發動機冷卻系統性能評估方法及正向設計應用

劉佳鑫，王寶中，龍海洋，蔣炎坤

(1.華北理工大學機械工程學院，河北 唐山 063009；2.華中科技大學能源與動力工程學院，湖北 武漢 430074)

發動機冷卻系統性能評估方法及正向設計應用

劉佳鑫1,2，王寶中1，龍海洋1，蔣炎坤2

(1.華北理工大學機械工程學院，河北 唐山 063009；2.華中科技大學能源與動力工程學院，湖北 武漢 430074)

工程車輛；冷卻系統；匹配；評價方法

工程車輛工作時具有驅動功率大、速度低等特點，此時發動機負載較高，系統產生熱量較多，冷卻液中的熱量需經過冷卻系統散失至環境之中。當環境溫度較高時，發動機機體溫度隨之升高，導致整車故障怠工。之所以出現這種現象，小部分原因是由于產品維護不及時、使用工況惡劣、加工質量較差等因素，大部分原因則是產品正向設計過程中冷卻系統匹配效果不佳，致使性能不理想。工程車輛冷卻系統核心部件通常由冷卻風扇與散熱器組成，對于兩者單體性能研究已經陸續取得了較多成果。然而，如何將兩者整合至一個評價指標之中，實現對冷卻系統評價，進而對產品設計快速而有效地指導，也成為了一個受到廣泛關注的問題。

國內外學者針對這一問題展開了多種方式的探討和研究。1997年，Arne Andersson[1]以車輛動力艙中的冷卻風扇與散熱器安裝位置為研究對象，通過試驗確定風扇與散熱器安裝位置帶來的性能變化；Tim Juan[2]以空氣流量作為評估手段對散熱器與風扇之間定位關系進行了分析；Felix Regin[3]以計算流體動力學CFD(Computational Fluid Dynamics)數值分析為手段對乘用車動力艙內的冷卻系統性能進行了評估；Kishor Udawant[4]以散熱器實際工作性能為前提對冷卻風扇進行了重新設計；Mahmoud Khaled[5]采用激光感溫的方式對冷流體側出口處的空氣溫度進行監測，將監測結果進行邏輯運算，輸出并調整風扇轉速；Timothy[6]則將一維和三維分析有效結合，實現對產品性能的預估。國內對于這方面較早展開研究的有浙江大學俞小莉教授[7]、吉林大學秦四成教授[8]、裝甲兵工程學院畢小平教授[9]及中科院工程熱物理研究所、上海交通大學、北京航空航天大學等團隊和機構，也相應地取得了較多成果：對多個散熱器間距、散熱器位置排布規律等進行研究，具有較大的經濟和學術價值；發現了動力艙熱源布置、散熱器自身特征對冷卻系統性能的影響規律；總結了空氣流道阻力特征及其對冷卻性能的影響。這些研究成果大部分都是以流出散熱器的冷卻液溫度或空氣流量作為評價指標，通過對冷卻系統試驗或仿真進行評價。

1 散熱器評價方法

1.1熵產單元數

由于傳熱屬于不可逆過程，所以熵產數會增加。基于該現象，A. Bejan提出了熵產單元數Ns(Number of Entropy Production Units)這個概念，具體計算公式如下[10-11]：

吳雙應等[12]將模型應用于散熱器，具體如下：

式中：Cpc，Cph分別為冷熱流體的比定壓熱容；Tco，Tho分別為冷熱流體的出口溫度；Tci，Thi分別為冷熱流體的入口溫度；mc，mh分別為冷熱流體的質量流量。

2 冷卻系統評價方法

2.1冷卻風扇性能特征

作為工程車輛的冷卻系統核心部件之一，冷卻風扇與散熱器相互配合，實現冷卻系統與環境的熱量傳遞。冷卻風扇性能可以使用靜壓(全壓)、靜壓效率(全壓效率)、空氣流量等參數表征。工程車輛冷卻系統匹配時經常使用靜壓等表征性能[13]：

式中：Pz為風扇軸功率；ps為風扇靜壓；ηs為靜壓效率；ρc為空氣密度；Gc為空氣質量流量；n為結構傳動系數，依據風扇連接方式取不同數值，冷卻風扇采用機械驅動時為0.98，采用液壓驅動時則為0.95[13]。

受散熱器與流道阻力影響，空氣實際流量均略小于理論值[14]，將實際流量與理論流量的比值設為k：

進一步推導得：

Gactual=kGc。

當冷卻風扇轉速一定時，不同流量下的冷卻風扇軸功率在特定數值上下波動。因此，當流量變化時，軸功率近似相等，則

以上各式中：Gactual，ηactual分別表示冷卻風扇實際工作時的體積流量、靜壓效率。在實際工作時，風扇靜壓值與流量相比，較難獲取，因此，對式(7)進行變化，可得

則冷卻風扇提供的冷空氣質量流量為

另外，在軸功率、靜壓值不變的前提下，實際靜壓效率與理論靜壓效率關系式為

ηactual=kηs。

2.2基于熵產單元數的評價方法

將式(9)代入式(2)，可得

由式(11)可以看出，在熵分析中，將冷流體側即冷空氣側的質量流速進行變換，利用冷卻風扇性能特征，將冷卻風扇參數與散熱器評價指標結合，計算所得熵產單元數可用來評價冷卻系統性能。

將式(9)代入式(3)，可得

3 正向設計實例及匹配優選

結合式(5)至式(12)對冷卻系統進行評估，具體流程見圖1。依據目前現有的處理方法，可將流程劃分為兩種：1)結合散熱器試驗參數，將其阻力特征轉換為仿真邊界，利用CFD獲取實際空氣流量，運用風扇和散熱器試驗數據進行指標計算(見圖1a)；2)利用散熱器冷熱流體側微流道，計算散熱器換熱和阻力性能并轉換為計算邊界，運用CFD進行計算，得到計算所需邊界條件，進而實現最終指標價。這兩種流程中，前者適用于風扇與散熱器的試驗數據較為充分的情況，其特點是在產品設計中可以實現快速評價。本研究為驗證實例中求解模型的正確性，需使用熱流體出口溫度作為驗證標準，故采用第二種流程。

圖1 工程車輛冷卻系統評價流程

3.1結果驗證與k值獲取

在計算流程中較為重要的是獲取冷卻風扇所能提供的實際空氣質量流量。因此，以國內某雙鋼輪振動壓路機為例，對其冷卻系統進行評價，試驗樣機的技術參數見文獻[15-19]。

將CFD仿真結果與試驗結果進行對比，結果見表1[16-22]。由結果可知，中冷器、冷卻液散熱器、液壓油散熱器熱流體溫度誤差分別為3.15%，4.07%，2.83%。誤差在合理范圍內，仿真模型較為準確。在模型中提取的空氣體積流量值約為2.85 m3/s，匹配的理論體積流量為3.43 m3/s，計算后k值約為0.84。

表1 試驗與仿真結果對比

3.2正向設計下的匹配優選

Pz，n，ηs，ρc，ps，k，Tco，Tci，Tho，Thi，T0均為計算變量，當同一車輛工況保持不變時，其中Tco，Tci，Tho，Thi，T0，n近似認為不變，空氣密度、比定壓熱容表達為關于環境溫度T0的函數[15]：

Cpc=1 003+0.02T0+4×10-4T02。

則剩余變量為Pz，ηs，ps，k。其中k由三維仿真獲得，則最終剩余變量為Pz，ηs，ps。

結合實例，計算三者函數關系，繪制云圖(見圖2)。由圖2可知，低靜壓、高靜壓效率區域軸功率較小，在定熵產數的前提下，出于系統節能的考慮，選型時應盡量選擇參數在該區域內的冷卻風扇，這與常識相符。同時，通過觀察可知同靜壓值時，隨著靜壓效率減小，軸功率非線性增大，靜壓值越大，軸功率變化幅度越大。當靜壓效率相等時，軸功率隨靜壓值增大而增大，靜壓效率越小，變化幅度越大。根據圖中趨勢，以降低能耗為前提，選型中應盡量選擇略大于散熱器阻力值、靜壓效率較高的冷卻風扇，這與傳統的選型設計法相符。這也進一步證明，熵產單元數評估方法在定熵產數前提下可在正向設計中實現與選型設計法相類似的冷卻風扇匹配優選，非定熵產單元數的前提下可實現多系統匹配后性能評估與評價。

圖2 靜壓、靜壓效率與軸功率之間的函數關系

4 結論

b) 在試驗驗證的前提下，可應用三維CFD模擬獲得實際的空氣體積流量與理論空氣體積流量的比值k，但該值僅適用于初步選型時計算指標使用，更換風扇后需重新計算獲取，其值可以直接應用于評價指標之中；

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PerformanceEvaluationandTop-DownDesignofEngineCoolingSystem

LIU Jiaxin1,2,WANG Baozhong1,LONG Haiyang1,JIANG Yankun2

(1.College of Mechanical Engineering, North China University of Science and Technology,Tangshan 063009,China; 2.School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

Engine cooling system of construction vehicle usually consists of cooling fans and radiators. Based on the entropy and exergy efficiency evaluation parameters of radiator, cooling fan was introduced as an element of evaluation objects to realize the evaluation of cooling system. The method was applied to top-down design of domestic double-dun vibration road roller, which made optimization and selection of cooling fan come true. The results show that the cooling system can be evaluated by considering the cooling fan and radiator together and using the air volume flow rate as public variable. According to 3D simulated results, the heat flow temperature error of intercooler, coolant radiator and hydraulic oil is 3.15%, 4.07% and 2.83% respectively. The acquired actual air volume flow rate plays an important role in the whole performance evaluation and product design. Accordingly, the method can be used for cooling fan selection optimization during the top-down design.

construction vehicle;cooling system;match;evaluation method

2017-05-17；

2017-07-10

湖北省技術創新專項基金自主項目(2016AAA045)；博士科研啟動項目(28406999)

劉佳鑫(1983—)，男，博士，主要研究方向為工程車輛節能降噪技術研究；xcmgljx@163.com。

王寶中(1966—)，男，副教授，碩士，主要研究方向為機械學；wbzhong@ncst.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.05.002

U415.521

B

1001-2222(2017)05-0006-05

[編輯： 袁曉燕]