某重型车发动机冷却系统的冷却性能的优化设计(

某重型车发动机冷却系统的冷却性能的优化
设计*
李文尚，龙芋宏，刘均亮，蔡杰
（桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林 541004）
摘要：以某重型车发动机的冷却系统为研究对象，根据供应商提供的热交换器的风洞实验数据，运用KULI软件对该重型车发动机冷却系统模型进行优化设计。

重点研究在散热器与中冷器不完全覆盖的情况下，探讨中冷器的安装位置对整体散热性能的影响。

结论是对于中冷器与散热器的迎风面积不是全覆盖的情况，中冷器芯子与散热器芯子的安装高度应尽量一致，有助于提供散热器的冷却效果。

该方法可为重型车发动机冷却系统设计前期提供参考。

关键词：重型车；冷却系统；KULI；优化配置
中国法分类号U463 文献标志码A
1 引言
随着重型车载重量的不断提高，使得发动机转速和功率也相应地提高。

而作为车辆的重要组成部分冷却系统是保障发动机正常稳定运转的重要辅助系统之一。

有数据显示，燃油燃烧后产生的热量分配大约为：30%用于推动活塞做功，30%通过排气散发掉，而30%的热量需要通过冷却系统散发掉。

这就对发动机的冷却系统提出了更高的要求，要求冷却系统能够具有更好的散热效果，使发动机在高功率下能够正常的运转[1-2]。

而与此同时，现在很多汽车厂商在汽车设计过程中，为了保证驾驶室有足够的空间而缩小了发动机舱的空间。

因此，在有限的发动机舱空间里，散热条件恶劣的情况下，设计出既能保证有足够散热能力和强度又能提高效率降低能耗已成为冷却系统未来发展的必然趋势[3-5]。

发动机冷却系统的开发和实验通常需要在风洞中做大量试验，其理论设计涉及传热学和流体力学等学科，计算量大，这无疑加大了发动机冷却系统的设计周期和昂贵的试验费。

KULI软件是由斯太尔工程技术中心研发的汽车热管理的设计和仿真的一维软件[6]。

它系统地考虑零部件与零部件，零部件与系统间的性能配置。

运用KULI汽车热管理一维软件可以方便快速地设计出某个发动机冷却系统模型，缩短设计周期降低开发成本。

本文利用该软件对某重型车冷却系统进行优化并与实验数据对比，从而得到该冷却系统配置的优化方案。

2 冷却系统模型的建立
本文是以某重载车发动机冷却系统为研究对象，该冷却系统主要采用闭式强制水冷循环的方式，主要由冷却水套、水泵、风扇、散热器、进气中冷器、节温器、机油冷却器以及循环管路等组成。

Q
2.1冷却系统的散热量
w
该重载车使用的发动机主要技术参数如表1所示：
表1 发动机主要技术参数
Table 1: the main technical parameters of engine
*本文受桂林市科学研究与技术开发研究项目（编号：20120102-1）、柳州市科学研究与技术开发研究项目（编号：2013H020401）和广西制造系统与先进制造技术重点实验室主任课题（编号：桂科能11-031-12_009）资助。

作者简介：李文尚（1988-），男，江苏省盐城市人，硕士研究生，研究方向为汽车动力学。

Email：281206398@
导师介绍：龙芋宏（1974-），女，湖南省岳阳市人，教授，研究方向为机械动力学。

通讯地址：桂林电子科技大学机电工程学院，541004。

发动机参数 参数值 进气形式 增压中冷
汽缸数 6 缸径×行程（mm ）
120×130 排量（L ）
8.8
额定转速（1
min
-⋅r ）
2100 额定功率（KW ）
275 最大扭矩（
m N ⋅）
1550 最大扭矩转速（1
min -⋅r ）
1300
冷却系统散出的热量w Q ，受许多复杂因素的影响，很难精确计算，一般采用经验公式估算[7]：
3600
n
e e w h N kg Q =
（1）
式中： w Q 为冷却系统散走的热量，单位：1
-⋅s KJ ；k 为发动机传给冷却系的热量占燃料总热量的百分数；e g 为发动机燃料消耗率，单位：()1
-⋅⋅h kw kg ；e N 为发动机标定功率，单位：kw ；n h 为燃
料低热值，单位：1-⋅kg KJ 。

上式中：k 取0.2；e g 取0.32；n h 取41870。

求出冷却系统散出的热量w Q 为2051
-⋅s KJ 。

2.2 冷却水的循环量
w V
w
w w w
w c r t Q V ∆=
（2）
式中：w t ∆ 为冷却水在发动机内循环是的容许温升，对现代强制循环冷却系，可取w t ∆=6~12℃；w r 为水的比重，取10003m kg ；w c 为水的比热，取4.187℃⋅kg KJ 。

求得冷却水的循环量为380min L 。

2.3 冷却系统模型建立
根据该重型车发动机舱结构形式，在KULI 中建立进口压降（KULI 软件中为CP 阀）、格栅阻力、中冷器、散热器、机械风扇、内部压降（KULI 软件中为内部阻力）以及出口压降的仿真模型。

其中中冷器、散热器以及风扇的性能特性由供应商提供。

散热量与循环水量由上面计算得出。

建立的冷却系统模型如图1和图2所示。

图1 内循环回路图2 外循环回路
Figure 1: the internal loop Figure 2: the external loop
3 模拟计算参数
3.1 模拟计算参数设定
根据台架模拟运行实验数据和零部件模型参数设置，确定数字模型模拟计算参数，主要包括发动机转速、有效压力均值、模拟行驶车速、空气湿度和压力等。

对发动机最大转速、最大扭矩等三种工况进行分析研究。

如表2所示：
表2 模拟计算参数设定
Table 2: the setting of simulating parameters
工况工况1 工况2 工况3
发动机转速[rpm] 1300 1500 2100
有效压力均值[kPa] 145 168 158
模拟车速[km/h] 15 15 15
大气压力[hPa] 1013 1013 1013
环境温度[℃] 35 35 35
空气湿度[%] 45 45 45
风扇转速[rpm] 1300 1500 2100
空调状态关闭关闭关闭
散热器内部流量率[l/min] 208 240 380
散热器内部压力[bar] 2 2 2
散热器内部热流量[kW] 77 91.5 135
中冷却内部流量率[kg/s] 0.2 0.25 0.4
中冷却内部压力[bar] 2.42 2.5 2.75
中冷却内部媒介温度[℃] 144 145.9 165
3.2 模拟计算结果
通过KULI的仿真分析，得到以下主要结果数据，包括散热器的进、出水温度及进出水温差、散热器的进、出水压力及进出水压差、中冷器的进、出气温度及进出气温差、中冷器的进、出气压力及进出气压差。

如表3所示：
表3 模拟计算结果
Table 3: simulating results
工况工况1 工况2 工况3
发动机转速[rpm] 1300 1500 2100
散热器进水温度[℃] 88.45 97.83 93.96
散热器出水温度[℃] 85.19 91.93 87.46
散热器进出水温差[K] 3.26 5.90 6.5
散热器进水压力[bar] 2 2 2
散热器出水压差[bar] 1.82 1.69 1.49
散热器进出水压力差[bar] 0.18 0.31 0.51
中冷器进气温度[℃] 144.53 145.90 165.00
中冷器出气温度[℃] 46.63 48.09 54.53
中冷器进出气温差[K] 97.90 97.81 106.47
中冷器进气压力[bar] 2.42 2.50 2.75
中冷器出气压力[bar] 2.39 2.47 2.68
中冷器进出气压力差[bar] 0.03 0.03 0.07 从表3中可以看出，在最大扭矩工况(工况2)和额定转速工况（工况3）下，散热器出水温度都保持在85℃～95℃以内，在发动机允许的温度范围内；中冷器出气温度（即发动机进气温度）保持在50℃左右，在发动机最佳进气范围内。

因此可以认为，在发动机冷却系统设计前期，运用KULI软件和供应商提供的性能参数可以初步确定发动机冷却系统的各参数。

为发动机冷却系统的设计和匹配提供参考依据。

4 冷却系统优化配置
通过以上方法可指导发动机冷却系统设计者正确进行散热器、中冷器以及风扇的选型和计算。

但是考虑到发动机功率的提高及发动机舱空间的缩小，有必要对冷却系统整体布局进行优化使其具有更好的散热能力。

针对该重型车发动机冷却系统中散热器与中冷器的迎风面积不同，两者不能完全重叠。

根据流体力学理论，冷却空气在散热器和中冷器组件中流动时，在中冷器进口截面和散热器出口截面之间的各个部分压力降都是相同的，所以冷却空气流过重叠部分和非重叠部分的流速是不同的，流过重叠部分因阻力大其流速较小，而流过非重叠部分因阻力小其流速较高。

所以散热器上水室冷却水温受到中冷器安装位置的影响[8]，本文分别用KULI软件仿真和理论计算的方法对中冷器位于散热器上部、中部、下部这三种情况展开研究。

三种位置关系如图3所示：
图3 中冷器的布置
Figure 3: the layout of intercooler
4.1 模型仿真
根据上面设计出的发动机冷却系统，在KULI中建立该发动机冷却系统中冷器的三种不同布置的模型，保持其他参数不变，只改变中冷器的位置参数。

其位置参数如表4：
表4：各部件位置参数
Table 4: the location parameters of parts
参数中冷器下置中冷器中置中冷器上置坐标 [mm] （x，y，z）（x，y，z）（x，y，z）
中冷器 [CAC] (0,37,0) (0,37,175) (0,37,350)
进口压降 [CP1] （-200,300,450）
格栅阻力1 [Ares1] (-50,12,0)
格栅阻力2 [Ares2] （-50,12,400）
散热器 [RAD] （100,0,0）
风扇 [Fan] （300,325,450）
内部阻力 [BiR] （500,300,450）
出口压降 [CP2] （600,300,450）
为了能够分析中冷器三种不同位置时散热器表面散热量的分布，将散热器分成若干个50×50的小模块，这样在后处理KULI lab中可以直观的反映出散热器表面温度的分布情况。

4.2仿真结果
本论文以额定功率为研究工况，通过KULI的仿真分析，得到散热器进、出水温度及中冷器进、出气温度等主要结果数据。

如表5所示：
表5：模拟计算结果
Table 5: simulation results
参数
中冷器下置 中冷器中置 中冷器上置
发动机额定转速[rpm] 2100
散热器进水温度[℃] 93.9622 93.1973 92.4276 散热器出水温度[℃] 87.4633 86.4979 85.5270 散热器进出水温差[℃] 6.4989 6.6994 6.9006 中冷器进气温度[℃] 165 165 165 中冷器出气温度[℃] 58.5268 58.5541 58.5817 中冷器进出气温差[℃]
106.4731
106.4459
106.4183
由仿真计算结果可以看出，当散热器内部冷却水自上往下，中冷器内部冷却水自左往右流动时，中冷器的三种布置方式对散热器的散热效果具有一定的影响。

中冷器上置时散热效果要优于中冷器中置和下置。

将仿真结果导入KULI lab 软件中，可以看出不同布置对散热器表面散热能力均匀性有一定的影响。

分析结果如图4所示：
(a) (b) (c)
图4 中冷器不同布置时散热器温度分布(a)中冷器下置; (b) 中冷器中置; (c) 中冷器上置
Figure 4: the temperature distribution of radiator for intercooler in different location
对比图4三种不同布置散热器温度分布图可以直观的看出，图(a)中散热器自上而下温度分布差值较大，图(c)的温度分布差值较小，而图（b ）的温度分布介于这两者之间。

由此说明在这三种不同布置中，当中冷器上置时散热器的散热更均匀，温度过渡平顺，散热效果要更好。

4.3 理论分析
根据车辆冷却传热理论，散热器散走的热量可通过下面两个表达式来计算。

如式（3）、式（4）所示：
()2t t F q Q wm s w -⋅⋅= （3）
)(wd wu pw w w t t C G Q -⋅⋅= （4）
式中：w Q 为冷却系统散走的热量；F 为散热器的迎风面积；wm t 为散热器的平均温度；2t 为中冷器出口处冷却空气温度；w G 为水泵的流量；pw C 为冷却水的等压比热；s q 为比冷却能力，其物理意义是冷却器（散热器或中冷器）单位迎风面积、单位温差（冷却器平均温度与冷却空气温度之差）所散走的热量。

2)(wd wu wm t t t += （5）
结合图3所示三种中冷器的布置结构，将中冷器下置、中置和上置时的散热器分为重叠部分和非重叠部分来讨论，并分别将各参数带入式（3）（4）（5）组成方程组如下：
中冷器下置时方程组为：
⎪⎭
⎫
⎝⎛-+⋅⋅=11112t t t F q Q w wu a s w （6）
⎪⎭
⎫
⎝⎛-+⋅⋅=21222t t t F q Q wd w b s w （7）
)(11w wu pw w w t t C G Q -⋅⋅= （8） )(12wd w pw w w t t C G Q -⋅⋅= （9） w Q =1w Q +2w Q （10）
式中：a F 为散热器与中冷器非重叠部分面积；b F 为散热器与中冷器重叠部分面积； 同理，可以得出中冷器上置时方程组为：
⎪⎭⎫
⎝⎛-+⋅⋅=11112t t t F q Q wd w a s w （11）
⎪⎭
⎫
⎝⎛-+⋅⋅=21222t t t F q Q w wu b s w （12）
)(11wd w pw w w t t C G Q -⋅⋅= （13） )(12w wu pw w w t t C G Q -⋅⋅= （14） w Q =1w Q +2w Q （15）
联合上面各式可以解得散热器上水室冷却水温wu t 的计算式。

如下：
中冷器下置时，散热器上水室的温度d
wu t 计算式为：
()D
C B A D
t F q A t F q D C B A C G B A Q t a s b s pw w w d wu ⋅-⋅⋅⋅⋅+⋅⋅⋅+⋅-⋅⋅⋅⋅=
112222 （16）
中冷器上置时，散热器上水室的温度u wu t 计算式为：
()D
C B A C
t F q B t F q D C B A C G B A Q t b s a s pw w w u wu ⋅-⋅⋅⋅⋅+⋅⋅⋅+⋅-⋅⋅⋅⋅=
221122 （17）
其中：a s pw w F q C G A 12+= （18）
b s pw w F q C G B 22+= （19） a s pw w F q C G C 12-= （20）
b s pw w F q C G D 22-= （21）
则：()211221t t F q C G F q C G F F q q t t a
s pw w b s pw w b
a s s d
wu u
wu -+=
- （22）
其中：t 12∇=-t t ，t ∇为中冷器进出口冷却空气的温升。

由上式结果可知，当中冷器上置时，散热器的散热性能更好。

这与在KULI 中仿真结果一致。

所以对于中冷器和散热器不完全覆盖的情况时，可以把中冷器安装成与散热器等高，这样既可以提高散热器的冷却效率，也能使散热器内部的散热分布更均匀，延长散热器的使用寿命。

理论分析进一步验证了仿真结果。

5 结论
本文以某重型车发动机的冷却系统为研究对象，运用KULI 软件对该重型车发动机冷却系统模型进行优化设计。

重点研究在散热器与中冷器不完全覆盖的情况下，探讨中冷器的安装位置对整体散热性能的影响。

理论和仿真结果表明：对于中冷器与散热器的迎风面积不是全覆盖的情况，为了使冷却水得到有效的冷却，中冷器芯子安装高度应尽量与散热器芯子的高度一致，有助于提供散热器的冷却效果。

运用KULI 汽车热管理一维软件可以方便快速的设计出某个发动机冷却系统模型，缩短设计周期降低开发成本，可为重型车发动机冷却系统设计前期提供参考。

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Optimal design of the cooling performance on a cooling system of heavy
vehicle engine
Li wen-shang, long yu-hong, liu jun-liang, cai jie
(Guilin University of Electronic Technology, mechanical and electrical engineering institute, Guilin Guangxi 541004)
Abstract：An engine cooling system of heavy vehicle was used as the research object in this thesis. engine system model was optimization designed with KULI software according to wind tunnel testing data of heat exchanger provided by supplier. Further considering imperfect coverage for the frontal areas of radiator and intercooler, the affects of overall heat performance by intercooler installation location was mainly discussed. The result is that it can improve radiator cooling effect when the height of intercooler core is highly consistent with the height of radiator core. This method can provide a reference for the design of engine cooling system on heavy vehicle.
Keywords: heavy vehicle；cooling system；KULI；optimization。