某国五柴油机冷却系统建模分析与优化

王晶晶



某国五柴油机冷却系统建模分析与优化

王晶晶

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

运用Flowmaster软件，参考发动机几何数模搭建冷却系统模型，使用试验数据评估校对模型精度。根据项目需要取消原有的SCR冷却器，改用EGR冷却器。评估不同布置方案下的流量，以及对冷却系统已有的其他支路的影响。通过分析可知，将EGR冷却器并联新位置对其他支路影响较小，各支路流量都满足设计需求。

冷却系统；发动机；仿真分析；Flowmaster

1 引言

发动机产品模块化开发后，可根据需求快速调整配置以适应市场需求。当个别模块变更后，很多后续工作都可以建立在已有成果之上，从而缩短开发时间，节约项目资金。对于这类改型项目，可充分借用已有的试验数据标定分析模型，而通过分析模型的扩展可以评估新模块预期性能，从而为开发工作提供定量参考。

当前已有的发动机产品使用SCR后处理系统，故冷却系统中有SCR冷却器；而改型产品采用EGR系统，故冷却系统需同步将SCR冷却器变更为EGR冷却器。通过对冷却系统进行一维分析，评估布置方案的优劣及新系统各支路的流量变化情况。

2 建模原理

冷却系统性能分析，最终要解决的问题是动态的热量交换和温度平衡问题。系统最大换热能力不低于发动机各子系统最大散热需求。将各支路的最大散热需求和限制温差组合起来即可确定该支路的最低冷却液流量需求。这样即可将冷却系统的瞬态换热分析分析转化为稳态流量分析。

冷却系统流量分析建模，将各管路、换热元件、发动机水套等部件的流阻特性、水泵的输出性能放入同一模型内，经多轮次的迭代计算找到系统的平衡点，即水泵输出的流量满足各支路流量需求，且产生的总压差正好等同于各支路压损的总和。

管路类元件模型的压损和流量的关系满足下列关系：

其中，△管路压损，流阻系数，f层流流阻系数，f流阻系数，管路长度，管路直径，冷却液质量流量，冷却液密度，管路横截面面积，内表面粗糙度。

换热元件及水套的压损和流量关系，直接采用试验数据拟合，一般情况下满足二次曲线关系：

其中，△管路压损，冷却液体积流量，拟合系数。

水泵性能使用额定点的“扬程-流量”曲线，形式如下：

其中，扬程，冷却液体积流量，J转速为时的对应关系。

水泵在其他转速时的性能与额定转速时的性能满足相似变换原理，关系如下：

其中，下脚标0表示额定转速水泵性能参数，i表示其他转速水泵性能参数。，，分别表示水泵的冷却液体积流量、扬程、转速。

3 模型搭建

图1所示为该发动机冷却系统原理图。其中SCR冷却器为原平台机型配置设备，新机型取消该零件，在该位置安装EGR冷却器（方案1），或者在图示位置重新安装（方案2）。散热器、暖风、机油冷却器、EGR冷却器、流阻曲线，软件转换为流阻系数与雷诺数的曲线，如图2。SCR冷却器流阻系数为定值60管路按实际情况录入长度、内径、横截面积、内表面粗糙度，流阻由软件在后台按前文公式自动计算。

图1 冷却系统原理图

水泵额定转速时的无量纲性能曲线如图3所示。最终，分析如下图4。

图2 各组件流阻系数

图3 无量纲水泵性能曲线

图4 发动机冷却系统分析模型

4 方案对比

方案0 原配备SCR冷却器机型（参考基准）

方案1 EGR冷却器直接布置在原SCR冷却器位置

方案2 EGR冷却器与其他支路并联

表1 各方案流量分布情况

从上表可知，采用方案1时暖风、散热器的流量将明显低于原基本型流量，对采暖及散热将产生不利影响，且EGR冷却器流量略低于设计需求。而方案2，机油冷却器支路略有下降，但处于可接受范围内；暖风、散热器支路有所上升，可满足采暖及散热需求，EGR冷却器支路流量也符合设计要求。而且，选用方案2可以继续沿用原基本型水泵，提升零部件的通用性。

5 结语

对于模块化的产品，在改型过程中可以快速替换组件，充分运用平台优势迅速开发产品。同时，结合已有试验数据快速建立可靠分析模型，为新模块的布置工作作出准确的分析预测，供设计人员作后续开发的参考。

[1] Flowmaster软件参考文档.

[2] 滕建耐,张增光等.某款汽油发动机冷却系统的优化设计[J].时代农机. 2016(9), 36-37.

[3] 高巧,刘吉林等.某型号柴油发动机冷却系统分析及优化[J].汽车实用技术. 2017(8), 129-131.

Simulation and Optimization for the Cooling System of a Diesel Engine

Wang Jingjing

( Anhui Jianghuai Automobile Group Corp., Ltd, Anhui Hefei 230601 )

using the Flowmaster Software, built the coolant system 1D model via the engine CAD model and the experiment data. According to the new project, the SCR Cooler is cancelled in the next generation product, which prefers to employ the EGR Cooler. Two different cases to be implemented are verified by the 1D simulation. The results is that the parallel connection case is more competitive.

Coolant system; Engine;Simulation;Flowmaster

A

1671-7988(2018)24-68-03

U464.238

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1671-7988(2018)24-68-03

U464.238

王晶晶（1992-），女，助理工程师，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司，主要从事发动机设计工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.023