整车热管理系统

** 冷却空气流动模型
** 冷却空气侧计算网络
** 一款柴油机轿车空气侧模型
** Audi A8 V8 TDI空气侧冷却系统示意图
** 空气侧和传热模型
（2）数据测量（试验台）
** 结构阻力曲线测量试验台
** 结构阻力特征线测量数据模式
** 面积阻力的阻力特性曲线
** BorgWarner 冷却系统公司LKW试验台
3. 发动机热流
** 发动机散热分析
** 发动机冷却介质循环
** 所应用的发动机热模型示意图
** 用冷却水冷却增压空气的NT冷却系统
1）稳态 （1） 模型
** 早期用Flowmaster 软件的模拟模型
** 稳态工况商用车冷却系统模拟计算模型
** 冷却介质内循环模型
** 稳态模拟计算时的液态循环
** 耦合器的结合和脱离转速
** 粘性耦合器的结合特性
** 粘性耦合器和风扇扭矩特性场
** 压力与空气流关系
** 风扇功率与流率的关系
图4 风扇与流率的关系
** 无量纲的风扇性能
** 不同风扇的风扇功率和散热器性能
** 发电机效率特性场（高级车专用）
** 发电机集成到模拟计算模型中
同济大学
Flowmaster： 特点： -- 通用性强，尤其是在管路计算方面 -- 对于整车、发动机、零部件整合不理想 -- 汽车、内燃机专业人员支持力量不够
** Kuli软件的功能群
** Kuli软件功能和参数（发动机舱）
** 软件的应用实例
** 整车热管理所涉及的专业和部门
** 空调系统模型
2. 冷却零部件
1）散热器（水箱） 热功率特性曲线
（Nesselt数与Reynold数和Prandt数之间的关系）
** 散热器工作点与车辆运行工况点的对应关系
（由此可以进行散热器工况点优化）
2）风扇特性曲线
** 测量的和无量纲化阻力特性曲线
** 冷却水泵和风扇在全耦合时对油耗的影响
** 不同的冷却系统方案优化
** 参数变化优化
使用不同的参数会导致不同的结果，KULI最大的优势 是能够轻易地改变一些实际测试中不易改变的条件，从而 进行多样性的试验，而无须更大成本的投入，而能进行优 化设计。
尤其是能发现热系统中最薄弱的环节，并且能实现系 统的最优化。
• 基于模拟条件的变化
环境温度
** 流体循环
** 模型和数据输入格式
** 发动机传热特性场，按照汽车特性场来确定
（2）稳态试验
2） 动态模型 （1）质量模型
** 按照最高车速（250km/h）设计冷却系统时，在低速 全负荷加速时出现短暂的冷却能力不足
状态：通过无级变速箱使得发动机在优化的功率范围内加速
** 2-质量发动机模型
车辆行驶速度 km/h 发动机转速 r/min 冷却功率 kW 冷却介质流量 kg/h LL-流量 kg/h 介质温度 ℃ ATF流量 l/min ATF热流 kW
爬坡+挂车 最高车速
30
30 3000（***） 50（**） 70 360 150 10 10（***）
50 180（*） 4200 80 120 700 180 14 8（****）
** SUV基本模型的热交换器布置
** 方案优化
** 方案优化
** 优化计算（乘员室热特性，电加热，从室外-20℃开始）
** 优化设计 （热气循环和热泵驱动热特性，从室外-20℃开始）
** 10min和20min后乘员室的平均温度
** 不同车辆的油耗
** 不同装置的附加油耗
5. 与其它软件和CFD的耦合
120
Tu+25=75 3300
** PKW试验边界条件
模拟参数
爬坡+挂车 部分负荷 最高车速
环境温度 ℃
车辆行驶速度 km/h 发动机转速 r/min
冷却水循环 增压空气循环
冷却功率 kW 冷却介质流量 LL-流量 kg/h 介质温度 ℃
ATF-润滑油循环 ATF流量 l/min
ATF热流 kW
• 基于工况点的变化
散热量 [kw] 110 120 130
发动机热量 注释 低散热量 原散热量 高散热量
发动机出水温度 [℃] 74.53 78.24 82.22
内部流量 [l/min] 180 200 220
2D Flow char. curve
注释
发动机出水温度 [℃]
小水泵
79.56
பைடு நூலகம்
原水泵
30 30 2500 35 50 250 130 7 4
50 180 3300 60 80 400 150 10 4
50 230 4200 80 120 700 180 14 7
** PKW基本模型的热交换器布置
** SUV试验边界条件
模拟参数
冷却水循环 增压空气循环 ATF-润滑油循环
环境温度 ℃
1. BiR 注释 [pa] at 1m3/s △p=30 △p=40 △p=50 △p=60 △p=70
发动机出水温度 [℃] 76.22 78.24 80.32 82.12 83.84
1.RAD
高度 [mm] 700 800
注释 减小高度 原高度
• 基于元件参数的变化（风扇）
1.MFan 风扇
** 带前、后Modul的冷却介质循环
** PTC运行特征和模拟计算模型
** 热气运行模拟计算模型（HGC）
** 热泵循环模拟计算模型
3）带空调的空气侧模型
在PKW中，空调对舒适性有很大影响，
** 空调循环示意图
** 空调循环过程
** 空调和车辆冷却模型
** 冷却系统和空调的模拟计算模型
整车热管理系统
** 整车热管理
• 车辆热管理系统(VTMS, Vehicle Thermal Management System) -- 整车的流场研究。主要研究发动机舱的冷却系统和驾 驶室（车厢）的人员环境的舒适性。
• 发动机热管理系统（ETMS, Engine Thermal Management System) 主要是以冷却介质流动为基础，研究在提高发动机 的冷却能力的同时，保持发动机良好的动力性、经济性、 排放性能和可靠性。 同时还涉及到发动机冷却系统零部件的设计。
** 0D-，1D和3D模拟工具
** 与3D CFD数据的连接
** 1D和3D计算过程的耦合
** 风扇位置对冷却器中冷却水温度的影响
** 模拟软件耦合
研究具体内容：
（1）用Kuli软件建立车型和发动机的热管理计算模型 （2）与整车及零部件企业建立合作关系，收集相关零部
件的试验数据 （3）建立与热管理计算和设计相关的发动机试验系统、
78.24
大水泵
77.38
** 建立平台后，可以从一个车型—另一个车型： PKW--SUV
运行工况
爬坡+挂车 30km/h30℃ 部分负荷 180km/h 50℃ 最高车速 230km/h 50℃
冷却水最高 进气最高温 润滑油最高人
温度℃
度℃
口温度
120
Tu+25=55 50**
120
Tu+25=75 180
环境温度 [℃]
注释
20
较低环境温度
30
本次模拟
40
较高环境温度
发动机出水温度 [℃] 69.16 78.24 88.31
车速 [km/h] 10 30 50
行驶速度
注释 低速行驶 本次模拟 高速行驶
发动机出水温度 [℃] 78.51 78.24 77.73
• 基于元件参数的变化（阻力和散热器）
文件 ExTRUCK30.ew ExTRUCK40.ew ExTRUCK50.ew ExTRUCK60.ew ExTRUCK70.ew
** BorgWarner 冷却系统公司LKW试验台
2） 带乘员室环境舒适性的空气侧模型
** 带乘员室空气调节的空气流网络
** 总模型
** 应用于PKW的模拟计算模型
** 空气流通通道示意图
** 带通风的空气对流模拟计算模型
** 车身模型
** 带和不带车厢加热的冷却循环压力损失
** 带发动机的加热循环
谢 谢！
整车和零部件试验系统 —— 发动机试验台架的改建、制定试验大纲、处理和分
析试验结果 —— 整车空气流动特性测量 —— 零部件（冷却器和风扇）试验，通过与零部件企业
合作获得试验数据 （4）将试验结果与计算结果（主要是关键点的温度）进
行对比，以检验模型的准确性
（5）在与整车厂和零部件企业协调情况下，进行整车和 发动机热管理系统的优化设计，包括：
-—— 对原车型热管理系统进行性能评价
—— 发动机舱空间和零部件位置对发动机冷却的影响和 优化
—— 冷却器和风扇的特性和设计对发动机冷却的影响和 优化
—— 在发动机舱、冷却器和风扇确定的情况下，发动机 冷却系统的优化设计
—— 整车、发动机、冷却系零部件的集成优化匹配
（6）优化方案的验证
（7）建立整车和发动机热管理开发平台（模拟计算和试 验系统、开发流程）
** 风扇特性测量试验台
在PKW和LKW中，风扇的耗能是不一样的，PKW可以忽略，但是 在LKW中需要特别重视。
** 风扇试验台和数据处理
** 风扇运行工况点确定
** 考虑通过风扇功率变化适应发动机运行工况点变动的 模拟计算模型
** 粘性风扇
** 风扇接合控制策略
** 风扇接合控制策略
直径 [mm] 500
注释 减小直径
600
原直径
发动机出水温度[℃] 79.48 78.24
发动机出水温度 93.12 [℃] 78.24 [℃]
Fan 风扇 转速 在发动机2000r/min下的风扇 r/min 注释
2400 2500 2600
低传动比 原传动比 高传动比
发动机出水温度 [℃]
79.84 78.24 77.29
零部件厂
发动机厂
整车厂
整车热管理平台开发和研究
** 热管理—不同的冷却系统模型（参数和边界条件）
1. 整车设计
1） 冷却空气侧建模 （1）空气侧模型
** 乘用车冷却空气流动模型
** 冷却空气外流场参数定义和测量
** 双隔栅冷却空气外流场参数定义和测量
** 空气侧的流动模型（可能布置方式）
4） 动态模型验证
所有动态模拟计算都需要试验支持
** 基本标定的散热特性（测量和模拟计算）
** 在突然爬坡14.5%，车速66km/h时温度上升变化情况
** 验证—循环加速和刹车，120km/h 后等速行驶
** 在负荷跳跃式交变时的冷却水温度变化过程
4. 优化匹配计算分析
** 不同的冷却系统方案优化
** 4-质量模型
** 发动机模拟计算模型
** 发动机模拟计算模型
** 发动机5质量热流模型
** 瞬态模型
** 瞬态模拟模型（1.PM、2.PM（Punktmasse）为质量）
3） 动态试验
** 动态试验
** 汽车热管理瞬态模拟图
** 车辆瞬态模拟框图
** 行驶模拟
** 稳态工况和动态工况计算
** 与热管理相关的车辆子系统
** 汽车热管理开发过程
** 热管理模拟的各个部分
** 目前在用软件
Kuli： 特点： -- 整车和发动机开发中心开发的软件，实用 -- 整体考虑整车、发动机、冷却系统（散热器、热交换器、
风扇）零部件，可以在热管理平台上优化各系统和零部件 -- 技术支持：Magna中国技术中心