基于GT-Suite的重型載貨車冷卻系統仿真及匹配設計

馬書亮，陳濤，姜軍，張慶輝，范文峰

（一汽解放汽車有限公司，吉林 長春 130011）

基于GT-Suite的重型載貨車冷卻系統仿真及匹配設計

馬書亮，陳濤，姜軍，張慶輝，范文峰

（一汽解放汽車有限公司，吉林 長春 130011）

基于GT-Suite軟件建立了某重型載貨車發動機冷卻系統的一維-準三維混合仿真模型，通過對發動機極限工況下出水溫度、出水流量等計算結果與試驗值對比分析，驗證了仿真模型的準確性。最后在此模型基礎上對發動機冷卻系統進行風扇選型匹配，實現了滿足整車冷卻性能要求的前提下，減小了其消耗功率，從而提高了整車經濟性。

準三維；發動機冷卻系統；匹配GT-Suite

CLC NO.: U464.138 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-07-04

引言

發動機冷卻系統的主要功能是對發動機進行適當的冷卻，保證發動機在正常溫度范圍內工作。同時為了提高整車的經濟性，在冷卻系統設計中，要求滿足其主要功能的前提下，需要最小化其消耗功率。發動機冷卻系統的主要耗功元件是風扇和水泵[1][2]，因此，冷卻系統的匹配設計中，需要盡量降低風扇和水泵的消耗功率。

隨著計算機技術的發展，計算機仿真技術日益取代傳統的經驗設計成為汽車產品的研究主流。冷卻系統的概念設計驗證及方案選型階段，一般都建立其一維仿真模型進行分析[3][4] [5]。Alexey Vdovin[6]利用GT-Suite建立了Volvo FH Truck的冷卻系統的一維-準三維混合模型和傳統一維模型進行仿真分析，并與試驗數據進行對比，結果表明由于一維-準三維混合模型能夠考慮空氣側各零部件對于系統阻力的影響和氣體回流情況，其計算結果比一維仿真模型更符合試驗結果。本文應用GT-Suite軟件建立了某重型載貨車冷卻系統的一維-準三維混合仿真模型，通過對比兩種極限工況下計算結果與環境倉整車轉轂臺架熱平衡試驗結果，驗證了模型的合理性。并在此基礎上對某款重型載貨車發動機冷卻系統進行風扇匹配選型，提出了改進方案。

1、冷卻系統準三維仿真模型建立及驗證

發動機冷卻系統匹配設計計算中，通常只針對冷卻能力要求最苛刻的極限工況來進行分析。為了與試驗結果進行對比并驗證仿真模型的準確性，選擇了環境倉整車轉轂臺架熱平衡試驗標準要求的兩種工況，工況具體定義如下：環境溫度35℃，空調系統關閉，最大扭矩點工況下，迎面風速為20km/h；環境溫度35℃，空調系統關閉，額定功率點工況下，迎面風速為30km/h。

1.1 仿真分析模型建立

一般重型載貨車整車冷卻系統分為空氣側和發動機側兩大部分，空氣側由進氣格柵、冷凝器、中冷器、散熱器、風扇及其他機艙內阻力元件構成，而發動機側主要由發動機、水泵、散熱器等冷卻液循環系統構成。

表1 發動機及冷卻系統主要參數

以某重型載貨車冷卻系統為研究對象，其系統主要參數如表1。利用GT-Suite軟件的GT-Cool模塊搭建的冷卻系統發動機側的一維仿真分析模型圖1所示，其中水泵的性能參數由供應商提供，發動機水套散熱量及阻力特性數據由發動機臺架熱平衡試驗獲得。同時為了能夠較準確的模擬進氣格柵、發動機艙內零部件相對布置關系帶來的阻力及氣流回流情況，利用GT-Suite軟件的Cool-3D模塊建立的冷卻系統空氣側準三維分析模型如圖2，模型中包含了發動機艙的主要元件。其中冷凝器的阻力特性、中冷器的換熱及阻力特性、散熱器的換熱及阻力特性、以及風扇的性能參數由供應商臺架試驗數據提供。

1.2 計算結果分析

圖3為迎面風速為0km/h、風扇轉速1750r/min工況下冷卻系統空氣側某一截面的速度分布。從圖3可以看出進氣格柵及發動機艙零部件的相對布置對于空氣側的氣流分布（如熱風回流）及阻力影響較大，而這類計算一維仿真是無法實現的。

圖4為發動機在最大扭矩點和額定功率點工況下，仿真分析結果和整車轉轂熱平衡臺架試驗數據的對比結果。發動機出水溫度仿真分析預測值與試驗值最大偏差不超過3%，冷卻系統冷卻液流量仿真計算與試驗值圖最大偏差不超過10%，可以滿足工程計算精度的需要，證明所建模型是合理的。

2、風扇匹配仿真分析及選型改進

風扇消耗功率約占發動機額定功率的3%～10%（電動風扇除外），如果設計優良及匹配合理，則風扇在工作時其消耗功率僅為發動機額定功率的3%～5%[1]。風扇的性能匹配要求風扇消耗功率要小，并且要盡可能在高效區域工作[1][2]。

通過對標分析發現同級別車型風扇所用型號不同，為了對比現生產狀態和對標車型所用的風扇性能，基于前面建立的冷卻系統的仿真模型，對匹配兩種型號風扇的冷卻系統冷卻能力及風扇功率消耗進行對比分析及評價。仿真計算所需風扇相關參數如表2所示。

表2 原方案、改進方案風扇及風扇離合器參數

車型原方案和改進方案仿真計算的風扇匹配特性曲線如圖5，圖中虛線為冷卻系統空氣側阻力特性曲線。通過對比可以得出以下結論：

（1）圖5（a）顯示了原方案風扇在風扇轉速為1200r/min、1500r/min、1800r/min時風扇的流量與靜壓關系曲線，圖5（b）顯示了改進方案風扇在風扇轉速為1500r/min、1800r/min、2000r/min時風扇的流量與靜壓關系曲線，同時還顯示了兩方案風扇在各個流量下的靜壓效率等值曲線。

（2）原方案風扇運行大部分工況點位于0.22-0.28效率區內，并未分布在風扇特性曲線上的效率最高區域，改進方案風扇運行大部分工況點位于0.26-0.30效率區內，運行高效區域明顯增加。

該車型原方案和改進方案在最大扭矩點和額定功率點工況發動機出水溫度對比如圖6所示，改進后最大扭矩點發動機出水溫度升高1℃，額定功率點升高2.4℃，但滿足車輛許用環境溫度≥42℃的使用要求。車型原方案和改進方案在最大扭矩點和額定功率點風扇消耗功率對比如圖7所示，改進后在發動機最大扭矩點工況風扇消耗功率降低0.36kw，額定功率點工況降低1.36kw。

3、結束語

通過對冷卻系統的一維-準三維混合建模，準確預測了發動機出水溫度和冷卻液流量，通過試驗驗證了模型可以滿足工程精度需要。并在此基礎上對兩種型號風扇進行了選型對比分析，實現最小功率消耗下風扇的性能匹配。本文所用方法適用于冷卻系統的水泵、風扇等部件的選型匹配和優化。

[1] 李豐軍等.汽車設計手冊（發動機﹒附件卷）長春：長春汽車研究所，1998.

[2] 劉曉東，石秀勇，倪計民.基于最小耗功的發動機冷卻系統設計研究.汽車科技，2012（3）：42～45.

[3] 王海航，段耀龍，胡惠祥，上官文斌.發動機冷卻風扇與冷卻系統的匹配.車用發動機，2012（2）：1～6.

[4] 齊斌.載重車熱管理系統仿真.柴油機設計與制造，2008(3)：32-35.

[5] 張翔，王佳，楊建中，蔡志標.仿真技術在設計發動機冷卻系統中的應用.天津汽車，2008（11）：33～35.

[6] Alexey Vdovin，Cooling performance simulations in GT-Suite [Master's thesis] G?tebor Sweden Chalmers University Of Technology，2010.

The Simulation and Matching of Heavy-Duty Truck Cooling System Based on GT-Suite

Ma Shuliang, Chen Tao, Jiang Jun, Zhang Qinghui, Fan Wenfeng
(Faw Jiefang Automotive Company, Ltd., Jilin Changchun 130011)

A 1d-Quasi 3d hybrid simulative model of a heavy-duty truck engine cooling system is built based on GT-Suite, The accuracy of the simulation model is verified through comparing calculation results such as engine water temperature and water flow under extreme operating conditions with test results. The fan type of the engine cooling system is matched based on this model，the result shows that the power consumption is reduced with meeting the requirement of the vehicle cooling performance. Thus the fuel economy of the vehicleis improved.

Quasi 3dm；engine cooling system；Matching, GT-Suite

U464.138

A

1671-7988(2015)01-07-04

馬書亮，就職于就職于一汽解放汽車有限公司，負責發動機冷卻系統的開發。