徐立平

(广州工程技术职业学院，广东 广州 510900)

基于AMESim发动机冷却系统匹配仿真分析*

徐立平

(广州工程技术职业学院，广东 广州 510900)

讨论发动机冷却系统匹配的基本思路和方法，以AMESim为仿真平台输入发动机、风扇、散热器等冷却系统相关部件模型，系统分析冷却系统工作状况。分析结果为冷却系统的优化匹配提供依据。

冷却系统、匹配、仿真分析

1 引 言

随着发动机升功率的不断提高,热流密度也随之增大,易出现发动机冷却液温度过高过低的问题。 特别是由于系统匹配不当造成此类问题时, 此类故障就很难简单解决, 从而影响整车的正常使用, 因此, 整车厂以及相关零部件供应商对冷却系统的匹配研究给予越来越多的关注[1]。

汽车冷却系统主要由以下部件组成: 发动机、风扇、节温器、散热器(水箱) 、中冷器、空调系统、变矩器油散热器、取暖器以及相应的管路、液压油散热器、温度传感器及仪表等。如何进行冷却系统配置和评价, 近而缩短产品设计开发周期, 提高设计成功率, 是设计师追求的目标。传统的做法是按照类似整车经验,选择一些冷却部件进行组合, 然后样机装车直接试验考核, 因此, 在一次成功率和系统优化能力方面相对欠缺[2]。

笔者以LMS Imagine.Lab AMESim系统为平台[3]，对车辆的冷却系统进行建模，包括所有的部件、相关的换热器、以及发动机罩下其他子系统之间的影响。计算冷却液流量分布，预测回路上压力和温度的变化，研究单个部件(水泵、节温器、散热器等)和整体系统的匹配性。在驾驶循环工况下对部件间热影响和系统结构修改(前舱换热器布置)的影响进行研究，并测试新的控制策略(风扇、鼓风机、水泵)。

2 模型建立

在AMESim软件中冷却系统结构分析模型应与实际冷却系统物理模型结构保持一致。系统中部件的连接应与实际冷却系统连接方式一样。选用系统中的TFL02带有压缩、摩擦和换热的管道模型(R-C-R)直接连接，如图1所示。

图1 冷却系统分析模型

2.1 整车模型建立

整车模型主要用来设定整车动力传动系统在不同工况下的工作状态，整车模型选用CSES0模型，所需参数：胎压(MPa)、车辆整备质量(kg)、发动机参考转速(r/min)、发动机在参考转速时，不同车速对应的档位、发动机怠速(r/min)、空调开启时发动机转速的增加量(r/min)、发动机最高转速(r/min)、在不同转速下发动机的最大功率(kW)、迎风面积(m2)。

2.2 风扇控制策略模型

风扇控制策略主要根据发动机冷却液的温度来控制一级及二级风扇的开启和关闭，风扇控制模型选取control3控制模型，所需参数如下：一级风扇开启温度、一级风扇关闭温度、二级风扇开启温度、二级风扇关闭温度。

2.3 空调控制策略模型

空调控制策略与风扇控制策略相同，只在空调开启的状态下才起作用，选取control3控制模型，所需参数如下：空调切断温度、空调重新开启温度。

2.4 发动机换热模型

(1) 发动机换热模型选用CSEN00模型，需求参数：冷却液入口等效面积(m2)、发动机缸体和缸盖中冷却液的体积(L)、发动机和冷却液换热量=f(发动机转速，发动机有效功率)数据文件。

(2) 发动机换热曲线，需要输入不同转速下，不同有效功率对应的发动机所需换热量，如图2所示。

2.5 水泵模型

(1) 根据冷却系统结构，水泵为离心式水泵，选取CSCP0模型，需求参数如下：水泵转速和发动机转速之间的传动比、水泵压差和水泵转速流量曲线、水泵中冷却液的体积(L)、水泵工作的总效率。

(2) 水泵压差曲线，需要输入不同转速下，水泵出口流量与水泵进出口压差曲线，如图3所示。

图2 发动机有效功率和换热量曲线 图3 水泵压差曲线

2.6 散热器模型

(1) 散热器模型选取CSRA022带有简单风扇的模型，需求参数如下：散热器冷却液进口的等效面积(m2)、散热器中冷却液的体积(L)、散热器中空气和冷却液之间的热交换量(kW)、散热器的长度(m)、散热器的高度(m)、散热器风扇的内径(m)、散热器风扇的外径(m)、散热器进风温度(℃)、散热器前平均风速(m/s)、风扇开启温度(℃)

(2) 散热器换热曲线，输入不同散热器前风速下，不同冷却液流量对应散热器换热量，如图4所示。

2.7 其他参数输入

分析系统除输入以上模型以为，还需其他模型具体参数。选取不同的分析模型，参数需求略有不同。具体参数模型如下：机油冷却器模型膨胀箱体积(L)、冷却液在膨胀箱中所占膨胀箱总体积的百分比(%)、空气和冷却液之间的热传导系数(W/℃)、膨胀箱开启压力(MPa)、节温器最大开启面积(m2)、初始开启温度和全开温度(℃)、节温器中冷却液体积(L)、暖风机中冷却液入口等效面积(m2)、暖风机中冷却液的体积(L)、暖风机中空气和冷却液的换热量曲线、暖风机最大功率(kW)、暖风机最大散热器前速度及温度场匹配、鼓风量(kg/s)、暖风机工作效率、传动系传动效率、冷凝器功率(kW)、冷却液类型。

图4 散热器换热曲线

3 运算求解

3.1 分析工况设定

冷却系统匹配选取使用过程中最为恶劣的散热工况。一般车用发动机的危险工况为长距离爬坡且车速较低, 而对应的发动机处于全油门最大扭矩工况，设为车速30 km/h，坡度10%，满载的低速大扭矩工况；高速爬坡工况设为车速120 km/h，坡度3%，满载。最大扭矩工况、最大功率工况。冷却性能分析工况设置为以上4个工况。

3.2 系统求解

选用AMESim Regular求解器，仿真时间为190 s，通信步长一般选择0.2 s，选择标准积分器，其他参数采用默认设置。求解输出曲线图:发动机进出水温度(℃)与时间(s)如图5所示；散热器进水流量(L/min)与时间(s)如图6所示；发动机进出口压力(MPa)与时间(s) 如图7所示；散热器进风量(m3/min) 与时间(s) 如图8所示。

图5 发动机进出水温度与时间 图6 散热器进水流量与时间

3.3 系统仿真结果分析

系统模拟得到的发动机出水温度为120 ℃ , 进水温度为100 ℃。发动机会发生开锅现象,不能够满足发动机冷却要求。系统压力0.22 MPa,高于预设0.13 MPa,需要调节水泵相关参数。由此可见当前冷却系统配置不合理，应选用散热效率更高、散热能力更大的散热器，需对应增加散热器进风量。调整参数后系统仿真结果都在合理范围内[4]。

图7 发动机进出口压力图 图8 散热器进风量与时间

4 结 语

以AMESim软件为平台，优化发动机整个冷却系统的匹配, 利用对影响冷却系统的诸多因素进行详细分析, 为各部件之间的良好匹配提供了优化依据。

通过仿真分析发现发动机进出水口温度过高，系统压力过高，通过改变散热器结构和效率、调整水泵参数加以解决。结合冷却系统的仿真计算的详细分析, 对所匹配冷却系统的冷却性能存在的问题, 提出了改进方案。

[1] 盛明星.整车冷却系统优化匹配方法浅谈[J].柴油机设计与制造,2006(2):9-13.

[2] 成晓北.车用发动机冷却系统工作过程与匹配计算[J].汽车工程,2008(9):758-763.

[3] 付永领.AMESIM系统建模和仿真[M].北京:航空航天大学出版社,2006.

[4] 黄 坚.浅谈发动机冷却系统的优化[J].南宁职业技术学院学报,2013(4):93-96.

Simulation Analysis of Matching Cooling System in Engine Based on AMESim

XU Li-ping

(GuangzhouInstituteofTechnology，GuangzhouGuangdong510900,China)

This article discusses the basic ideas and methods of engine cooling system matching, and systematically analyzes the working conditions of cooling system by inputting models of engine, fans, radiators and other cooling system related components based on AMESim simulation platform. The results provide the basis for optimal matching of the cooling system.

cooling system; matching; simulated analysis

2013-11-22

徐立平(1981-)， 男，黑龙江大庆人，讲师，硕士，主要从事发动机及传动控制技术方面的教学工作。

TH128

A

1007-4414(2014)01-0042-02