某增压车型冷却系统分析与验证

张应兵，王次安，王宏大，刘吉林

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某增压车型冷却系统分析与验证

张应兵，王次安，王宏大，刘吉林

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

为了验证冷却系统仿真分析在整车冷却系统开发中的意义，根据某增压车型冷却系统布置原理建立冷却系统分析模型，基于水套CFD分析及冷却系统一维模型确定各转速工况下冷却系统各支路流量分配情况，然后将分析结果与整车冷却系统试验进行对比，验证分析的精度，确定冷却系统分析在产品开发中的意义。

1D；冷却系统；水套；CFD；试验

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.11.038

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)11-103-03

前言

发动机冷却系统的任务是使发动机得到适度的冷却，从而保持在最适合的温度范围内工作[1]，如果发动机冷却能力不足，会导致发动机工作条件恶化，进而引起发动机动力性、经济性全面变差[2]，近年来，高效、高增压比的涡轮增压器设计已成为增压技术主要的发展方向[3]，但是增压技术的应用在提高发动机动力性的同时，对冷却系统也提出了更高的要求[4]，所以增压发动机冷却系统的设计也就尤为重要，这也就需要寻找一种高效、准确的冷却系统开发方法。

本文利用三维和一维联合分析方法对某增压车型冷却系统进行建模分析，确定冷却系统流量分配情况。然后进行整车冷却系统试验，与发动机台架试验相比，整车冷却系统试验流量数据更接近实际状态，根据仿真结果与试验数据对比判断仿真精度，验证冷却系统仿真分析在整车冷却系统开发中的意义。

1、发动机水套CFD分析

图1　冷却系统仿真分析流程

整车冷却系统分析流程如图1所示，冷却系统1D建模主要边界包括管路尺寸、水套流阻特性、各部件流阻特性和水泵性能，建立冷却系统1D分析模型计算确定系统流量分配和压力分布情况。

首先确定水套流阻特性，水套流阻数据一般通过水套CFD分析获得，首先对该增压发动机水套的CAD模型进行前处理，并进行面网格的划分，然后将面网格以中间格式导入流体分析软件中，进行流体网格的划分，为了保证计算收敛性及计算精度，需要对模型关键位置进行细化。然后进行分析设置，分析模型介质为乙二醇溶液，冷却液为不可压缩稳态湍流流动，采用复合壁函数来处理接触壁面[5]，湍流模型采用稳定性较好的k-ε模型，k-ε模型可以通过以下两个方程来描述，即：

对水套模型设置不同的流量进出口边界，通过计算确定不同流量下水套各出口对应的流阻数据，图2为水套压强分布图，图中对水套进出口进行标注，从图中可以看出水套散热器出水口为整个水套压力最低位置，水套压力分布过渡均匀，压力分布正常。各流量边界下水套暖风支路和散热器支路流阻特性曲线如图3所示。

图2　水套压强分布云图

图3　发动机水套流阻特性曲线

2、冷却系统一维分析

该增压车型冷却系统原理图如图4所示，根据系统原理图知该增压车型冷却系统包括高温循环回路和低温循环回路，两回路冷却液通过膨胀水壶连接流动。

图4　冷却系统设计原理图

冷却系统各主要部件流阻特性曲线如图5所示，该数据根据零部件单体试验测试获得，水泵性能数据如图6所示，该水泵性能MAP图根据试验测试机数据差值获得，通过MAP图对水泵性能数据进行处理可以更准确的反应水泵真实性能。

根据冷却系统设计原理图和各边界条件进行冷却系统一维分析模型的建模，分析模型如图7所示，图中对冷却系统各主要部件进行标注。

图5　各主要部件流阻特性

图6　发动机水泵特性

图7　整车冷却系统分析模型

冷却系统计算工况点为发动机转速1500rpm、2000rpm、2500rpm、3000rpm、3500rpm、4000rpm、4500rpm和5000rpm，共8个工况点，表1为发动机转速5000rpm工况下系统流量分配情况，系统各支路流量分配正常。其他各转速流量变化情况如图10所示。

表1　冷却系统各支路的流量分配

3、整车冷却系统试验

为验证冷却系统仿真分析的精确度，进行整车冷却系统试验，整车冷却系统各传感器布置方式如图8所示， 由图可知各传感器与冷却系统各支路连接方式。实车中水流量传感器布置方式如图9所示，为方便传感器与系统连接，增加部分管路长度，为降低增加管路对系统流阻的影响，要求增加的管路直径比原管径大，并且管路接头过渡平缓。

图10　分结果与试验数据对比

分别控制发动机转速为以上8个工况点，进行整车冷却系统试验，测量并记录各传感器试验数据，对数据进行处理，并将试验数据与仿真数据进行对比，判断仿真分析的精确度，具体对比结果如图10所示。

根据对比结果可知，冷却系统分析结果与试验数据符合较好，个别工况下试验数据存在波动，与分析结果存在一定偏差，但两结果整体符合较好，且大部分工况点下偏差小于10%，说明仿真分析的精度较高。

4、结论

为验证冷却系统仿真分析在整车冷却系统开发过程中的精确度，选取某冷却系统较复杂的增压车型进行冷却系统建模分析，并进行整车水流量测试试验，将分析结果与试验数据进行对比，根据对比结果知除个别试验数据波动点外，仿真结果与试验数据符合较好，两结果偏差小于10%，说明冷却系统仿真具有较高的精确度，可以为冷却系统开发提供支持，提高产品开发效率。

[1]刘艳莉等.汽车构造与使用[M].北京:人民邮电出版社,2009.

[2]冯贝贝,张少华等.增压直喷汽油发动机冷却系统优化的研究[J].内燃机,2013,（2）21-25.

[3]张扬军,张树勇，徐建中.内燃机流动热力学与涡轮增压技术研究. [J].内燃机学报，2008，26（增刊）：90-95.

[4]胡群,韩同群,张云鹏. [J].湖北汽车工业学院学报.2008. （22）:18-22.

[5]AVL fire user's guide version 3.3[R]. AVL LISTGmbH，2000.

Analysis and Test of Cooling System for Turbocharged Vehicle

Zhang Yingbing, Wang Cian, Wang Hongda, Liu Jilin
( Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In order to verify the importance of cooling system simulation, the cooling system model of turbocharged vehicle is built basing on arrangement principle of cooling system. The coolant flow rate of different branches can be got based on CFD and 1D simulation model. Then simulation results can be compared with test data. And the accuracy of simulation can be verified according to test.

1D; Cooling system; Water jacket; CFD; Test

U467.3

A

1671-7988(2016)09-103-03

张应兵（1979-），男，工程师，就职于江淮汽车技术中心发动机设计研究院，研究方向为发动机产品的设计开发。