礦用寬體車發動機熱平衡仿真與試驗

王連志，趙北，王浩，劉龍

(三一重型裝備有限公司， 遼寧 沈陽 110027)

0 引言

近年來，隨著中國工業和煤炭行業的發展，寬體車的載重量也隨著客戶的需求逐漸增大，作為整車的重要動力裝置，發動機的功率也相應增大，同時所產生的熱量也相應變多。由于寬體車為非道路性車輛，其工況環境和路況非常惡劣，如果在設計過程中考慮問題不夠全面，實際中會存在發動機過熱的現象。因此，發動機熱平衡試驗是整車出廠前一個非常重要的試驗項目。

發動機冷卻系統的主要功能是對發動機散出的熱量進行冷卻，保證發動機出口的水溫限制在合理范圍之內。隨著計算機技術的發展，仿真工具在發動機冷卻系統設計過程中的應用也越來越廣泛，張克鵬[1]利用KULI軟件對某轎車冷卻系統匹配進行研究，武玉臣等[2]利用CFD軟件對某商用車冷卻系統匹配進行研究。三維軟件無法對整個系統進行評估，且大多數研究是針對商用汽車進行的，而對于非公路型的寬體自卸車發動機冷卻系統的研究幾乎為空白。因此，利用一維仿真軟件Flowmaster對寬體車的發動機冷卻系統進行仿真分析，并與發動機熱平衡試驗結果進行對比分析，驗證仿真模型的準確性，為后續的產品設計和重要組件選型提供重要的理論依據。

1 發動機冷卻系統

發動機冷卻系統是發動機系統的重要組成部分，對發動機的綜合性能有著直接的影響。發動機冷卻系統主要由發動機、水泵、散熱器、風扇、節溫器、補償水箱、發動機和管路等組成[3]，如圖1所示。

1-散熱器； 2-冷卻風扇； 3-發動機。

1.1 冷卻介質

發動機冷卻系統的冷卻介質為水和乙二醇的混合物(比例50%和50%)，其物性參數如表1所示。

表1 冷卻介質物性參數

1.2 水泵

水泵是整個發動機冷卻系統的動力源，其主要作用是對冷卻水進行加壓，保證其冷卻系統在系統中的循環。水泵的外形如圖2所示，圖3為水泵的流量-揚程特性曲線。

圖2 水泵外形圖

圖3 水泵特性曲線

1.3 發動機

發動機是寬體車的重要動力源部件，被形象地稱為寬體車的“心臟”，其主要功能是把燃料燃燒過程中所釋放的化學能轉化為機械能，為各執行部件提供動力。發動機的三維模型如圖4所示。

圖4 發動機三維模型

1.4 節溫器

節溫器的主要功能是控制冷卻介質流向，當循環系統中的水溫較低時，冷卻水流入節溫器，進入“小循環”；當冷卻水溫達到一定溫度時，冷卻水進入節溫器，進入“大循環”。節溫器的特性曲線如圖5所示。節溫器的開啟溫度為71 ℃，全開溫度為82 ℃。

圖5 節溫器特性曲線

1.5 散熱器

冷卻系統的散熱器主要功能是對冷卻水進行降溫，保證發動機冷卻水溫度在一個合理的范圍，它是一種雙側流體換熱器，一側流經冷卻水，另一個流經空氣。熱的冷卻水經過散熱器后溫度降低，冷的空氣經過換熱器后被加熱。散熱器的主要散熱功率特性如圖6所示，其冷卻水側阻力特性和風側阻力特性分別如圖7和圖8所示。

圖6 散熱器功率特性

圖7 水側阻力特性

圖8 風側阻力特性

1.6 風扇

發動機冷卻系統的風扇是一種吸風式風扇，其與發動機的傳動比為1∶1。通過風扇，可以增大散熱器的進風量，增強散熱器的散熱性能，風扇的全性能曲線如圖9所示。

圖9 風扇全性能曲線

2 仿真分析及其結果

2.1 分析工況及仿真模型

根據寬體車實際運行情況，選取最大扭矩點工況進行仿真分析，最大扭矩點工況為整車運行時最惡劣的工況，通過此工況可以校核產品在極端工況下冷卻系統的工作能力。最大扭矩點的轉速為1 600 r/min。

2.2 仿真分析結果

根據發動機水冷系統原理圖，搭建仿真分析模型圖，如圖10所示。

圖10 仿真分析模型

參數設定：利用轉速控制器對水泵的轉速進行控制，設定為1 600 r/min；散熱器基于經驗性的模型，利用圖6的特性參數對散熱器散熱功率進行設定；節溫器根據開度特性自定義開度曲線。

根據所搭建的發動機冷卻系統仿真分析模型，進行上述工況的仿真分析，可以求出最大扭矩點處的發動機出水口溫度為100.3℃。出水口溫度曲線如圖11所示。

圖11 發動機出口水溫(最大扭矩點)

3 發動機熱平衡試驗與仿真結果對比分析

3.1 發動機熱平衡試驗

發動機熱平衡試驗是依據《GB/T 12534—2009 汽車熱平衡能力道路試驗方法》進行的。本次試驗的溫度傳感器安裝在發動機的進水口和出水口，如圖12所示。當整車各項參數穩定，即出水溫度與環境溫度差值在4 min內保持穩定，波動不超過±1 ℃，整車達到穩定狀態，記錄該工況下的進出水溫度和環境溫度。試驗氣象條件如表2所示，試驗設備如表3所示，熱平衡試驗結果如圖13和表4所示。

表2 試驗氣象條件

表3 試驗設備及儀器

表4 熱平衡試驗結果(最大扭矩點工況)

a) 發動機進口水溫

圖13 發動機熱平衡試驗值(發動機出口水溫)

由于測量時的環境溫度為11 ℃，根據用戶的實際要求，實際的環境溫度最高為45 ℃，為了驗證熱平衡在極限環境溫度下是否滿足要求，需要把發動機出口溫度折算到環境溫度為45 ℃下，具體的折算方法如下，折算后的結果如表4所示。

LOT=Ttest+(Tmax-Tambient)

式中:LOT為折算到最高環境溫度下的發動機出水口溫度，℃；Tmax為最高允許環境溫度，℃；Ttest為發動機出水口測量溫度，℃；Tambient為試驗時環境溫度，℃。

3.2 發動機熱平衡試驗

根據上述計算可得，最大扭矩點的參數試驗數據和仿真分析數據對比結果如表5所示。

表5 最大扭矩點仿真結果與試驗結果對比分析

根據表5可知，最大扭矩點工況仿真結果比試驗結果大1.4%，仿真結果與試驗結果基本吻合，同時設計方案滿足指標要求。故此，本模型可以對發動機冷卻系統進行仿真分析，為產品設計提供了有效的前期驗證手段。

4 結論

根據發動機冷卻系統原理圖，利用Flowmaster軟件對寬體車發動機冷卻系統進行仿真模擬，根據最大扭矩點工況對發動機的進出口水溫進行計算，通過與試驗結果進行對比分析，仿真結果與試驗結果基本吻合[4]。因此，利用數值仿真的方法為寬體車的冷卻系統的匹配設計提供了理論依據，縮短了冷卻系統的設計周期，降低了開發成本。同時，通過數值分析與試驗測試建立了對應關系，為發動機冷卻系統的設計優化以及未來的不同工況的狀態檢測提供了技術手段，從而保證寬體車在任何工況下都能良好運行。