礦用寬體車發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡仿真與試驗(yàn)

王連志，趙北，王浩，劉龍

(三一重型裝備有限公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110027)

0 引言

近年來(lái)，隨著中國(guó)工業(yè)和煤炭行業(yè)的發(fā)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?jiǎng)恿ρb置，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率也相應(yīng)增大，同時(shí)所產(chǎn)生的熱量也相應(yīng)變多。由于寬體車為非道路性車輛，其工況環(huán)境和路況非常惡劣，如果在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮問(wèn)題不夠全面，實(shí)際中會(huì)存在發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱的現(xiàn)象。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡試驗(yàn)是整車出廠前一個(gè)非常重要的試驗(yàn)項(xiàng)目。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的主要功能是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)散出的熱量進(jìn)行冷卻，保證發(fā)動(dòng)機(jī)出口的水溫限制在合理范圍之內(nèi)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿真工具在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，張克鵬[1]利用KULI軟件對(duì)某轎車?yán)鋮s系統(tǒng)匹配進(jìn)行研究，武玉臣等[2]利用CFD軟件對(duì)某商用車?yán)鋮s系統(tǒng)匹配進(jìn)行研究。三維軟件無(wú)法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，且大多數(shù)研究是針對(duì)商用汽車進(jìn)行的，而對(duì)于非公路型的寬體自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的研究幾乎為空白。因此，利用一維仿真軟件Flowmaster對(duì)寬體車的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，并與發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，為后續(xù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和重要組件選型提供重要的理論依據(jù)。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能有著直接的影響。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、水泵、散熱器、風(fēng)扇、節(jié)溫器、補(bǔ)償水箱、發(fā)動(dòng)機(jī)和管路等組成[3]，如圖1所示。

1-散熱器； 2-冷卻風(fēng)扇； 3-發(fā)動(dòng)機(jī)。

1.1 冷卻介質(zhì)

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)為水和乙二醇的混合物(比例50%和50%)，其物性參數(shù)如表1所示。

表1 冷卻介質(zhì)物性參數(shù)

1.2 水泵

水泵是整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的動(dòng)力源，其主要作用是對(duì)冷卻水進(jìn)行加壓，保證其冷卻系統(tǒng)在系統(tǒng)中的循環(huán)。水泵的外形如圖2所示，圖3為水泵的流量-揚(yáng)程特性曲線。

圖2 水泵外形圖

圖3 水泵特性曲線

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)

發(fā)動(dòng)機(jī)是寬體車的重要?jiǎng)恿υ床考恍蜗蟮胤Q為寬體車的“心臟”，其主要功能是把燃料燃燒過(guò)程中所釋放的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，為各執(zhí)行部件提供動(dòng)力。發(fā)動(dòng)機(jī)的三維模型如圖4所示。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)三維模型

1.4 節(jié)溫器

節(jié)溫器的主要功能是控制冷卻介質(zhì)流向，當(dāng)循環(huán)系統(tǒng)中的水溫較低時(shí)，冷卻水流入節(jié)溫器，進(jìn)入“小循環(huán)”；當(dāng)冷卻水溫達(dá)到一定溫度時(shí)，冷卻水進(jìn)入節(jié)溫器，進(jìn)入“大循環(huán)”。節(jié)溫器的特性曲線如圖5所示。節(jié)溫器的開啟溫度為71 ℃，全開溫度為82 ℃。

圖5 節(jié)溫器特性曲線

1.5 散熱器

冷卻系統(tǒng)的散熱器主要功能是對(duì)冷卻水進(jìn)行降溫，保證發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度在一個(gè)合理的范圍，它是一種雙側(cè)流體換熱器，一側(cè)流經(jīng)冷卻水，另一個(gè)流經(jīng)空氣。熱的冷卻水經(jīng)過(guò)散熱器后溫度降低，冷的空氣經(jīng)過(guò)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(cè)阻力特性和風(fēng)側(cè)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(cè)阻力特性

圖8 風(fēng)側(cè)阻力特性

1.6 風(fēng)扇

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的風(fēng)扇是一種吸風(fēng)式風(fēng)扇，其與發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)比為1∶1。通過(guò)風(fēng)扇，可以增大散熱器的進(jìn)風(fēng)量，增強(qiáng)散熱器的散熱性能，風(fēng)扇的全性能曲線如圖9所示。

圖9 風(fēng)扇全性能曲線

2 仿真分析及其結(jié)果

2.1 分析工況及仿真模型

根據(jù)寬體車實(shí)際運(yùn)行情況，選取最大扭矩點(diǎn)工況進(jìn)行仿真分析，最大扭矩點(diǎn)工況為整車運(yùn)行時(shí)最惡劣的工況，通過(guò)此工況可以校核產(chǎn)品在極端工況下冷卻系統(tǒng)的工作能力。最大扭矩點(diǎn)的轉(zhuǎn)速為1 600 r/min。

2.2 仿真分析結(jié)果

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)水冷系統(tǒng)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(shù)設(shè)定：利用轉(zhuǎn)速控制器對(duì)水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，設(shè)定為1 600 r/min；散熱器基于經(jīng)驗(yàn)性的模型，利用圖6的特性參數(shù)對(duì)散熱器散熱功率進(jìn)行設(shè)定；節(jié)溫器根據(jù)開度特性自定義開度曲線。

根據(jù)所搭建的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真分析模型，進(jìn)行上述工況的仿真分析，可以求出最大扭矩點(diǎn)處的發(fā)動(dòng)機(jī)出水口溫度為100.3℃。出水口溫度曲線如圖11所示。

圖11 發(fā)動(dòng)機(jī)出口水溫(最大扭矩點(diǎn))

3 發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比分析

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡試驗(yàn)是依據(jù)《GB/T 12534—2009 汽車熱平衡能力道路試驗(yàn)方法》進(jìn)行的。本次試驗(yàn)的溫度傳感器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)水口和出水口，如圖12所示。當(dāng)整車各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定，即出水溫度與環(huán)境溫度差值在4 min內(nèi)保持穩(wěn)定，波動(dòng)不超過(guò)±1 ℃，整車達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，記錄該工況下的進(jìn)出水溫度和環(huán)境溫度。試驗(yàn)氣象條件如表2所示，試驗(yàn)設(shè)備如表3所示，熱平衡試驗(yàn)結(jié)果如圖13和表4所示。

表2 試驗(yàn)氣象條件

表3 試驗(yàn)設(shè)備及儀器

表4 熱平衡試驗(yàn)結(jié)果(最大扭矩點(diǎn)工況)

a) 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口水溫

圖13 發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡試驗(yàn)值(發(fā)動(dòng)機(jī)出口水溫)

由于測(cè)量時(shí)的環(huán)境溫度為11 ℃，根據(jù)用戶的實(shí)際要求，實(shí)際的環(huán)境溫度最高為45 ℃，為了驗(yàn)證熱平衡在極限環(huán)境溫度下是否滿足要求，需要把發(fā)動(dòng)機(jī)出口溫度折算到環(huán)境溫度為45 ℃下，具體的折算方法如下，折算后的結(jié)果如表4所示。

LOT=Ttest+(Tmax-Tambient)

式中:LOT為折算到最高環(huán)境溫度下的發(fā)動(dòng)機(jī)出水口溫度，℃；Tmax為最高允許環(huán)境溫度，℃；Ttest為發(fā)動(dòng)機(jī)出水口測(cè)量溫度，℃；Tambient為試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度，℃。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡試驗(yàn)

根據(jù)上述計(jì)算可得，最大扭矩點(diǎn)的參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真分析數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如表5所示。

表5 最大扭矩點(diǎn)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)表5可知，最大扭矩點(diǎn)工況仿真結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果大1.4%，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，同時(shí)設(shè)計(jì)方案滿足指標(biāo)要求。故此，本模型可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了有效的前期驗(yàn)證手段。

4 結(jié)論

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)原理圖，利用Flowmaster軟件對(duì)寬體車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，根據(jù)最大扭矩點(diǎn)工況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)出口水溫進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合[4]。因此，利用數(shù)值仿真的方法為寬體車的冷卻系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，縮短了冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期，降低了開發(fā)成本。同時(shí)，通過(guò)數(shù)值分析與試驗(yàn)測(cè)試建立了對(duì)應(yīng)關(guān)系，為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化以及未來(lái)的不同工況的狀態(tài)檢測(cè)提供了技術(shù)手段，從而保證寬體車在任何工況下都能良好運(yùn)行。