某重型车发动机冷却系统的冷却性能的优化设计

1、MB型车发动机冷却系统的冷却性能的优化设计*李文尚，龙芋宏，刘均亮，蔡杰（桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林541004） 摘要：以某重型车发动机的冷却系统为研究对象，根据供应商提供的热交换器的风洞实验数据，运用KULI软件对该重型 车发动机冷却系统模型进行优化设计。重点研究在散热器与中冷器不完全覆盖的情况下，探讨中冷器的安装位置对整体 散热性能的影响。结论是对于中冷器与散热器的迎风面积不是全覆盖的情况，中冷器芯子与散热器芯子的安装高度应尽 量一致，有助于提供散热器的冷却效果。该方法可为重型车发动机冷却系统设计前期提供参考。关键词：重型车；冷却系统；KULI；优化配置中国法分类号U463文

2、献标志码A1引言随着重型车载重量的不断提高，使得发动机转速和功率也相应地提高。而作为车辆的重要组成部分 冷却系统是保障发动机正常稳定运转的重要辅助系统之一。有数据显示，燃油燃烧后产生的热量分配大 约为：30%用于推动活塞做功，30%通过排气散发掉，而30%的热量需要通过冷却系统散发掉。这就对发 动机的冷却系统提出了更高的要求，要求冷却系统能够具有更好的散热效果，使发动机在高功率下能够 正常的运转IE。而与此同时，现在很多汽车厂商在汽车设计过程中，为了保证驾驶室有足够的空间而缩 小了发动机舱的空间。因此，在有限的发动机舱空间里，散热条件恶劣的情况下，设计出既能保证有足 够散热能力和强度又能提高效

3、率降低能耗已成为冷却系统未来发展的必然趋势if。发动机冷却系统的开发和实验通常需要在风洞中做大量试验，其理论设计涉及传热学和流体力学等 学科，计算量大，这无疑加大了发动机冷却系统的设计周期和昂贵的试验费KULI软件是由斯太尔工程 技术中心研发的汽车热管理的设计和仿真的一维软件。它系统地考虑零部件与零部件，零部件与系统 间的性能配置。运用KULI汽车热管理一维软件可以方便快速地设计出某个发动机冷却系统模型，缩短 设计周期降低开发成本。本文利用该软件对某重型车冷却系统进行优化并与实验数据对比，从而得到该 冷却系统配置的优化方案。2冷却系统模型的建立本文是以某重载车发动机冷却系统为研究对象，该冷却系

4、统主要采用闭式强制水冷循环的方式，主 要由冷却水套、水泵、风扇、散热器、进气中冷器、节温器、机油冷却器以及循环管路等组成。2.1冷却系统的散热量Qw该重载车使用的发动机主要技术参数如表1所示：表1发动机主要技术参数Table 1: the main technical parameters of engine钵文受桂林市科学研究与技术开发研究项目（编号:20120102-1）.柳州市科学研究与技术开发研究项目（编号：2013H020401）和广西制造系统 与先进制造技术重点实验室主任课题（编号：桂科能11-031-12_009）资助。作者简介：李文尚 （1988-），J男，江办省盐城市*人，硕

5、士研.生，研力-向I为y勺车动力学。Email: HYPERLINK mailto:281206398 281206398导师介绍：龙芋宏（1974-），女，湖南省岳阳市人，教授，研究方向为机械动力学。通讯地址：桂林电子科技大学机电工程学院，541004。发动机参数参数值进气形式增压中冷汽缸数6缸径X行程（mm）120X130排量（L）8.8额定转速/ - min-1 )2100额定功率（KW）275最大扭矩（N m）1550最大扭矩转速”min-1）1300冷却系统散出的热量Q ，受许多复杂因素的影响，w很难精确计算，一般采用经验公式估算7：Q =化 w 3600(1)式中：Qw为冷却系统散

6、走的热量，单位：KJ - s-1 ； k为发动机传给冷却系的热量占燃料总热量的 百分数；g为发动机燃料消耗率，单位：kg （kw-h）-1 ； %为发动机标定功率，单位：kw ； 为燃 料低热值，单位：KJ.kg-1。上式中：k取0.2； g取0.32； h.取41870。求出冷却系统散出的热量Q为205KJ -s-1。2.2冷却水的循环量w（2）WWW式中：、为冷却水在发动机内循环是的容许温升，对现代强制循环冷却系，可取=612C； rw 为水的比重，取1000kg/m3； Cw为水的比热，取4.187KJ/kg - C。求得冷却水的循环量为380 Lmin。2.3冷却系统模型建立根据该重型

7、车发动机舱结构形式，在KULI中建立进口压降（KULI软件中为CP阀）、格栅阻力、中 冷器、散热器、机械风扇、内部压降（KULI软件中为内部阻力）以及出口压降的仿真模型。其中中冷器、 散热器以及风扇的性能特性由供应商提供。散热量与循环水量由上面计算得出。建立的冷却系统模型如 图1和图2所示。1.CF鞍热H内邸3力出口压睢图1内循环回路Figure 1: the internal loop图2外循环回路Figure 2: the external loop3模拟计算参数3.1模拟计算参数设定根据台架模拟运行实验数据和零部件模型参数设置，确定数字模型模拟计算参数，主要包括发动机 转速、有效压力均值

8、、模拟行驶车速、空气湿度和压力等。对发动机最大转速、最大扭矩等三种工况进 行分析研究。如表2所示：表2模拟计算参数设定Table 2: the setting of simulating parameters工况工况1工况2工况3发动机转速rpm130015002100有效压力均值kPa145168158模拟车速km/h151515大气压力hPa101310131013环境温度C353535空气湿度%454545风扇转速rpm130015002100空调状态关闭关闭关闭散热器内部流量率l/min208240380散热器内部压力bar222散热器内部热流量kW7791.5135中冷却内部流量率k

9、g/s中冷却内部压力bar2.422.52.75中冷却内部媒介温度C144145.91653.2模拟计算结果通过KULI的仿真分析，得到以下主要结果数据，包括散热器的进、出水温度及进出水温差、散热 器的进、出水压力及进出水压差、中冷器的进、出气温度及进出气温差、中冷器的进、出气压力及进出 气压差。如表3所示：表3模拟计算结果Table 3: simulating results工况工况1工况2工况3发动机转速rpm130015002100散热器进水温度C88.4597.8393.96散热器出水温度C85.1991.9387.46散热器进出水温差K3.265.906.5散热器

10、进水压力bar222散热器出水压差bar1.821.691.49散热器进出水压力差bar0.180.310.51中冷器进气温度C144.53145.90165.00中冷器出气温度C46.6348.0954.53中冷器进出气温差K97.9097.81106.47中冷器进气压力bar2.422.502.75中冷器出气压力bar2.392.472.68中冷器进出气压力差bar0.030.030.07从表3中可以看出，在最大扭矩工况（工况2）和额定转速工况（工况3）下，散热器出水温度都保 持在85C95C以内，在发动机允许的温度范围内；中冷器出气温度（即发动机进气温度）保持在50C 左右，在发动机最佳

11、进气范围内。因此可以认为，在发动机冷却系统设计前期，运用KULI软件和供应 商提供的性能参数可以初步确定发动机冷却系统的各参数。为发动机冷却系统的设计和匹配提供参考依 据。4冷却系统优化配置通过以上方法可指导发动机冷却系统设计者正确进行散热器、中冷器以及风扇的选型和计算。但是 考虑到发动机功率的提高及发动机舱空间的缩小，有必要对冷却系统整体布局进行优化使其具有更好的 散热能力。针对该重型车发动机冷却系统中散热器与中冷器的迎风面积不同，两者不能完全重叠。根据流体力 学理论，冷却空气在散热器和中冷器组件中流动时，在中冷器进口截面和散热器出口截面之间的各个部 分压力降都是相同的，所以冷却空气流过重叠

12、部分和非重叠部分的流速是不同的，流过重叠部分因阻力 大其流速较小，而流过非重叠部分因阻力小其流速较高。所以散热器上水室冷却水温受到中冷器安装位 置的影响8本文分别用KULI软件仿真和理论计算的方法对中冷器位于散热器上部、中部、下部这三种 情况展开研究。三种位置关系如图3所示：Aw；以费器上水亳冷却水温“;散热街下水室隆却水诅5里西部分的交界处冷却温宣Q1 ；北王益部分触皤散走的恩长2; Me部分*，空能走的热昌兑】：三淫吾净分骸热器比冷却冬力 必：更签部分散痔器比;合却白汕4 :中冷血口处冷却空气侣厦 A ;中冶脂出口处冷却空蔑溟图3中冷器的布置Figure 3: the layout of

13、intercooler4.1模型仿真根据上面设计出的发动机冷却系统，在KULI中建立该发动机冷却系统中冷器的三种不同布置的模 型，保持其他参数不变，只改变中冷器的位置参数。其位置参数如表4：表4：各部件位置参数Table 4: the location parameters of parts参数中冷器下置中冷器中置中冷器上置坐标mm（X，y，z）（X， y， z）(x，y，z)中冷器CAC(0,37,0)(0,37,175)(0,37,350)进口压降CP1(-200,300,450)格栅阻力1 Aresl(-50,12,0)格栅阻力2 Ares2(-50,12,400)散热器RAD(100,

14、0,0)风扇Fan(300,325,450)内部阻力BiR(500,300,450)出口压降CP2(600,300,450)为了能够分析中冷器三种不同位置时散热器表面散热量的分布，将散热器分成若干个50X50的小 模块，这样在后处理KULI lab中可以直观的反映出散热器表面温度的分布情况。4.2仿真结果本论文以额定功率为研究工况，通过KULI的仿真分析，得到散热器进、出水温度及中冷器进、出 气温度等主要结果数据。如表5所示：表5：模拟计算结果Table 5: simulation results参数中冷器下置中冷器中置中冷器上置发动机额定转速rpm2100散热器进水温度C93.962293.

15、197392.4276散热器出水温度C87.463386.497985.5270散热器进出水温差C6.49896.69946.9006中冷器进气温度C165165165中冷器出气温度C58.526858.554158.5817中冷器进出气温差C106.4731106.4459106.4183由仿真计算结果可以看出，当散热器内部冷却水自上往下，中冷器内部冷却水自左往右流动时，中 冷器的三种布置方式对散热器的散热效果具有一定的影响。中冷器上置时散热效果要优于中冷器中置和 下置。将仿真结果导入KULI lab软件中，可以看出不同布置对散热器表面散热能力均匀性有一定的影响。（a）（b）（c）图4中冷器

16、不同布置时散热器温度分布（a）中冷器下置；（b）中冷器中置；（c）中冷器上置Figure 4: the temperature distribution of radiator for intercooler in different location对比图4三种不同布置散热器温度分布图可以直观的看出，图（a）中散热器自上而下温度分布差值 较大，图（c）的温度分布差值较小，而图（b）的温度分布介于这两者之间。由此说明在这三种不同布置 中，当中冷器上置时散热器的散热更均匀，温度过渡平顺，散热效果要更好。4.3理论分析根据车辆冷却传热理论，散热器散走的热量可通过下面两个表达式来计算。如式（3）、式

17、（4）所 示：Q = q F （/ -12）（3）。广式中：Qw为冷却系统散走的热量；F为散热器的迎风面积；1m为散热器的平均温度；12为中冷 器出口处冷却空气温度；Gw为水泵的流量；。引为冷却水的等压比热；q为比冷却能力，其物理意义 是冷却器（散热器或中冷器）单位迎风面积、单位温差（冷却器平均温度与冷却空气温度之差）所散走 的热量。1 疽（1wu V2（5）结合图3所示三种中冷器的布置结构，将中冷器下置、中置和上置时的散热器分为重叠部分和非重叠部分来讨论，并分别将各参数带入式（3）（4）（5）组成方程组如下: 中冷器下置时方程组为：Qw1（6）（7）Qwi =气C(，广（10）Qw2 = %

18、 C (tw1 - Qw = QZ Qw2式中：为散热器与中冷器非重叠部分面积；孔为散热器与中冷器重叠部分面积;同理，可以得出中冷器上置时方程组为：Qw1=qs1（11）Qw2 = qs 2 Fb t +1wuw1 t22 7（12）Qw1 =气，C (tw1 - (13)Qw2= % C wu-UEQw = Qw1+ Qw 2（15）联合上面各式可以解得散热器上水室冷却水温t的计算式。如下:wu中冷器下置时，散热器上水室的温度t*计算式为：wuQ A B 2q F t A + 2q F t Dt * = w + S2 b 2s1 a 1wu G c A B C D)A B C D（16）中冷

19、器上置时，散热器上水室的温度t.计算式为：Q A B2q F t B + 2q F t Ctu = w +s1a1S2b2 (17)wu G- C A B C D)A B C D其中：A = 2G C + q F（18） TOC o 1-5 h z B = 2G C + q K(19)C = 2GCw - qsiF(20)D = 2G C -q F(21)贝g： tu td = si s 2_a_bG t )(22)wu wu G C q F + G C q F i 2w pw s 2 b w pw si a其中：12 ti =Vt , Vt为中冷器进出口冷却空气的温升。由上式结果可知，当中冷

20、器上置时，散热器的散热性能更好。这与在KULI中仿真结果一致。所以对于中冷器和散热器不完全覆盖的情况时，可以把中冷器安装成与散热器等高，这样既可以提 高散热器的冷却效率，也能使散热器内部的散热分布更均匀，延长散热器的使用寿命。理论分析进一步 验证了仿真结果。5结论本文以某重型车发动机的冷却系统为研究对象，运用KULI软件对该重型车发动机冷却系统模型进 行优化设计。重点研究在散热器与中冷器不完全覆盖的情况下，探讨中冷器的安装位置对整体散热性能 的影响。理论和仿真结果表明：对于中冷器与散热器的迎风面积不是全覆盖的情况，为了使冷却水得到 有效的冷却，中冷器芯子安装高度应尽量与散热器芯子的高度一致，有

21、助于提供散热器的冷却效果。运 用KULI汽车热管理一维软件可以方便快速的设计出某个发动机冷却系统模型，缩短设计周期降低开发 成本，可为重型车发动机冷却系统设计前期提供参考。参考文献：尉庆国，苏铁熊,董小瑞.汽车发动机构造及原理M.北京：国防工业出版社,2012:139-151Wei Q G, Su T X, Dong X R. Automabile engine structure and principleM. Beijing : National Defence Industry Press, 20i2: i39-i5i戴繁荣.内燃机车冷却装置M.北京：中国铁道出版社，1993:1-5Da

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