难点之一。当前我国 还没有相应的汽车热管理系统试验研究平台。建立热管理系统试验公共技术平 台，对于突破热管理系统集成关键技术，加强热管理系统的设计集成和制造集 成，向模块化设计、系统化配套的方向发展具有重要意义1 。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 国内研究现状及发展趋势 发动机冷却系统作为发动机正常稳定运行的重要辅助系统，国内学者和企 业对其研究一直在不断地深入和扩展。在燃烧放热，活塞、缸套、气缸盖温度 场与热负荷，缸内气体流动与传热，散热器设计，风扇设计优化，排气系统传 热等方面做了大量的研究工作口h 4 | 。 在整车热管理系统的研究领域，国内起步比较慢，许多企业在新车热系统 的设计过程中还是依靠原有的设计经验和费用较高的试验来进行。冷却系统中 许多问题在产品开发阶段中没有暴露出来并加以解决，当用户使用反馈后往往 要花费大量的人力和物力来改进产品中出现的缺陷。 随着发动机技术的不断进步，国内许多企业已经逐渐意识到了自身在冷却 系统设计方面的不足，都在发动机热管理技术的研究及其平台建设方面投入了 一定的科研力量。现在，一些企业已经开始在改变散热器形式、改变风扇驱动 第1 章引言 形式或者改变冷却系统布置方式等方面取得了一定的成果，如出现了许多高效 换热器、电控风扇、冷却介质流量控制等新产品畴h 8 | 。 仿真具有可预先研究、无条件限制、信息丰富、成本低、周期短等一些显 著特点，一直是研究的热点。这方面的研究包括发动机冷却系统空气流动的数 值计算，车用内燃机冷却系统动态传热模型，发动机冷却系统流固耦合稳态传 热三维数值仿真，在m a t l a b s i 删l i n k 环境中建立发动机冷却系统的仿真模型， 分析冷却系统各组件的工作特性，并以实验数据对模型进行验证田1 。 一些高校与企业展开合作，利用国外的热管理分析软件参与到冷却系统及 空调等部件开发过程中n 伽1 “1 。例如交通大学的祁照岗利用k u l i 软件对汽车空调 系统与发动机冷却系统进行了耦合计算和实验对比研究，找出了系统之间的相 关性，提高空调系统和冷却系统的设计水平n 别。 总之，国内的热管理技术研究正处于起步阶段，所涉及到的冷却系统的研 究也尚处于经验设计阶段，而且研究多限于对冷却系统零部件的改进和提高上， 还没有上升系统的高度来研究把整个热管理系统。因此，在评价和确定相关对 象在某个工况点的最佳工作温度以及相关控制策略上都缺乏依据。 1 2 2 国外研究现状及发展趋势 国外在热管理方面的起步比我国早，自上世纪7 0 年代初期开始，国外就开 始着手改进传统冷却系统。1 9 9 9 年，法雷奥( v a l e o ) 公司提出了智能冷却系统 t h e m i s ，来改善发动机的冷却性能。在它这个智能冷却系统中首次综合运用可 调流量水泵，可调转速电动风扇，以及用比例控制阀替代传统的节温器，并提 出用e c u 来控制调节车辆的冷却系统n 引。 随着热管理技术的不断发展，许多企业利用计算机仿真技术建立起汽车热 管理平台，将整车和发动机构造、润滑系统、冷却系统和汽车空调有机地纳入 到热管理系统中，通过软件的模拟( 女i k u l i 、f l o w m a s t e r 和s t a r c d ) ，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，从而来解决实际过程中整车在冷却散热方 面遇到的问题，这种开发模式有效的提高了开发效率，缩短了一些新技术的开 发时间和开发成本u 4 1 。 例如德国宝马公司利用l d 软件f l o v a n a s t e r 和3 d 流体力学计算软件s t a r c d 的 2 第1 章引言 之间相互耦合成功地对其产品的冷却系统进行仿真优化和分析计算，缩短了其 产品的开发周期n 副。 德国斯图加特大学内燃机与汽车工程研究所( i v k ) 利用k u l i 与f l o w m a s t e r 软件为福特汽车某一车型进行冷却系统瞬态性能的优化，同时结合必要的风洞 实验验证在仿真过程中提出的改进措施，有效改善冷起动时间内的燃油经济性 1 6 】 o 奥地利a v ll i s t 公司利用其自身研制的发动机燃烧模拟软件b o o s t ，动力总 成匹配软件c r u i s e ，结合f l o w m a s t e r 与k u l i 软件，建立完整的从发动机到冷却 系统，最后到整车的热管理分析平台n 引。 法国i m a g i n e 公司与法国雷诺汽车公司合作，利用i m a g i n e 公司开发的 a m e s i m 软件进行冷却系统进行仿真模拟，为其发动机改型和零部件的优化设计 提供了预判，并大大缩短了新产品的开发时间n 引。 德国f e v 公司利用自身开发的1 d 热管理分析软件，结合3 dc f d 软件及其f e v 长期积累的冷却系统产品数据库，在产品前期开发中进行软管理模拟分析与零 部件的初步选型优化n 引。 由此可见，热管理的仿真技术对于现代发动机的开发及其与整车的匹配优 化都具有极其重要的意义。 1 3 热管理的研究意义 汽车热管理是从系统集成和整体角度，控制和优化汽车的热量传递给各个 部件的冷却系统、预热与保温系统、气候控制系统( 联合式暖风、空调通风系 统) 等集成为一个有效的热管理系统，保证关键部件及系统安全，控制和优化 热量传递过程，减小热管理系统的尺寸和功率消耗，并且合理利用热能，降低 废热排放，提高能源利用效率，减少环境污染啪1 。 热管理系统是基于整个系统的发动机燃烧放热与传热的综合管理系统，集 成控制进排气、冷却系统和润滑系统等的热交换，提高循环热效率，降低热负 荷，控制发动机部件高、低温极限，温度分布及其变化规律。 热管理系统包括： 1 ) 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 3 第1 章引言 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。 2 ) 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。 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。 鼬 渺 硝呦r 膏 图1 1 热管理平台示意图 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，而且可以对以下几方面进行深 入研究： 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 4 第1 章引言 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瞳妇 利用发动机热管理系统试验平台，可以集成热管理系统相关的零部件，研 究不同发动机工况下发动机的热量分布，零部件间温度、传热量的相互对应关 系，研究冷却系统结构变化或零部件参数改变对冷却性能的影响，为模块化设 计、系统优化配套提供有力支持。 利用发动机热管理系统仿真平台，可以根据各种车用工况，对热管理系统 的部件、子系统以及环境系统进行耦合，进行实时的动态和稳态热计算和分析， 为热管理系统的集成优化设计研究提供平台支持，从而减少大量的试验，节省 大量的人力、物力和财力，缩短开发过程，提高产品的开发质量和性能。 1 4 本论文完成的主要工作 以冷却系统各部件的数学模型为基础，依靠a m e s i m 软件和k u l i 软件建立仿 真模型，充分发挥c a e 的作用，对发动机、整车、冷却系统中的热量分配、温度 与流量变化进行分析研究。 1 搭建和模拟发动机热管理试验台架与仿真台架，根据发动机万有特性参 数和其他试验数据，在a m e s i m 软件中设定对应的参数边界条件。对关键测点如 冷却液的温度、流量以及换热量等参数进行分析比较，验证试验与模拟的一致 性。 2 在发动机热管理试验台架的基础上提出针对台架的改进意见，实现发动 机热管理试验台架结构和功能上的优化。 3 在原有发动机台架的基础上进行发动机热管理瞬态试验，分析瞬态建模 的方法和原理，运用k u l i 软件建立发动机热管理瞬态模型，并通过实验数据对 瞬态模型中的相关参数进行调整，以达到与实际情况吻合的瞬态温度变化曲线。 4 利用整车热管理平台进行零部件的优化选型和匹配。在试验台架中采用 5 第1 章引言 不同的三个散热器、两个水泵、两个水泵传动比和两组风扇组合进行比较分析， 在二档最大扭矩工况和二档最大功率工况下进行模拟，用同三种评价标准( 冷 却常数、消耗功率和冷却效率) 来比较模拟结果，选择最佳的零部件组合。 5 在最佳零部件组合的基础上进行冷却回路的优化，用分隔循环冷却回路 代替原有的冷却回路，应用a m e s i m 软件进行分析比较。 6 利用热管理整车模型，根据实际车辆的发动机舱布置和车辆参数建立模 型，分别在2 5 c 、一7 、4 0 以及爬坡情况下进行n e d c 循环测试，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。 第2 章整车热系统设计及建模理论基础 第2 章整车热系统设计及建模理论基础 2 1 发动机的热平衡 燃料在内燃机中燃烧时所放出的热量，只有一部分转变为有效的机械功， 其余的热量随冷却水、排气等从内燃机中排出。所谓内燃机的热平衡，就是给 出燃料的总发热量转换为有效功和其他各项热损失的分配比例，从这些热量分 配中，可以了解到热损失的情况，以作为判断内燃机零件的热负荷和设计冷却 系统的依据，并为改善内燃机的性能指标指明方向。 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 衢】 o 热量分布的比例，对于柴油机和汽油机而言并不一样，它们的热平衡分布 情况可以参考图2 1 啪1 。 汽油机 僵化转化嚣 3 1 柴油机 图2 1 汽油机与柴油机的热平衡图 7 l 第2 章整车热系统设计及建模理论基础 ( 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，与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 。 i 擅 i 月b g e g嘣 i y p i 点删 。 ( 2 1 ) nn 式中，q 删为总的能量流动源，9 牺为废气带走的热量，易为发动机有 效功率，q 删为运行时的能量损失，9 为冷却液带走热量。 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) 带进的能量： 口口口 q a = q 肭删+ q l 妒 ( 2 2 ) 式中，q 肋删为燃油提供的热量，q 。埔为增压空气所提供的热量( 增压式 内燃机) 。 其中，燃油提供的热量为： 口 q 肋删= b x h = ( k j h ) ( 2 3 ) 式中，占为燃料消耗量( k g h ) ；吼为燃料的低热值( k j k g ) 。 ( 2 ) 内燃机有效功率 内燃机热效率计算公式为： 形 3 6 1 0 0 铲荔2 i 百 ( 2 4 ) 式中，见为燃料的低热值( k j k g ) ，吃为有效油耗率( 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： = 。圪f 刀= f ( 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( d m 3 ) ；为平均有效压力( k p a ) ，。= 等， 8 第2 章整车热系统设计及建模理论基础 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， 还包括泵气损失。图2 2 为各部分所引起的机械损失大致比例。最大的损耗是 由活塞连杆组、配气和曲轴引起的。 1 j | | j | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | fii i l l l l l l l l l t l ；i i i l l llliiii 括塞连杆组 _ 一 电动机 _ _ 一一 水夏 - - _ i油泵 第2 章整车热系统设计及建模理论基础 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。 ( 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h 矧都提到了经验计算公式结合发动机和燃料的参 数进行计算。 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或值。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： 瓯= c i d l + 2 m n ”( 风- a h 。) 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 ；矾 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= o 8 6 ，其他工况口= 0 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 m ( i 胂一i ，俐) = c 口( 乙，删一乙，加) = q 4 丁 ( 2 7 ) 式中，下标r 和a 分别是冷却水流体和空气流体，i n 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： 1 0 第2 章整车热系统设计及建模理论基础 口口 “6 譬 线b g a a = m 月b g a 一j 牺刀 ( 2 8 ) r o 式中，m 月呐为废气质量流量，c p a b g a s 为废气热容，l 牺为废气温度，r 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。 2 2 发动机冷却系统及其组成 目前汽车发动机上主要采用强制循环式水冷却系，如图2 3 所示，由风扇、 水泵、冷却水套、散热器、节温器、水管、膨胀水箱、水箱盖和车厢加热器等 元件组成矧。 车厢加热嚣 膨胀水箱盖 节温器 图2 3 汽车水冷式冷却系统构造 2 3 发动机冷却系统各部件的建模方法及其理论基础 2 3 1 发动机传热 散热嚣 风扇 1 发动机的传热过程 发动机的传热过程，就是指由活塞、气缸和缸盖组成的燃烧室的传热过程。 第2 章整车热系统设计及建模理论基础 一般地，可将其划分为三个过程汹1 ： 1 ) 燃气对燃烧室壁面的换热； 2 ) 燃烧室壁内部的导热； 3 ) 燃烧室外壁面对冷却介质的换热。 2 燃气对燃烧室壁面间的换热 在发动机工作时，缸内燃气不断向周围机件表面传热，其大部分属于对流 换热性质。因为缸内的高温燃气四周零件表面的流体边界层向零件表面传热， 这种通过流体边界层的传热在燃气燃烧时会达到很高的数值。 参照管内流体对管壁的对流换热过程可知，通过壁面流体边界层传热的热 流密度与燃气和壁面间的温差成正比。在一个工作循环中，燃气传给燃烧室壁 面的平均热流密度q 。可用下式计算，即： 第2 章整车热系统设计及建模理论基础 式中，乇：翌譬称为平均等效燃气温度。 土咖 平均等效换热系数和平均等效燃气温度的求取过程为：采用燃烧分析仪测 得一个循环内每个曲轴转角的燃气温度，以及采用后面将要介绍的经验或半经 验公式计算得到的瞬时换热系数积分首先得到平均等效换热系数，然后再求取 平均等效燃气温度。以此作为发动机受热部件传热分析的边界条件。 决定燃气与壁面之间对流换热系数的最主要因素是壁面附近燃气气流的流 动情况以及壁面附近流体边界层的性质。由于活塞的往复运动，气缸内基本上 不存在层流运动，都为湍流运动；并且由于存在进气旋流和湍流，缸内气流的 流动极为复杂。总的来看，可以认为发动机缸内各处燃气与壁面间的对流换热 是活塞运动造成的整体对流与各处壁面附近具体情况造成的局部对流换热的总 和。 ， 通用的瞬时综合换热系数计算公式目前主要有e i c h e l b e r g 公式、a n n a n d 公 式和w o s c h n i 公式汹3 。 1 ) e i c h e l b e r g 公式气 e i c h e l b e r g 于1 9 3 9 年提出了用于缸内热交换的换热系数计算公式： = 2 4 3 v p , a i p t。 2 j 刀 ( 2 1 2 ) 1 ，= 一 p u r r 2 n 其中为燃气与缸壁之间的换热系数( w ( m z k ) ) ； ，删为平均活塞 速度( m s ) ；p ，t 为燃烧室内燃气的压力和温度；n 为发动机转速( r m i n ) ：s 为活塞冲程( m ) 。 e i c h e l b e r g 假设缸壁的壁面的温度为3 5 0 k 。 2 ) a n n a n d 公式 a n n a n d 于1 9 6 2 年综合考虑换热与辐射两种换热方式，提出了a n n a n d 公式， 其计算努塞尔数的公式为： n u = a r e 6 ( 2 1 3 ) 其中a 为尺寸系数，由内燃机的尺寸而定，其取值的范围介于0 2 6 0 8 之间：b 为常数，取b = o 7 ；r e 为雷诺数，其计算公式如下： 1 3 第2 章整车热系统设计及建模理论基础 r e ：堡坐( 2 1 4 ) u 其中为平均活塞速度( m s ) ；d 为燃气动力黏度( m 2 s ) ；b 为缸径( m ) 。 最后得出对流换热系数的计算公式： = 警= 等 1 5 ) 2 1 广2 寿 ( 2 其中为燃气与缸壁的对流换热系数( w ( m 2 k ) ) ；兄为燃气导热系 数( w ( m k ) ) 。 综合考虑缸内燃气辐射的影响，得到缸内传热的计算公式为： q = 暖一瓦) & + 盯( 巧4 一巧) &( 2 1 6 ) 其中毛和瓦分别为燃气与缸壁的温度( k ) ；p 为辐射影响系数；仃为 s t e f a n b 0 1 t z m a n n 常数= 5 6 7 x 1 0 8 ( w ( m 2 k 4 ) ) 。 3 ) w o s c h n i 公式 w o s c h n i 公式与a n n a n d 公式的区别在于不考虑缸内辐射的影响，但其计算努塞 尔数的方法与a n n a n d 公式相同。其计算公式如下： 口肼娟。筹 亿 4 却刖嘲【五等】 ( 2 1 8 ) 式中为燃气与缸壁的对流换热系数( w ( m 2 k ) ) ；p ，t 为燃烧室内燃气 的压力与温度；1 ，嘲为平均活塞速度( m s ) ；b 为缸径( m ) ；a l 为