载重车热管理系统仿真

1、1前言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过程,将各个部件冷却系统、预热与保温系统、气候控制系统(联合式暖风、空调系统和通风系统等集成为一个有效的热管理系统,保证关键部件、系统安全高效运行,控制和优化热量传递过程,减小冷却系统的尺寸和功率消耗,完善地管理并合理利用热能,降低废热排放,提高能源利用效率,减少环境污染1。由于热管理系统的复杂性,通过样机试验分析各子系统之间的相互影响要付出很大的代价。同传统的建造实验方法相比,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24,对热管理系统的成功开发与设计带来非常显著的作用。2热管理系统仿真模型KULI

2、软件是MAGANA 公司开发的针对整车热管理系统的一维仿真软件平台,利用该软件可以方便地进行冷却系统的整体布置以及空调系统的热负荷计算等。本文应用KULI 仿真软件建立某型号商用车热管理系统模型,发动机瞬态模拟模型。车型主要参数如表1所示。整车热管理系统分为空气侧和发动机侧两大部分,空气侧由CP 值(由汽车行驶引起的空气流动的压力变化、换热器、风扇、加热器等元件构成,而发动机侧是以冷却液循环、润滑油循环和空调循环主要构成。冷却系统构成包括:1热源(发动机热、摩擦热等;载重车热管理系统仿真齐斌(同济大学汽车学院,上海201804摘要利用整车热管理仿真软件KULI 建立了某载重车热管理系统模型,并

3、通过仿真计算分析了风扇的功率消耗对整车热管理系统的影响。计算结果表明,使用可控风量的风扇在满足发动机散热要求的同时可以减少冷却系统的功率消耗。通过软件仿真可以提高冷却系统方案分析的效率,节省试验费用。Abstract:A thermal management model is built up by using KULI.The influence of fan power consumption on vehicle thermal management is analyzed though simulation.The simu-lation result shows that the c

4、ontrolled clutch fan can reduce power consumption.Analysis ef-ficiency can be improved though the simulation and test cost will be reduced thereby.关键词:发动机载重车热管理仿真Key words:engine,heavy-duty truck,thermal management,simulation柴油机设计与制造Design &Manufacture of Diesel Engine 2008年第3期第15卷(总第124期来稿日期:20

5、08-04-28作者简介:齐斌(1979-,男,在读硕士研究生,主要研究方向为车辆热管理系统仿真。表1发动机及整车主要参数发动机额定功率/转速205kW/2200r/min 发动机额定扭矩/转速1112Nm/1450r/min 轮胎11.00-20变速箱速比64202换热器(中冷器、冷凝器、蒸发器等;3风扇(电动风扇、机械风扇等;4阻力(如隔栅、发动机舱内部元件产生的阻力;5CP值;6其他元件(管道、阀门、泵、控制件等等。车辆冷却系统空气侧模型如图1所示。发动机侧循环主要包括冷却液循环、润滑油循环和空气循环。图2为发动机侧模型。热管理系统KULI模型的热量输入由热MAP 图定义,转速和负荷决定

6、了发动机的散热量,包括传递给冷却液和机油的热量以及相关零部件摩擦生产的热量。热量的定义通过台架稳态工况试验获得。为了模拟车辆起动加热等瞬态过程,在KULI 发动机热模型中做了如下的假设5:1发动机质量由直接受热质量和间接受热质量组成。其中直接受热质量的温度能立即随发动机运行工况发生变化;而另一部分质量的温度不能立即随发动机运行工况发生变化,具有一定滞后反应时间,称其为间接受热质量;2进入到冷却系统和润滑系统的热量是分开的;3发动机中由摩擦产生的热量同时进入冷却系统和润滑系统;4在冷却系统与润滑系统中都分别有直接受热质量与间接受热质量;5直接受热质量与间接质量之间存在热传递。根据上述5点假设,建

7、立一个发动机瞬态4质量模型,其结构原理如图3所示。在KULI整车热管理模型中,可以建立各种类型风扇的模型,包括机械风扇、电磁离合器风扇和图1冷却系统空气侧模型图2发动机侧模型硅油离合器风扇。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:=4VD2u压力系数:=2p statu2风扇效率:=Vp statp式中,V为体积流量,D为风扇直径,为冷却空气密度,u为风扇外沿速度。如果是粘性离合风扇,还要考虑离合器根据空气温度tin开关的情况。根据离合器特性定义风扇的输入和输

8、出转速,风扇输出转速公式可表示为:n out(t in=n out(off+(n out(on-n out(offZ g100%式中,Zg 为离合风扇结合率,nout为风扇输出转速。3热管理系统仿真分析此仿真模型可以用于车辆热管理系统的零部件选型和优化匹配,以风扇为例。由于空气侧的传热系数比冷却液侧低的多,因此通过改进风扇对减少冷却系统的功率消耗效果更为明显。对于商用车,通过控制风扇转速实现对冷却风量的控制应用越来越广泛。目前常用的离合器风扇有2种:电磁式离合器风扇和硅油离合器风扇。液压驱动风扇由于价格高很少在商用车上使用。经仿真计算,电磁离合器、硅油离合器和液压驱动风扇驱动功率对比如图4。由

9、图4可以看出在假定需要风扇带走的热量为100kW至170kW范围时,两级电磁离合器风扇所需的平均驱动功率最大。而当热量输入小于100 kW或者大于170kW时,液压驱动风扇的平均驱动功率最大。将车速设定在50km/h,发动机转速为1500 r/min,环境温度30,设定发动机冷却液出口温度以计算风扇转速和功率消耗。电磁离合器风扇开启温度为93,关闭温度为90,最小开启时间为60s。图34质量发动机模型图4风扇驱动功率对比(上接第31页除以上方法外,如果条件允许,也可以增大风扇直径,增加空气流量;增大水箱和中冷器芯部尺寸,提高散热量;增加水泵流量,增大冷却液流速;改变发动机布置,使空气流道更加顺

10、畅,提高冷却效率。参考文献3俞小莉.发动机热平衡仿真研究现状与发展趋势.车用发动机,2005(5:1-56李杰.D310汽车发动机舱散热特性研究:硕士学位论文.西北工业大学,2004.由图5可以看出在散热器的散热量为80kW 时,风扇转速为1100r/min,风扇的驱动功率约为1.8kW。当冷却液温度达到93时,电磁离合器风扇开启。风扇转速为1900r/min,可使散热器输出的热量为130kW,风扇驱动功率为5.6 kW,此时仿真计算中设定发动机的热量输入80 kW,因此冷却液温度降低,当冷却液温度低于90时,风扇关闭。由此可以得出在使用电磁离合器风扇时可以节省功率3.8kW。4结论基于一维流

11、动传热的计算方法建立的发动机冷却循环的模型,可以有效地计算发动机向冷却液释放热量及冷却系零部件散热情况,为发动机冷却循环的热流动提供理论分析基础。传统的冷却系统设计以最恶劣的工况为设计依据,利用仿真软件模拟可以考虑全工况整车的热状态。同时利用仿真模型可对多种冷却系统的多种配置方案对比分析,分析散热器、水泵、节温器等零部件工作特性,建立零部件间温度、传热量间的相互对应关系及其随工况的变化规律,从而优化匹配冷却系统零部件。模型与台架试验相对应,使得试验能够与仿真相结合,为发动机冷却系统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,缩短开发过程,减少试验成本。参考文献2王贤梅,杜传进,王文端.汽车热管理研究现状及新进展,拖拉机与农用运输车,2005(5.3Mahmoud K G,Loibner E,Wiealer B.Simulation-Based Vehicle ThermalManagement Sys