重卡冷却系统的仿真与试验研究

总结出基于KULI冷却系统的仿真方式，对其进行了仿真计算，并与试验数据进行对比分析，证明了仿真计算的可行性[1-2]。

1 发动机热管理仿真平台的建立

在整个冷却系统仿真中，分为三部分：前端部分是格栅，中间部分是冷却包（包括：冷凝器、中冷器、散热器等），后端部分是机械风扇。这些模型主要包括3类信息：（1）各个零部件的尺寸和位置;（2）流体模型，主要包含内部流体流动（冷却液）和外部流动流体（空气）的压力损失特性;（3）散热器等热交换器的放热特性[3]。本文研究的是某商用车采用潍柴WP13增压式500马力发动机，主要参数见表1，采用强制循环水冷式冷却系统，要求满足扭矩点许用环境温度为41℃，功率点许用环境温度为46℃[4]。冷却系统布置如图1。

2 热交换器模型

2.1 散热器模型的建立

2.1.1 散热器的物理参数

散热器尺寸：宽：789mm，高：1000mm，厚：52mm;散热器仿真位置坐标：x=0，=0，z=0;散热器内部流动方式：纵流式，-Z方向;散热器入口位置：左上方;芯体结构：采用管带式，散热管总数：84根，管道排数：1，管道截面积为93.6mm2，湿周为107.6mm。

2.1.2 散热器的内部流动特点

冷却液介质：50%乙二醇;流动特性：非复合形式;水箱压力比损失为30%。

使用KULI软件，对散热器内部流动特点进行数据分析，下面是散热器冷却液流动压力随着流量损失特性曲线，如图2所示。

2.1.3 散热器外部流动特性

散热器外部流体经进气格栅进入冷却包，下面是其特性参数：空气湿度：65%;参考温度：21℃;绝对压力：101.3kPa;

散热器外部流动阻力特性曲线如图3所示。

2.1.4 散热器放热特性

散热器放热特性曲线和散热器放热特性3D分布图，分别如图4和图5所示。

2.2 中冷器模型

2.2.1 中冷器物理参数

中冷器尺寸：宽：740mm，高：846mm，厚：50mm;中冷器仿真位置坐标：x=-100，y=30，z=0;

中冷器芯部流动方式：横流式，内部流动方向为+y方向;中冷器入口位置：右上方;

芯体结构：采用管带式，散热管总数：44根，管道排数：1，管道截面积为505mm2，湿周为120.2mm。

2.2.2 散热器的内部流动特性

中冷器入口的绝对压力为2700hPa，压力比损失为30%。

使用KULI软件，输入中冷器内部流动特性参数，下面是中冷器内部热侧流动压力随着流量损失特性曲线，如图6所示。

2.2.3 中冷器外部流動特性

中冷器外部流体经进气格栅进入冷却包，下面是其特性参数：空气湿度：65%;参考温度：21℃;绝对压力：101.3kPa;

中冷器外部流动阻力特性曲线如图7所示。

2.2.4 中冷器放热特性

中冷器放热特性曲线和放热特性3D分布图，分别如图8和图9所示。

2.3 冷凝器模型

冷凝器尺寸：宽：809mm，高：454mm，厚：30mm，冷凝器功率：12kw。

冷凝器仿真位置坐标：x=-150，y=0，z=200;

根据冷凝器性能试验数值，利用KULI软件，对冷凝器流动特性进行计算分析，下面是冷凝器压降随着流量损失特性曲线，如图10所示。

2.4 风扇模型

2.4.1 风扇物理参数

风扇外形参数：直径：750mm，厚度：130叶片宽度：144mm，叶片数：11;

风扇仿真位置坐标：x=100，y=390，z=500;

风扇与发动机转速传输比为1.2，风扇形式：机械直接式。

2.4.2 风扇特性

风扇冷空气入口温度：30℃;风扇冷空气入口压力：101.3kPa;空气湿度：48%。根据风扇风洞性能试验数值，利用KULI软件，对风扇内部流动特性进行计算分析，得到风扇转速-冷却流量-压力损失特性3D分布曲线，如图11所示。

3 定义流体回路

3.1 内部流动回路

首先建立冷却系统内部循环，其连接方式如图12所示。

3.2 外部流动回路

KULI中的外部流动是指经进气格栅进入冷却包的空气，如图12所示。本文将Bir定义为格栅、冷凝器、散热器等部件的阻抗设定。设置进口 Cp= 0.9，出口 Cp = 0。在KULI模型中，依照整车零件布置，建立Block（冷凝器、中冷器、和散热器），如图13所示。

4 仿真与试验验证

4.1 KULI仿真

定义车辆在不同工况下的模拟运行参数，模拟出不同工况下散热器的进水温度等仿真数据，研究发动机在最大转速、最大扭矩等具体工况冷去系统的参数，模拟工况具体如表2所示。

通过KULI分析计算，得到中冷器、散热器进出温度和进出压力及压差，如表3所示。

4.2 整车热平衡试验验证

对整车进行轮毂试验，与KULI计算仿真结果进行对比，试验环境温度31℃，空气湿度80%，大气压力103kPa，整车整备质量8860kg。同时为了与仿真结果数据保持一致性，在中冷器、散热器、进出口布置温度和压力传感器，每隔2min记录一次温度，将稳定后的温度作为试验结果，试验结果见表4。

4.3 仿真结果与试验对比分析

整车热平衡试验结果与系统仿真对比如下图14和表图15所示。

经过实车试验结果和仿真数据的对比，发现在设计工况条件下，散热器出水温度在功率点1900r/min，仿真值比试验值低了4.09℃，誤差率为5.1%，散热器出水温度在扭矩点1400r/min，仿真值比试验值高了2.32℃，误差率为2.8%，总体试验数据与仿真数据偏差上限控制在7%以内，整车极限使用环境温度均满足功率点大于46℃，扭矩点大于41℃。可以肯定的是KULI仿真得到的计算数据是可靠的。

5 结论

本文建立了重卡冷却系统仿真模型，包含了格栅、冷却包（冷凝器、中冷器、散热器）、风扇、内外部阻力的仿真模型，完成了重卡发动机冷却系统仿真，为发动机匹配散热能力相当的冷却包，提供了理论依据和计算方法。

重卡冷却系统仿真模型中，各部件的数据模型是建立在试验数据的基础上，KULI仿真计算结果的精确性，很大程度上取决于部件试验数据的准确性。

应用KULI仿真，对重卡发动机冷却系统进行计算分析，对于整车是否满足热平衡使用要求具有重大参考意义，同时又可以在项目开发上，有效的缩短开发周期和降低研发费用。

参考文献

[1] Mahmoud K G， Loibner E， Wiealer B. Simulation based vehicle ther -mal management systemconcept andmethodolo gy [C]. SAE Paper 2003010276.

[2] 王贤海，杜传进，王文端.汽车热管理研究现状及新进展[J].拖拉机与农用运输车，2005（5）：810俞小莉.发动机热平衡仿真研究现状与发展趋势[J].车用发动机，2005（5）：1-5.

[3] Magna Steyr Engineering Center. KULI8.0 Reference Help[G]，2010.

[4] 俞小莉.发动机热平衡仿真研究现状与发展趋势[J].车用发动机， 2005（5）：1-5.

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