汽车散热器张克鹏
【摘 要】以某重型商用车发动机冷却系统为研究对象,利用整车热管理仿真软件KULI建立了冷却系统模型,进行了发动机冷却系统的仿真计算,并与试验数值进行比对分析.结果表明:仿真结果与试验数值吻合较好,仿真模型可靠,为发动机冷却系统的设计与匹配提供理论依据,通过软件仿真可以大大提高冷却系统分析效率,节省试验费用.
【期刊名称】《交通节能与环保》
【年(卷),期】2013(009)001
【总页数】7页(P30-36)
【关键词】重型商用车;发动机;冷却系统;试验;仿真
【作 者】张克鹏
【作者单位】陕西重型汽车有限公司,陕西西安710200
【正文语种】中 文
【中图分类】U464.138
0 引言
重型商用车发动机由于功率大，产生的热流密度也随之增加，再加上商用车较乘用车工况更加复杂和恶劣，普遍存在发动机冷却液温度过高的问题。因此，考虑在有限的发动机舱空间里，随着冷却包（如:中冷器、散热器、空调冷凝器等）的安装，散热条件的越来越恶劣，设计一个可靠而高效率的发动机冷却系统，用合理的冷却系统将发动机产生的热量散发到外界空气中，在汽车整车开发过程中变的越来越重要[1,2]。
发动机冷却系统的设计匹配，传统的方法是制作物理样机，通过试验分析各个子系统之间的相互影响，这样需要不断的制作样机进行试验对比，由于重型商用车发动机冷却系统的复杂性，按传统方法开发周期比较漫长，试验费用也较为昂贵。同传统的建造试验方法相比，利用数字建模进行模拟计算分析，能在产品前期开发匹配过程中，就得到发动机冷却系统的冷却效率初步分析结果，避免了后期改进、完善、试验验证的时间消耗和成本浪费，对发动机冷却系统的成功开发和设计带来非常显著的作用[3-5]。
KULI软件是由斯太尔工程技术中心（Magna Steyr Engineering Center）开发的汽车热管理的一维仿真软件，利用该软件可以方便地进行冷却系统的整体布置和计算。以某重型商用车发动机冷却系统为原型，介绍利用KULI软件进行发动机冷却系统的计算，之后与试验数据进行对比。该重型商用车发动机冷却系统属于强制循环水冷系统[6]。
1 发动机冷却系统参数设定
所研究某重型商用车冷却系统的布置如图1所示。发动机为增压中冷式大功率柴油发动机，主要技术参数见表1。根据该重型商用车的结构形式，设计了进口压降（KULI软件中为CP阀模块）、中冷器、散热器、机械风扇、水泵、内部压降（KULI软件中为内部阻力模块）和出口压降等的仿真模型，这些模型包括以下信息:①部件的外形尺寸和位置参数；②流体模型，主要为内部流动流体和外部流动流体的压力损失特性；③中冷器和散热器等热交换器部件的传热特性[7]。
图1 冷却系统布置图
表1 柴油机主要技术参数进气方式 增压中冷气缸数 6缸径×行程/mm 108×130总排量/L 7.14
额定功率/kW 220额定转速/r·min-1 2300最大扭矩/N·m 1160最大扭矩转速/r·min-1 1400～1600最高爆发压力/MPa 17.5
1.1 散热器模型
1.1.1 散热器物理参数
外形尺寸按照车辆设计参数，确定外形尺寸:宽度=818 mm，高度=680 mm，厚度=40 mm；
位置坐标:按照车辆设计总布置，确定散热器位置坐标为:（X,Y,Z）=(0,0,0)；
内部流动方向:按照车辆实际安装使用条件，确定为-Z方向；
散热器入口位置:根据车辆设计布置确定为左上方；
内布置管道参数:根据车辆散热器设计参数，确定管道总数=68，管道排数=1，管道截面积=53.53 mm2，浸润周长=81.44 mm。
1.1.2 散热器内部流动特性
散热器内部流动冷却液为水和乙二醇混合液，混合比例为50%，水箱压力损失比为30%。
散热器冷却液流动压力损失特性曲线，如图2所示。
图2 散热器冷却液流动压力损失特性曲线
图3 散热器外部流动压力损失特性曲线
1.1.3 散热器外部流动特性
散热器外部流体为从汽车格栅进入发动机舱的空气，入口绝对压力为101.3kPa，空气湿度为50%，相对温度为33℃。
散热器外部流动（冷空气）特性曲线，如图3所示。
1.1.4 散热器热传导特性
散热器热传递特性，根据试验测试数据，其特性曲线如图4所示。
图4 散热器热传导特性曲线
1.2 中冷器模型
1.2.1 中冷器物理参数
外形尺寸按照车辆设计参数，确定外形尺寸:宽度=780 mm，高度=465 mm，厚度=50 mm；
位置坐标:按照车辆设计总布置，确定中冷器位置坐标为:（X,Y,Z）=(-150,50,0)；
内部流动方向:按照车辆实际安装使用条件，确定为-Z方向；
中冷器入口位置:根据车辆设计布置确定为左上方；
内布置管道参数:根据车辆中冷器设计参数，确定管道总数=24，管道排数=1，管道截面积=390 mm2，浸润周长=433 mm。
1.2.2 中冷器内部流动特性
中冷器内部流动入口绝对压力为102.7 kPa，水箱压力损失比为30%。
中冷器内部流动压力损失特性曲线，如图5所示。
1.2.3 中冷器外部流动特性
图5 中冷器冷却液流动压力损失特性曲线
中冷器外部流体为从汽车格栅进入发动机舱的空气，入口绝对压力为102.7 kPa，空气湿度为33%，相对温度为28℃。
中冷器外部流动（冷空气）特性曲线，如图6所示。
1.2.4 中冷器热传导特性
图6 中冷器外部流动压力损失特性曲线
中冷器热传递特性，根据试验测试数据，其特性曲线如图7所示。
图7 中冷器热传导特性曲线
1.3 风扇模型
1.3.1 风扇物理参数
外形参数:直径=646 mm，叶片宽度=70 mm，厚度=94 mm，叶片数=9；
位置坐标:按照车辆设计总布置，确定中冷器位置坐标为:（X,Y,Z）=(200,400,340)；
转速传输比:采用机械直接式风扇，风扇与发动机转速传输比为1。
1.3.2 风扇特性
风扇特性边界条件:冷空气入口温度为20℃，入口压力为101.3 kPa，空气湿度为50%。
风扇特性值由试验获得，其特性曲线如图8所示。
图8 风扇特性曲线
1.4 水泵模型
1.4.1 水泵物理参数
转速传输比:水泵与发动机转速传输比为1.867。
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