商用車冷卻系統匹配研究

武玉臣，鐘綿遠，馬廣正，蘇文娟，郎明華

（濰柴動力股份有限公司發動機技術研究院，山東 濰坊 261000）

商用車冷卻系統匹配研究

武玉臣，鐘綿遠，馬廣正，蘇文娟，郎明華

（濰柴動力股份有限公司發動機技術研究院，山東 濰坊 261000）

文章利用CFD軟件對某商用車進行商用車冷卻系統分析，并對分析車輛進行風洞試驗。通過試驗很好的驗證了仿真的準確性，對比表明仿真的結果誤差能夠控制在6%以內，因此在一定條件下仿真可以代替部分試驗，實現商用車冷卻系統的快速匹配。通過仿真可以看出影響發動機熱平衡溫度的因素主要有熱風回流，阻擋和合理氣流流動。發動機熱平衡溫度的變化隨環境溫度的變化并不是線性關系，雖然符合“水漲船高”，但環境溫度越高，其發動機熱平衡溫度變化越大。

CFD；商用車；冷卻系統；風洞試驗；匹配

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.024

CLC NO.:U463.33;TP391.9Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-71-03

前言

冷卻系統對發動機的動力性、經濟性及排放都有較大影響，若冷卻系統匹配不當將使發動機各種性能指標惡化。隨著經濟的發展，要求發動機在相同排量情況下輸出更大功率和扭矩，發動機的散熱量基本隨之翻番，然而車輛結構日益緊湊，留給中冷器、散熱器、風扇等的空間有限。這使得對冷卻系統的要求越來越高，因此有必要對發動機艙及整車的冷卻系統進行研究，實現更快尋找滿足冷卻要求組件的目的。同時要研究整車冷卻系統的影響因素，切勿進入整車出現“開鍋”問題就要求增大換熱組件散熱面積的誤區。針對這些問題對某商用車進行CFD仿真和風洞試驗，找出影響熱平衡的主要因素，實現冷卻系統組件的合理匹配。通過仿真和試驗相結合驗證的方式，找到環境溫度對發動機熱平衡溫度的影響規律。

1、模型建立

1.1 物理模型

由于整車及發動機機艙零部件多，結構復雜，所以對模型進行省去10mm以下管路，不考慮螺栓、螺孔等幾何簡化。對格柵處進行局部細化，保證對結果影響較大的幾何模型的保留[1]。簡化后的整車模型見圖1。

圖1 整車幾何模型

1.2 數學模型

在仿真過程中假設整個流動過程為穩態湍流，空氣為不可壓縮理想流體，忽略壁面的熱輻射，認為發動機艙氣密性良好[2]。計算中的基本控制方程如下：

（1）質量守恒方程：

式中Sm為源項。

（2）動量守恒方程：

式中p是靜壓，τij是應力張量，ρgi為重力，Fi為外部力。

（3）能量守恒方程：

式中keff是有效熱傳導系數，h為焓， J為擴散流量，Sh為熱源項。

1.3 邊界條件

假設將整車放于風洞中心中（使用足夠大的六面體空間模擬）進行計算。設定了速度入口和壓力出口和壁面3種熱邊界。進口速度為11km/h，進風溫度為38℃。根據實際情況合理設置各部分的材料屬性和熱邊界類型。風扇采用MRF模型；散熱器邊界輸入廠家提供的試驗特性曲線，將散熱器芯部當做多孔介質，空氣流經該多孔介質區域，完成速度、壓力變化和熱交換[3]。

散熱器迎面風速與壓強損失的關系見表1。

表1 散熱器迎面風速與壓強損失關系

2、數值計算結果及分析

2.1 原結構仿真結果

從圖2可以看出，原車散熱器進口和風扇前端兩側面存在熱風回流，導致被加熱的空氣又流回散熱器，風扇進風溫度高，降低了風扇的冷卻效果[4]；從圖3可以看出，原車中冷器氣室對水箱有阻擋作用，導致水箱一邊無冷卻風通過，溫度很高[5]；從圖4可以看出，氣流未得到充分利用，部分氣流未流經換熱器。

圖2 熱風回流

圖3 氣室阻擋

圖4 氣流未充分利用

2.2 改進方案

針對原車存在的弊端，進行改進，共提出3條改進建議。一是增加散熱器下導流板[6]；二是增加散熱器側導流板；三是減少中冷器氣室對水箱的阻擋。

改進后重新進行分析得到結果和原方案進行對比，如表2所示。

表2 改進方案和原方案結果對比

3、環境溫度對熱平衡溫度的影響

3.1 仿真分析結果

為了研究環境溫度對整車熱平衡的影響，在在發動機工況一定以及其他條件一致的前提下，分別設置環境溫度為30℃，20℃，15℃，5℃進行模擬計算。水箱進水口的溫度分別為96.65℃，85.29℃，79.15℃，69.14℃，如圖5所示。

圖5 仿真水箱進水口溫度

3.2 風洞試驗結果

為了驗證仿真結果對整車進行風洞試驗，得到30℃，20℃，15℃，5℃環境溫度下真實的水箱進口，如圖6所示。

圖6 試驗水箱進水口溫度

3.3 仿真結果與試驗結果對比

對仿真結果和試驗結果進行對比分析可以得出，仿真誤差不超過6%；隨著環境溫度的升高，熱平衡的溫度變化要大于環境溫度的變化[7]。仿真結果和試驗結果的對比見表3；環境溫度對發動機水溫的影響見圖7；對試驗結果進行分析，通過多項式擬合得到發動機出水溫度隨環境溫度的變化方程為：

變化曲線如圖8所示。

表3 仿真結果和試驗結果對比

圖7 環境溫度對發動機水溫的影響

圖8 發動機出水溫度隨環境溫度變化的擬合曲線

通過仿真和試驗表明熱平衡溫度和環境溫度并不是呈線性關系，發動機熱平衡的溫度變化要大于環境溫度的變化。

4、結論

通過數值分析和試驗驗證的方法，對本商用車冷卻系統進行研究得出如下結論：

（1）熱風回流、阻擋以及氣流利用率低是導致水溫高的主要原因；

（2）仿真與試驗相比，誤差在6%以內，可以使用仿真代替部分試驗；

（3）發動機工作狀態一定條件下，隨著環境溫度的升高，發動機熱平衡溫度也逐漸升高，但是呈現非線性，熱平衡溫度變化要大于環境溫度，擬合多項式為：

[1]王福軍.計算流體動力學分析.北京：清華大學出版社,2004.

[2]陶文栓.數值傳熱學.西安：西安交通大學出版社,1988.

[3]趙新明.發動機艙內溫度場的可視化分析及改善措施.中國機械工程. 2004.15(14)：1306-1308.

[4]唐因放. 發動機艙散熱的CFD研究.北京汽車，2009.

[5]周建軍,楊坤.數值模擬在整車熱管理中的應用.設計研究，2009

[6]Dave Crolla. A Vehicle Dynamics Theory into Practive[J].Journal of Auto Engineering.2006,210(2)：83-94.

[7]Fernando D,Goncalves,Mehdi Ahmadian.A Hybrid Control policy for Semi-active suspensions .Shock and Vibration,2014,10(1)：59-69.

[8]Jolly M R, Margolis D L 1 Regenerative system s for vibration control Trans of ASMEJ of the vibration and acoustics, 2013,119：154[1]6～1561.

Matching of Cooling System for Truck

Wu Yuchen, Zhong Mianyuan, Ma Guangzheng, Lang Minghua

( Weichai power Co., LTD. Engine technology research institute, Shandong Weifang 261000 )

This paper presents a simulation of the cooling system of a truck with CFD. Also a thermal balance wind tunnel test is done. The simulation and test error can be control in 6%,so simulation can replace some test in the condition. It shows that there are 3 main factor which influence the thermal balance, they are circumfluence, block and flow. Temperature of the thermal balance increases along with environment non-linear.

CFD; Truck; Cooling system; Wind tunnel test; Match

U463.33；TP391.9

A

1671-7988 (2017)02-71-03

武玉臣（1980 -），男，漢族，濰柴動力股份有限公司發動機技術研究院高級工程師，從事發動機研究、整車匹配等的學習和研究。