某輕型卡車發動機冷卻系統性能虛擬試驗方法

黃 鑫

（濰柴動力股份有限公司 上海研發中心，上海 200122）

汽車發動機冷卻系統的性能與汽車產品銷售的區域直接相關，同時也與燃油經濟性能、噪聲振動與聲振粗糙度（Noise Vibration Harshness,NVH）性能、成本相矛盾，在產品開發過程的前期進行常規的一維仿真、后期進行試驗驗證的方法被整車設計企業普遍采用[1-3]。但隨著客戶對整車的燃料經濟性能和NVH性能的期望越來越高，冷卻系統的設計更加精細化，其余量變得越來越小[4]，希望能通過試驗或者仿真的手段得到更加準確的預判。而實車驗證受開發周期、試驗環境、工況模擬的可操作性及試驗過程的控制程度的影響，及時獲得冷卻系統評估數據的可能性較低，且基本不能進行準確的預判。常規的仿真方法嚴重依賴發動機、散熱器等零部件供應商提供的臺架性能試驗數據的準確程度，可以說只有完美的零部件試驗結果才可能會得到準確的整車系統評估結果。本文以某輕型卡車為研究對象，運用Kuli軟件對冷卻系統進行一維仿真分析，對比分析了常規仿真方法與實車道路試驗結果的差異，并由此提出一種以替代實際試驗為目標的，通過結合仿真模型和前期試驗結果實現的虛擬性能試驗方法。

1 研究對象及參數

本文以總質量7 500 kg的某輕型卡車為研究對象，整車主要參數如表1所示。

表1 整車主要技術參數

輕型卡車廠商一般不具備冷卻系統零部件級的性能試驗能力，仿真所需的性能數據由零部件供應商提供。

發動機熱平衡試驗數據如表 2所示。散熱器芯體尺寸為（565×509.8×36）mm，熱側冷卻液進口溫度為80 ℃，冷側空氣進口溫度為20 ℃。中冷器芯體尺寸（492×332×52）mm，熱側空氣進口溫度為150 ℃，熱側空氣進口壓力為150 kPa，冷側空氣進口溫度為25 ℃。風扇采用490 mm直徑、9片葉片的電磁離合風扇，與發動機轉速傳輸比為1.13。水泵為機械式，與發動機轉速傳輸比為1.332。

表2 160馬力發動機熱平衡試驗數據

2 常規仿真方法及結果

對冷卻系統進行常規的仿真，依據表 2的發動機熱平衡試驗數據、散熱器及風扇等其他零部件性能數據、各零部件的尺寸及其在整車中的位置坐標在Kuli軟件中建立模型，如圖1、圖2所示。

圖1 冷卻系統循環框圖

圖2 冷卻系統空氣側示意圖

冷卻液回路建模時考慮暖風芯體對整個冷卻液回路的分流及節溫器的節流作用，并以等效的直管代替發動機內部流動阻力。空氣側建模時根據樣車前臉的布置情況，將中冷器和散熱器的進風分為兩個區域，以進出口壓降模型和內部壓降模型來模擬，其相應的入口壓降值（Coefficient of Pressure, CP）和通道阻力值（Built In Resistances,BIR）采用該型輕卡的常規值。

仿真工況采用《汽車熱平衡道路試驗方法》（GB/T 12542—2009）中推薦的極限使用工況，仿真結果如表3所示。

表3 常規仿真工況及結果

依據常規仿真得到的結果該車匹配的冷卻系統能夠滿足極限使用許用環境溫度高于41 ℃、中冷壓降低于12 kPa、冷后溫升低于30 ℃的要求，可以進行試裝，并進行道路試驗驗證。

3 道路試驗方法與結果

整車熱平衡道路試驗在試驗場進行，對樣車進行必要的改制，使節溫器處于大循環全開及小循環全關的狀態，鎖死冷卻風扇的電磁離合器，使發動機與冷卻風扇保持剛性連接。試驗時將空調模式設定為制冷且冷卻風量最大，采用負荷拖車控制試驗車輛運行在GB/T 12542—2009規定的極限使用工況，試驗結果如表4所示。

表4 道路試驗工況及結果

依據實車道路試驗結果判斷，該車冷卻系統的極限使用許用環境溫度低于41 ℃、中冷壓降高于12 kPa，不能滿足設計要求。

同樣是進行相同限值的冷卻系統可否滿足設計要求的判斷，常規仿真的方法和實車道路試驗的方法卻給出了相反的評價結果。用道路試驗結果為基準，常規仿真與道路試驗對于冷卻系統評價指標的相對偏差在8%～11%之間，如表5所示。

表5 常規仿真與道路試驗結果對比

4 常規仿真與道路試驗結果差異分析

常規仿真結果與道路試驗結果存在較大的差異，從兩個方面分別分析引入誤差的主要原因。

從試驗方面來看，冷卻系統的設計目標值均為溫度或壓力的差值，所用傳感器通常標注滿量程精度，這導致了測量誤差在差值結果中被放大。為獲得較好的測量精度，在試驗前對傳感器進行標定、篩選并成對的使用，試驗過程中交換兩個測點的位置并再次試驗，可以獲得較好的測量準確性。也有研究表明在溫差測量中通過使用對聯熱電偶將熱平衡誤差由傳統溫差測量方法的9.4%減小到3.1%[5]。

從仿真方面來看，常規仿真模型是理想狀態，而實車在設計裝配過程中的縫隙、臟污等影響因素也無法定量考慮。冷卻系統仿真嚴重依賴的各零部件的臺架性能試驗，也大多需要進行溫度和壓力差值的測量，同樣需要采用提升差值測量準確性的試驗手段。《汽車散熱器散熱性能試驗方法》（QC/T 907—2013）中要求，冷熱兩側的熱平衡誤差在5%范圍內的試驗數據是有效的。即滿足標準要求的零部件試驗數據，也可能會給仿真引入5%的誤差。

5 虛擬試驗方法與結果

本文定義的虛擬試驗方法是一種通過相似試驗進行模型標定，以縮小適用范圍為代價，提高特定工況計算精度的仿真方法。

在Kuli軟件中建立與圖1相同的氣側模型，并依據表 6給出的發動機性能數據和其他相關零部件性能數據建立如圖 3所示的冷卻系統循環模型。

表6 150馬力發動機熱平衡試驗數據

圖3 優化模型用的冷卻系統循環框圖

模型中定義修正系數OPTPAR用來模擬零部件性能試驗結果引入的偏差及實車與理想模型的差異引入的偏差。采用經過嚴格控制的整車道路熱平衡試驗結果作為目標值，對修正系數OPTPAR進行計算。

將計算得到的修正系數OPTPAR帶入模型的BIR中，再次進行仿真分析，結果如表7所示。

表7 虛擬試驗工況及結果

依據相同的標準進行的冷卻系統是否符合設計要求的判斷時，虛擬試驗方法和道路試驗的方法可以給出一致的結果。以道路試驗結果為基準計算冷卻系統判斷值的相對偏差不大于1.5%，如表8所示。

表8 虛擬試驗與道路試驗結果對比

6 結語

本文基于某輕型卡車的發動機冷卻系統匹配過程進行研究，根據發動機臺架熱平衡試驗、冷卻系統相關零部件臺架試驗等結果進行冷卻系統性能的仿真分析，仿真與試驗相比較冷卻系統匹配符合性指標偏差在8%～11%之間。在冷卻系統設計余量較小的情況下，該偏差不能滿足匹配評價的要求。分析常規仿真與試驗的結果差異，提出通過引入修正系數并借助前期試驗結果對仿真模型進行修正的虛擬試驗方法，將部分工況的匹配符合性指標偏差降低至1.5%以內，為類似冷卻系統的匹配提供了可行的思路和方法。