发动机冷却水套优化过程研究

德T.WAGNER H.ROTTENGRUBER F.MANDL M.GRILL

摘要

通過对复杂的热管理方案进行优化，设计出精度更高且动态效果更佳的发动机热量分布系统，从而进一步提高发动机效率。在德国内燃机研究联合会（FVV）的“精确热管理”项目（FVV-Nr.1266）框架中，奥托·冯·格里克马格德堡大学和斯图加特大学的研究人员针对发动机水套开展了相关研究。通过应用模拟技术来优化冷却效率，其中重点关注了比三维（3D）模拟更经济的一维（1D）模拟。

关键词

发动机;热管理;冷却水套

0 前言

由于气候变化带来的挑战，汽车和发动机工业领域的研究人员将研究重点集中到了改善发动机效率和降低废气排放上。通过选用更为有效的开发环境，研究人员对发动机的热量分布进行了优化。因此，德国奥托·冯·格里克马格德堡大学汽车系统研究所（IMS）和斯图加特大学的斯图加特汽车技术研究所（IFS）的相关研究人员开展了一系列研究，其研究的目标是改进一维（1D）模拟的建模，优化三维计算流体动力学（3D-CFD）和测量技术的成本。

1 1D模拟

除了燃烧室中的直接热交换之外，现代发动机的冷却系统中还存在着大量的热交换过程，例如间接式增压空气冷却器、水冷式排气歧管，以及商用车领域中的废热回收系统（WHR）。在热管理策略框架中，采用智能调节过程也是必不可少的，以此能精确并动态地控制系统中的热量分布。研究人员对此开展了一系列优化，使得在早期开发阶段中的模拟过程就已具备了较好的效果，但是还需要开展有关瞬态特性的试验。因此，在该类开发过程中，研究人员必然要用到1D模拟方法[1]。

2 1D模拟的方式与方法

1D建模的方式与方法如图1所示。研究人员通过热量和光学测量方法采集了试验载体，并采用已验证的3D-CFD模型来对其进行模拟，从而构成了1D建模的基础。在模型容积得以分解的情况下，研究人员考察了1D模型内的三维（3D）流动效应，以提高模拟结果的可靠性。在分解的概念下，研究人员将真实3D流动区域的空间细分为更小的区域。在考虑到物理现象和流动特性的情况下，研究人员通过3D-CFD模型，对这种方法进行了优化，同时重新开发了专门用于计算冷却水套总体结构传热系数的方法，推导出具有增强效果的1D流动模型。在采用大型发动机的基础上，研究人员对这种新开发的方法进行了验证，推导出了能用于高效预测发动机冷却水套1D模拟过程的标准化方法。

图1 研究项目的方式、方法及工作顺序

3 模拟精度的比较

研究人员采用了参考文献[2，3]中提到的2.0 L轿车柴油机，并将其作为实施该方法的试验样机。该款发动机配备了参考文献[2]中所提到的，可用于测量发动机热状态的网格结构。对于热分析而言，研究人员需要在发动机试验台上采用具有合适运行工况点的试验程序，此外还要对稳态特性曲线场进行测量，并将局部热边界条件的试验结果与涉及到零部件温度的3D-CFD模型进行比较。研究人员通过采用粒子影像速度测量（PIV）方法对气缸体曲轴箱（ZKG）水套进行光学测量，此时就能确定流动速度的矢量场，再用相应的3D-CFD模型对其进行调整。

图2示出了某个运行工况点下的光学测试结果，其中发动机转速为1 350 r/min，冷却液体积流量为18 L/min。在这种低转速的工况下，紊流流动过程已分布于整个发动机冷却水套中。PIV测量与3D-CFD模拟结果具有良好的一致性，并与模型的网状连接、紊流建模和边界条件有着较好的匹配性。组合调整使得光学测量结果具有与3D-CFD模拟结果几乎一致的图像。同时，研究人员将零部件温度、热平衡、发动机冷却水套及其周围结构件的高温3D-CFD模型与相应的测量计算过程相比较，也具有良好的效果。研究人员通过将特性曲线场与3D-CFD模拟结果进行比较，得出在整个运行范围内的最大温度偏差为2.0 K。研究人员能通过所建立的模拟模型，来充分预测冷却水温的升高现象，并得出了相关结论：冷却水在流经气缸盖时，会使其温度升高2.5～10.0 K。正如研究人员所预测的那样，在250 N·m的高扭矩工况下，发动机会在1 500～2 000 r/min的转速区域内出现最大的温差。

图2 针对气缸体曲轴箱水套的PIV测量和流动特性模拟

在发动机特性曲线场的所有范围内，就传入冷却水的能量预测方面而言，模拟模型具有令人满意的精度。换言之，燃烧模型与计算得到的传热结果之间具有非常好的协调性。

4 1D分解

研究人员在对流动问题进行精细分解的同时，也相应提高了模型在结构参数标定及应用等方面的复杂性。为充分解决该问题，研究人员需要采用理想的分解策略，并应遵循下列原则：（1）1D冷却水套模型的应用场景;（2）需要对模型总体和局部的尺寸进行考察;（3）有关几何学、测量数据和3D-CFD模拟的可用数据状况;（4）1D模拟环境中的边界条件（燃烧放热、发动机结构）;（5）物理性能，例如流动特性、壁面温度和发动机冷却水套等不同区域的热传导。

图3（a）示出了1款轿车柴油机的分解状况，图3（b）示出了1台大型发动机的分解状况。根据图中所示的流线，研究人员对不同的流动特性进行了识别：轿车发动机采用横流式气缸，大型发动机采用纵流式气缸。研究人员对冷却水套的基本流动图及发动机机体和气缸盖中的热负荷进行了分解。考虑到传热计算过程，研究人员还应针对机体和气缸盖单独确定模型参数。

图3 轿车柴油机（a）和大型发动机（b）的流动特性（3D-CFD）与实用分解

5 1D模拟中的传热计算

在1D模拟中，壁面与冷却液之间的热流量可按照牛顿方程式，用传热系数α、面积A、壁面温度TW和冷却液温度TF进行计算，如式（1）所示。

Q·=α·A·（TF-TW）（1）

为了表达α与导热率λ和特征长度L的相互关系，研究人员采用了源自相似理论的无量纲特性系数的方法表示，如式（2）和式（3）所示。

α=λL·Nu（2）

Nu=Nu（RePr）=a·Reb·Prc（3）

式2示出了α与努塞尔数N u之间的关系，它描述了固体表面与流动液体之间的强迫对流传热，而努塞尔数又能用雷诺数R e和普朗特数Pr来描述。这种努塞尔关系在式3中通常用参数a、b、c来表示，而在文献中，努塞尔关系则用作于简化某些几何流动问题的参数。对于几何形状复杂的发动机冷却水套中的传热过程而言，上述关系的精度尚有待提升[4]，因而研究人员有必要借助于3D-CFD模拟来确定这些参数。

在1D模拟过程中，研究人员通常以1D流动容积来进行建模。图4示出了在1D传热计算过程中，研究人员要考虑哪些关于流体运动和流体特性的信息。

图4 1D传热计算的模型概念

进一步的修正能获得更高的结果品质，研究人员对比需要考虑层流与紊流之间的过渡、每个流动交接区的精确加权平均数和扩展的输出量。借助于进口质量流量（影响雷诺数）和进口温度（影响普朗特数）的变化，研究人员就能理想地对相关参数进行标定，并通过3D-CFD模型为机体和气缸盖推导出单独的参数组。在采用大型发动机的情况下，研究人员还附加推导出了可用于燃烧室顶管道网格的第3个参数组。

6 试验结果

轿车柴油机和大型发动机的1D模拟结果如图5所示。在图中，研究人员将各自的3D-CFD模拟作为比较基准。除了标定工况点之外，研究人员还对更多的工况点进行了验证。研究人员在1D和3D-CFD模擬之间加入了热量的百分偏差（分别示于图5（b）和图5（e）），并将其作为评价结果的标准。上述偏差可用柱状图表示，其中可按照运行工况点和不同的冷却水套范围来进行划分。根据结果可知，2种试验载体加入热量的精度偏差小于5%，最大偏差发生在大型发动机的气缸盖区域及冷却水套上。在采用这种试验载体的前提下，研究人员通过对单个气缸的传热参数进行优化，进一步减小了偏差。

图5 轿车柴油机和大型发动机的1D模拟结果概况，以及在运行工况点条件下加入热量的平均绝对偏差

7 结论

如上文所述，研究人员开发了1种实用的1D发动机冷却水套建模通用方法，其重点在于针对3D几何形状的分解策略，以及借助于努塞尔关系的传热计算方法。在该建模过程中，采用3D-CFD模型是进行比较的基础和准则。研究人员可通过整机的热量平衡和冷却水套中的光学PIV测量来确保试验结果的品质。同样，这种方法在大型发动机上也得到了验证，取得了较好的试验结果。考虑到2种水套尺寸大小和流动特性的不同，研究人员通过对发动机进行试验研究，证实了这种方法的普遍有效性，并得出了如下结论：相对于总加热量而言，1D传热计算结果的精度偏差通常小于5%。

参考文献

[1]DOHMEN J，BARTHEL R，KLOPSTEIN S.Virtuelle kühlsystementwicklung[J].MTZ，2006，67（12）：966-973.

[2]ZEITZ V，VARGA P，TSCHKE H，u.a.Simulation des wrmetransports in verbrennungsmotoren[J]. MTZ，2014，75（7-8）：74-81.

[3]ODER J，ROTTENGRUBER H，ZEITZ V.Simulation des wrmetransports bei variation der betriebsbedingungen[J]. MTZ，2017，78（10）：74-79.

[4]ROBINSON K，HAWLEY J G，HAMMOND G P，et al.Convective coolant heat transfer in internal combustion engines[J].Proceedings of the Institution of Mechanica-l Engineers， Part D： Journal of Automobile Engineering Automobile Engineering，2002（7）：133-146.

范明强 译自 MTZ，2021，82（4）

伍赛特 编辑

（收稿时间：2021-04-20）