|
論文：現(xiàn)代車用發(fā)動機冷卻系統(tǒng)研究進展
張振 2010/4/10
（接上頁）行耦合迭代計算,得到空氣側(cè)整體的三維流場速度分布和散熱器表面局部流場的速度分布情況。同時還進行了空氣側(cè)臺架試驗和整車空氣側(cè)的風(fēng)洞試驗,在散熱器兩側(cè)的表面嵌入均勻分布的壓力傳感器,對散熱器表面局部壓損進行測量,然后利用散熱器本身的性能曲線換算得到其表面局部實際的速度分布情況。在較寬廣的工況范圍內(nèi),通過對比和整車風(fēng)洞試驗修正,模擬結(jié)果和試驗結(jié)果吻合較好。研究發(fā)現(xiàn),臺架試驗和風(fēng)洞試驗得到的結(jié)果基本相似,空氣側(cè)部件的幾何特性以及各部件之間的空間布置對空氣流速分布的影響十分顯著。這種研究手段可以得到較精確的空氣流動分布情況,但是沒有對局部空間熱流分布和表面溫度分布情況進行研究。
由于空氣側(cè)部件空間安裝分布對空氣流動和溫度分布影響顯著,故關(guān)于空氣側(cè)部件空間布置的研究也較多,風(fēng)扇是研究的焦點。針對傳統(tǒng)的中冷器—散熱器—風(fēng)扇布置順序的冷卻模塊(CRFM),Delphi汽車公司提出了新的中冷器—風(fēng)扇—散熱器布置順序的冷卻模塊(CFRM)概念,即將風(fēng)扇置于中冷器和散熱器之間。在相同的運行條件下,CFRM能顯著改善空氣側(cè)的溫度分布,CFRM的空氣流量較CRFM高16%。這是因為風(fēng)扇置于散熱器前,較低的進風(fēng)溫度保證了較高的空氣密度,通過散熱器的空氣流量增大。當然,CFRM中風(fēng)扇的耗功相應(yīng)的也比CRFM稍大。但是,進一步的研究發(fā)現(xiàn),在保證風(fēng)扇提供相同的質(zhì)量流量的前提下,CFRM所需的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速要遠遠低于CRFM,風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降低使得CFRM可以節(jié)約19%的風(fēng)扇耗功,優(yōu)勢十分明顯。
NgySrunAP等人甚至提出取消冷卻風(fēng)扇,在車廂加熱器處加裝風(fēng)機的方案。通過對比研究發(fā)現(xiàn),該方案在高車速時效果較好,因為高車速時風(fēng)扇的存在對散熱器的冷卻風(fēng)量有干擾;在中低速行駛和全負荷運行時,冷卻效果不佳,但是可以通過車廂加熱器和風(fēng)機將散熱器多余的熱量帶走,冷卻性能與傳統(tǒng)帶風(fēng)扇的冷卻系統(tǒng)大致相同。車廂加熱裝置還安裝了特殊設(shè)計的風(fēng)門,實現(xiàn)冬季車廂取暖、夏季車廂換氣以及前述附加散熱的功能。該方案能降低成本達30%,質(zhì)量減輕達30%,對不帶空調(diào)的車輛,尤其是對以降低成本為目標的小型車輛意義重大。
2.3發(fā)動機熱管理技術(shù)研究
對于單獨的冷卻系統(tǒng)主要研究的是發(fā)動機冷卻部件的散熱情況,而發(fā)動機熱管理則涉及發(fā)動機全系統(tǒng)及整車。將冷卻系統(tǒng)研究整合到發(fā)動機熱管理中,能充分考慮冷卻系統(tǒng)對整車性能的影響,將冷卻系統(tǒng)的效率提高至最理想值,最大限度地發(fā)揮冷卻系統(tǒng)的功用。
發(fā)動機熱管理技術(shù)被列為美國21世紀商用車計劃的關(guān)鍵技術(shù)之一,對提高整車性能潛力巨大。發(fā)動機熱管理系統(tǒng)的目標是提高燃料經(jīng)濟性,降低排放,增加功率輸出和車輛載重能力,降低氣動阻力損失和車輛維護費用,提高可靠性以及車輛對環(huán)境的適應(yīng)能力。主要從以下方面實現(xiàn):采用計算機芯片控制發(fā)動機溫度,應(yīng)用強迫對流和核態(tài)沸騰傳熱相結(jié)合的冷卻機制,使用先進有效的傳熱介質(zhì),增加換熱量,采用更加輕巧的高導(dǎo)熱率材料制造的換熱器,對發(fā)動機機艙底部空氣流動進行管理,進行余熱儲存,優(yōu)化散熱器及風(fēng)扇的設(shè)計和布置,廢熱循環(huán)及再利用等。
計算模擬研究由于在時效性和成本上優(yōu)勢明顯,已成為發(fā)動機熱管理研究的主要手段。ChadLehner等人利用VECSS程序開發(fā)出了一套用于重載柴油機的熱管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一臺計算機控制的可變速冷卻水泵、一個位置可控制的自動調(diào)溫器以及基于該模型的控制策略組成,利用可控制流動系數(shù)的反饋控制的散熱器能實現(xiàn)對發(fā)動機局部固態(tài)溫度和冷卻液溫度的優(yōu)化控制。在較寬廣的車輛運行工況范圍內(nèi),該系統(tǒng)能使重載柴油機獲得令人滿意的和恒定的發(fā)動機溫度,此外,通過系統(tǒng)模擬和試驗證實,該系統(tǒng)能有效降低水泵和風(fēng)扇的功率消耗。
AlanBerry和JoeSteiber等人利用車輛性能分析軟件RAPTOR和商業(yè)軟件FLOWMASTER2進行聯(lián)合模擬,由RAPTOR計算出排熱,并傳輸給FLOWMASTER2中的發(fā)動機冷卻系統(tǒng),計算出冷卻液的循環(huán)溫度并再次反饋給RAPTRO模型,從而精確地實現(xiàn)性能和燃料經(jīng)濟性的預(yù)測。近年來在發(fā)動機熱管理方面的仿真研究較多,大部分是利用多個軟件進行一維和三維耦合模擬計算分析。在三維模擬研究方面,用三維CFD計算冷卻水套的對流換熱系數(shù)及缸內(nèi)近壁面平均氣體溫度和氣體的對流換熱系數(shù),用ABAQUS/MSC,NAS2TRAN,Patran組成的有限元分析模塊計算發(fā)動機固體結(jié)構(gòu)中的溫度分布,氣—固—液互為邊界條件,計算數(shù)據(jù)自動在這些軟件之間進行互傳直至計算達到收斂值。三維模擬既可以研究發(fā)動機動力部分的熱變化情況,同時還可以對機艙底流及乘客舒適性進行精確模擬,能夠得到整個車輛的局部溫度及速度的詳細信息。
實際模擬研究表明,通過耦合計算,可以得到一些關(guān)鍵區(qū)域的變化情況,從而提高了邊（未完，下一頁）
|