雷良新，陶乐仁,2，孙悦，陶宏，桂超

（1.200093上海市 上海理工大学 能源与动力工程学院；2.200093上海市 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室；3.201206上海市 上海海立新能源技术有限公司）

0 引言

随着经济的不断发展，车辆及其发动机技术发展迅速，燃油汽车给人们带来便利的同时，也对环境造成了一定的污染，因此，世界各国对汽车尾气的排放量加以严格控制，人们开始重视发动机燃油的经济性[1-2]。发动机冷却系统的作用就是让发动机能够在任何环境、各种运行条件下维持发动机在合适的温度范围内可靠并持续地运行，从而保证了发动机具有良好的动力性和经济性[3-4]。根据冷却介质选择的不同，发动机冷却系统通常分为风冷式冷却系统、水冷式冷却系统和油冷式冷却系统，现代的汽车主要采用的是水冷式冷却系统，其中以闭式强制循环冷却系统为主[5]。

目前，国内外许多高校和科研院所对发动机冷却系统的热管理技术开展了相关研究，主要集中在散热器对冷却系统性能的影响以及节温器、风扇、水泵等配件对冷却系统性能的影响[6]。在发动冷却系统中采用电控节温器和电动水泵代替传统节温器和机械泵[7-8]，根据发动机冷却液温度和空气流速的不同，用变速冷却风扇代替传统风扇，提高了发动机冷却效率[9]。吉林大学李君[10]等人以典型农用发动机为例，利用AMESim一维仿真软件建立了发动机冷却系统的模型，对发动机冷却系统散热器的有效正面积优化设计进行研究。结果表明，发动机冷却系统对散热器宽度更加敏感，合理地增大散热器的有效正面积可以提高冷却系统的冷却效果。袁新[11]利用CFD技术建立了风扇、散热器的仿真分析模型，结合风洞试验对风扇和散热器在最佳工况点进行研究，并得出最佳工况点下的冷却能力能够满足发动机的要求。

本文在前人的研究基础上，以某型号的发动机为参考对象，基于AMESim仿真软件建立完整的发动机冷却系统模型，利用该模型研究了发动机在4种运行工况下发动机出口冷却液温度、发动机进口冷却液温度、散热器出口冷却液温度的变化情况；针对发动机容易出现“开锅”的现象，合理调整散热器散热芯体的宽度以增大散热器的有效正面积，并同时调整节温器、风扇的启停温度来避免发动机出现“开锅”的现象，以达到优化发动机冷却效果的目的；验证了重新匹配参数后的仿真模型的有效性，为深入仿真分析冷却系统提供了参考依据。

1 冷却系统基本结构和工作原理

发动机冷却系统常常采用闭式强制循环水冷式冷却系统，这种冷却系统基本结构如图1所示。其主要部件有：发动机机体、节温器、散热器、冷却风扇、水套、水泵、补偿水桶等。

图1 发动机冷却系统基本结构Fig.1 Basic structure of engine cooling system

工作原理：当冷却液流过水泵时，压力上升，再经过分水管进入发动机水套中，在发动机气缸里吸收发动机产生的热量，之后，从发动机缸盖处流出来进入节温器，节温器根据冷却液的温度分配进入散热器的流量，随后经过散热器散热芯与室外空气进行热交换，最后，冷却液经过散热器后回到水泵入口，完成一次冷却循环。同时，冷却风扇通过温度传感器上显示的温度来确定冷却风扇的启停，这样如此重复循环，使得发动机出口冷却液温度控制到合理的温度范围内。

2 建立冷却系统仿真模型

2.1 发动机冷却系统仿真模型

发动机冷却系统性能的优劣直接影响着发动机的可靠性和经济性，所以，对发动机冷却系统中主要零部件的优化分析非常有必要。本文基于AMESim一维仿真软件建立了发动机冷却系统仿真模型。AMESim（Advanced Modeling Environment For performing Simulations of Engineering Systems）是一款由IMAGINE公司设计开发出来的工程上应用的仿真软件[12]，其仿真范围广，可实现多学科、多领域的建模与仿真。在建立一维仿真模型中，需要对各个部件进行严格的测试与试验验证，并对相关参数进行了设置，从而保证了仿真结果的准确性。

AMESim软件中包含着热液压库、机械库、信号库、空调库、热库、冷却系统库等。使用AMESim软件中的热液压库、信号库、冷却系统库、热库的部件完成了发动机冷却系统仿真模型的设计与建模，按照草图模式、子模型模式、参数模式及仿真模式4个工作步骤搭建发动机冷却系统仿真模型，其仿真模型如图2所示。从图中可以看出：其主要由发动机机体、节温器、散热器、冷却风扇、水套、水泵、补偿水桶、冷却系统管路等子模型构成。

图2 发动机冷却系统仿真模型Fig.2 Simulation model of engine cooling system

2.2 发动机子模型

本文以一台2.5 L直列4缸某型号汽油发动机为研究对象，其整车的主要参数如表1所示。其中，发动机模型采用AMESim仿真软件中Cooling System库中CSEN00元件。发动机散热量Q1根据经验公式进行求解[13]。

式中：a0——发动机散热量占燃料总热量的百分比，汽油机取0.21～0.30，本文取0.25；ge——发动机燃料的消耗率，kg/(kW·h)，查内燃机性能参数表取值，取0.25；P——发动机功率，kW；Hn——燃料的低热值，kJ/kg。

表1 整车主要参数Tab.1 Main parameters of the whole vehicle

2.3 散热器子模型

散热器在发动机冷却系统中的作用非常大，冷却系统冷却能力不足或者过度冷却都会对发动机的正常运行造成一定的影响，进而影响到发动机冷却系统的经济性、动力性和可靠性。散热器模型选用软件中Cooling System库中带有风扇的CSRA20元件，补偿水桶选用Thermal Hydraulic库中的TFAC000元件，补偿水桶与散热器之间连接热压阻力元件，其选用的是Thermal Hydraulic Resistance库中的TF0RF0元件，其散热器模型的基本参数如表2所示。

表2 散热器主要参数Tab.2 Main parameters of radiator

计算散热器的最大散热量时，应在发动机散热量Q1的基础上乘以1.1～1.25的系数[5]，才能保证整个冷却系统设计能够在最恶劣的环境下正常运行，散热器的冷却液的循环量Vw根据式（3）求得

式中：ρw——冷却水的密度，kg/m3；Cp,w——冷却水的定压比热容，kJ/(kg·℃)，本文取4.18；Δtw——发动机冷却水在冷却循环过程中的温升，根据强制循环冷却系统，可取6～12 ℃[14]。

同理，在强制循环冷却系统中，冷却空气量Va可根据热平衡方程来求得，其计算公式：

式中：ρa——空气的密度，kg/m3；Cp,a——空气的定压比热容，kJ/(kg·℃)；Δta——空气在冷却循环过程中的温升。

2.4 节温器子模型

节温器子模型采用仿真软件中Cooling System库中CSTH1元件，其采用两通非迟滞性的蜡式节温器。节温器在给定的初始温度Tin为85 ℃下开始打开，在给定的最终温度Tfi为95 ℃下完全打开，即当发动机出口冷却液的温度低于85 ℃时，节温器没有打开，只进行一个小循环，当发动机出口冷却液的温度高于95 ℃时，节温器完全打开，此时，只进行大循环，小循环关闭。假设节温器入口处阀开的面积与节温器石蜡的温度呈线性关系，其关系式：

式中：f——节温器入口处当前阀开面积与最大的阀开面积之比；T——节温器入口处的石蜡的温度，℃；Tin——节温器刚开启时所对应的石蜡的温度，℃；Tfi——节温器完全开启时所对应的石蜡的温度，℃。

2.5 水泵及风扇子模型

水泵子模型采用仿真软件中Cooling System库中CSCP100离心式水泵元件，水泵的传动比为1.33。风扇的启停通过温度传感器采集散热器出口冷却液的温度来控制，设风扇的开启温度为92 ℃，风扇的关闭温度为82 ℃。

3 仿真计算结果与分析

3.1 仿真工况的设定

为了全面了解发动机冷却系统的冷却效果，尤其要满足在最恶劣的运行条件下工作时，发动机出口冷却液的温度要维持合适的温度范围之内。本文主要设计了4种运行工况，其中工况1为一般工况，工况2为最大扭矩工况，工况3为高温长时间爬坡工况，工况4为最大功率工况，各个仿真工况的参数设定如表3所示。本次仿真时间为600 s，积分器类型选用标准积分器，通信间隔设为0.1 s。

表3 仿真工况参数Tab.3 Simulation condition parameters

3.2 仿真结果分析与讨论

仿真结果以输出的发动机进出口冷却液温度和散热器进出口的温度来作为评价发动机冷却系统性能优劣的依据，其仿真结果如图3—图6所示。

一方面，由图3—图6可以看出，随着运行时间的变化，发动机出口冷却液温度最终会趋于一个稳定值，符合冷却系统工作应有的特性，说明该冷却系统能够在这4种工况下正常运行，同时，也验证了该模型的准确性。图3、图4、图6中3种工况下，发动机出口冷却液的温度都维持在发动机较佳工作温度范围内，而图5中，发动机出口冷却液温度最终趋于107 ℃，发动机会出现“开锅”现象，不能够满足发动机冷却系统的要求，故需要对发动机冷却系统中的部件参数进行相应的调整。

图4 工况2下冷却液温度变化情况Fig.4 Change of coolant temperature under condition 2

图5 工况3下冷却液温度变化情况Fig.5 Change of coolant temperature under condition 3

图6 工况4下冷却液温度变化情况Fig.6 Change of coolant temperature under condition 4

另一方面，由于4个图的曲线趋势基本一致，本文中以图3中一般运行工况为例进行分析。从图3中可以看出，在汽车刚刚起步时，随着时间的变化，发动机出口冷却液的温度不断上升，而散热器出口温度维持在一个定值，此时，节温器处于关闭状态，只进行小循环，散热器没有起到作用；大约在67 s时，发动机出口冷却液温度达到一个最大值，此时，节温器开启，散热器开始起作用，在泵的作用下，原来储存在散热器中的冷却液进入发动机，这样就会使得发动机出口冷却液温度下降，经过多个循环波动之后，最终会趋于一个稳定值。产生这种循环上下波动的原因可能是：节温器中石蜡芯体与冷却液之间的换热系数低，热交换量就少，石蜡芯体温度上升的速度要小于冷却液温度上升的速度，故会出现上下波动的现象。其在4种工况下到达稳定后的温度对比情况如表4所示。

表4 在4种工况下稳定后的温度的对比Tab.4 Comparison of temperature after stabilization under four working conditions

图3 工况1下冷却液温度变化情况Fig.3 Change of coolant temperature under condition 1

由表4可知，当汽车在工况3下行驶时，发动机出口冷却液的温度是最高的，这是由于发动机转速高，产生的热量也多，而此时车速较低，进风量较少，导致散热器与空气的热交换量较少；再加上室外环境温度较高，与空气的热交换量变得更少，发动机产生的热量不能够被及时冷却，使得热量堆积在发动机表面，无法散发出去，故发动机出口冷却液的温度是最高的。与工况2相比，工况3中的发动机出口冷却液温度要高11 ℃，说明环境温度变化对发动机出口冷却液温度的影响挺大。而在工况4中，虽然发动机的转数最大，产生的热量最多，但其车速也最大，散热器的进风量较大，散热器中与空气的热交换量变大，其值要大于由于转数高所产生的热量，故使得发动机能够维持在合理的温度范围内。

为了改善工况3出现的这种现象，合理增大散热器的有效正面积，尤其增大散热器芯体的宽度，可以提高发动机冷却效果[10-15]。针对发动机“开锅”现象，提出了提高冷却系统冷却效果的方案，即增大散热器散热芯体的宽度，使其比原有尺寸大，增大至561 mm，增加了14 mm，同时，降低节温器的开启温度为82 ℃，全开时温度设为93 ℃，使其能够满足发动机冷却系统的冷却效果的要求。优化参数后的发动机冷却系统的仿真结果如图7所示。

图7 优化参数后工况3下冷却液温度变化情况Fig.7 Change of coolant temperature under condition 3 after optimization of parameters

由图7可知，经过优化参数之后，运行时间为250 s左右，发动机进出口冷却液及散热器出口冷却液温度就开始趋于稳定值，在高温长时间爬坡工况下，其发动机出口冷却液的温度最终稳定在103 ℃左右，满足该型号汽车的发动机出口冷却液温度低于105 ℃的要求。参数重新设置后，在其他3种运行工况下也能保持发动机冷却系统具有较好的冷却效果。该建模基本符合实际情况，可为后续的优化设计研究提供参考。

4 结束语

本文以AMESim一维仿真软件为平台搭建了发动机冷却系统仿真模型，模拟了4种工况下的发动机进出口冷却液温度和散热器出口冷却液温度随时间的变化情况。结果表明：在高温长时间爬坡工况下，发动机会出现“开锅”现象，在其他3种工况能够维持在较佳的工作温度。通过改变散热器的结构、调整节温器的参数加以解决，优化后的方案能够维持在较佳的工作温度范围内，为后续发动机冷却系统的优化设计研究提供理论依据。