发动机热管理系统试验和仿真研究

２．１ 冷却液循环直接加热质量［７＿８］ 冷却液循环直接加热质量由式（１）定义：
Ｑ。ｈ＝优如‰·警＝＂氐＋
６。·Ｑ一一Ｑ，＋Ｑ。一臼砌。一Ｑ一。 （１） 式中，Ｑ如为冷却液循环直接质量热量，优ａ；。为冷
却液循环直接质量，ｃ。为冷却液循环直接质量比 热容，ｄ丁ｗ为冷却液循环直接质量温度差，口。为燃 料热量流入冷却液循环的比例，Ｑ＆为燃料所产生 的热量，６，为摩擦热量流入冷却液循环的比例， Ｑ一为摩擦产生的热量，Ｑ。为流入冷却液的热量， Ｑ。，为从润滑油流入冷却液循环的热量，Ｑｔｒ－ａ，为流
由图８可见传递到冷却液的热量随着发动机转 速的变化而变化，在０ ｓ～１ １００ ｓ的时间范围内，冷 却液散热流量基本在１５ ｋＷ以下波动，在１ １００ ｓ
ｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｅａｔ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ｓｉｍｕｌａ— ｔｉｏｎ Ｔｏｏｌｓ［Ｃ］／／ＶＴＭｓ ４ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ １９９９．Ｌｏｎｄｏｎ ｌ
图２发动机冷却液带走的热量
１．２．２瞬态工况试验 为了在ＫＵＬＩ中建立发动机瞬态仿真模型，需
要测量发动机在阶跃工况下的热平衡数据，阶跃工 况如图３所示。
图４四质量发动机模型
Ｔ ．曼 昌
●
之
ｃ
填ｆ｜ 鬈
图３阶跃工况
在阶跃工况试验时应使阶跃负荷能导致明显的 热流变化，且温度变化不能太剧烈，同时环境状况不 能改变。
万方数据
２００８年８月
齐斌，等：发动机热管理系统试验和仿真研究
１．２．１稳态工况试验 当发动机出水温度满足ｄＴｏ。。／出＜Ｏ．０１ Ｋ／ｓ，
认为发动机处于热平衡状态。分别以转速和平均有 效压力的１０％，２５％，５０％，７５％，１００％测定２５个 稳态工况点以保证数据的精确性。
通过稳态工况测得的数据有：发动机燃油消耗 量，采用油耗线法得到发动机的机械损失；冷却液 和润滑油的进出口温度、流量等热平衡数据；发动机 和油底壳的散热面积和散热系数；环境状况（温度、 空气流速等）。
［ｓ．ｎ．］，１９９９．
［６］ Ｈａｇｅｒ Ｊ，ｓｔｒｏｈｃ，ＲｅｉｔｂａｕｅｒＲ．０ｐｔｉｍｉ船ｔｉｏｎ ｓｔｎｔｅｇｉｅｓ
Ｔｈｅｒｍｌ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｂｅｈａｖｉｏｕｒ ｏｆ ｔｈｅ
Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ
后发动机转速达到最大值，此时冷却液的热流量也 达到最大，为２３．４ ｋＷ。 ４ 结束语
发动机热管理系统试验台架。根据热管理仿真分析软件ＫＵＬＩ建模的参数输入要求，设计台架试验工况。通过仿
真和试验的数据对比验证了模型的准确性，并利用ＮＥＤ（：驾驶循环模拟整车冷却系统性能以指导热管理系统零部
件的选型与匹配。
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关键词：试验台架；发动机；热管理ｆ数值模拟
中图分类号：ＴＫ４１７
文献标志码：Ａ
文章编号：１００１—２２２２（２００８）０４一００４０—０４
热量，６。为摩擦热量流入润滑油循环的比例，Ｑ一 为摩擦产生的热量，Ｑ。为流入润滑油的热量，Ｑ。Ｗ
为从润滑油流入冷却液循环的热量，Ｑ讪为润滑油
循环间接质量热量，Ｑ。为从油底壳流入发动机舱
的热量。
２．３ 间接质量
间接质量由式（３）定义：
ＱｉＩｌｄ＝仇ｊｎｄ·ｃｐ一·个 警＝五·Ａ·（‰一‰）。 （３） Ｕ‘
第４期（总第１７７期） ２００８年８月
车用发动机 ＶＥＨＩＣＬＥ ＥＮＧＩＮＥ
Ｎｏ．４（Ｓｅ“ａｌ Ｎｏ．１７７） Ａｕｇ．２００８
发动机热管理系统试验和仿真研究
齐斌，倪计民，顾 宁，仲韵
（同济大学汽车学院，上海 ２０１８０４）
摘要：模拟发动机在整车中的安装使用条件，如水箱、风扇、发动机在机舱中的布置、附件及管路连接等，搭建
得到了发动机冷却液循环散热量、润滑油循环散热 量及摩擦产生的热量。利用ＫＵＬＩ仿真软件建立
８２℃，节温器打开，此时冷却液大循环开启，温度较 高的冷却液流入散热器中。随着散热器内温度较低 的冷却液及散热器本身的作用，冷却液的温度迅速
发动机热管理系统模型，并对ＮＥＤＣ循环下冷却系 统性能进行了仿真计算。
换热面积，Ｔｏ为润滑油温度，ＴＷ为冷却液温度。
２．５发动机表面和油底壳传热
发动机表面和油底壳的传热由式（５）定义：
Ｑ。＝愚。·Ａ。。，·（Ｔ。一Ｔ一）。 （５）
式中，Ｑ。为对流热量，忌。为对流换热系数，Ａ。。
为发动机表面积，丁｜。为发动机表面温度，Ｔ。。。为
发动机舱温度。
式（５）中的对流热导率愚。。由台架试验测量获
综合考虑整车冷却系统结构因素建立起的发动
平稳下来，不再上升（如图７中１ ０５０ ｓ后）。
机热管理系统试验平台，可以研究水泵、风扇、水箱
等各冷却系统零部件在系统中的工作特性，同时为
仿真建模提供充分的试验数据。利用ＮＥＤＣ循环
下冷却系统的性能仿真结果，可以进一步研究缩短
Ｔ 工
●
发动机起动暖机时间、减少燃油消耗的措施并优化
１ 发动机热管理系统台架试验
１．１ 台架结构 发动机热管理系统试验平台是在现有发动机试
验台架基础上建立的。试验平台充分考虑整车热元 件，包括驾驶室取暖器、节气门加热装置、冷却管路 连接等，结构都与整车相同。在试验台架上加装车 身发动机罩以模拟冷却系统在发动机舱的使用环 境。同时在发动机罩前设置模拟风以模拟车辆行驶
２仿真模型的建立和调整
热管理系统ＫＵＬＩ模型的热量输入由热ＭＡＰ 图定义，转速和负荷决定了发动机的散热量，包括传 递给冷却液和机油的热量及相关零部件摩擦产生的 热量。热量值通过发动机热管理台架试验获得。
为了模拟发动机的起动暖机等瞬态过程，在 ＫＵＬＩ仿真模型中将发动机的部件结构简化，发动 机和其他相关质量用集总参数法的点质量来表示， 将与发动机的冷却液、润滑油和摩擦产生的热量直 接进行热交换的质量定义为直接质量，其他质量定 义为间接质量。图４为ＫＵＬＩ发动机瞬态模拟的四 质量模型［５书］。
ＮＥＤＣ工况下，冷却液的散热量仿真结果如图
［ｃ］／／中国内燃机学会、中国汽车工程学会２００４年 ＡＰＣ联合学术年会论文集，天津：中国内燃机学会，
８所示。
２００４．
［３］ 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）：８—１０．
［４］ Ｍａｈｍｏｕｄ Ｋ Ｇ，Ｌｏｉｂｎｅｒ Ｅ，ｗｉｅａｌｅｒ Ｂ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｌ卜
式中，Ｑ砌为流人间接质量热量，，，ｌ砌为间接质量，愚
为热导率，Ａ为传热面积，ｋ为直接加热质量温
度，Ｔｉｔ－ａ为间接质量温度。
２．４润滑油和冷却液之间传热
润滑油和冷却液之间的传热定义见式（４）：
Ｑ。＝七。·Ａ。·（Ｔｏ—Ｌ）。
（４）
式中，Ｑ。，为润滑油到冷却液的热量，忌。为润滑油
和冷却液之间的传热系数，Ａ。为润滑油和冷却液
ＮＥＤＣ工况下，冷却液与润滑油的温度变化的 仿真结果如图５所示。
图５ ＮＥＤＣ工况冷却液与润滑油的温度变化 从图５可见，随着车速的变化，冷却液和润滑油 的温度随着时间不断升高。冷却液最高温度为 ８３℃左右，而润滑油最高温度为１２１℃左右，出现 在１ ｏｏｏ ｓ～１ １００ ｓ车速上升阶段。 ＮＥＤＣ工况下，冷却液大小循环流量和散热器 进出口温度仿真结果如图６和图７所示。
过程中空气侧的影响。在冷却系统相关零部件上设 置温度、压力及流量等测点。发动机热管理系统试 验台架如图１所示。
——＋冷却液一一＋润滑油
。一温度测点；ｏ一压力测点；争流量测点
图１发动机热管理系统台架结构
１．２ 台架试验 通过发动机稳态工况和瞬态工况试验，测量发
动机进出水温度、冷却液流量及管路系统压降等，为 软件仿真建模提供充分的试验数据，同时还可以验 证仿真计算的精度。发动机的主要参数如表１所示。
发动机热管理是从系统整体角度，集成控制发 动机的燃烧、增压及进排气、冷却系统和发动机舱等 的传热，提高循环效率，降低热负荷，控制发动机部 件高低温极限、温度分布及其变化规律。
应用发动机热管理技术，可以保证关键部件和 系统安全高效运行，控制和优化热量传递过程，减小 冷却系统的尺寸和功率消耗，合理利用热能，降低废 热排放，提高能源利用效率，减少环境污染［１’２］。车 辆燃油经济性、排放及驾驶舒适性标准的提高对热 管理技术发展提出了更高的要求。
图６ ＮＥＤＣ工况大小循环流量
从图６和图７可以看出，冷却系统在ＮＥＤＣ循 环工况运行的过程中，节温器大部分时间都处于关 闭状态，此时的冷却循环为小循环，冷却液仅在发动
万方数据
２００８年８月
齐斌，等：发动机热管理系统试验和仿真研究
·４３·
机内部循环，以使发动机能迅速达到工作温度。在 １ ０５０ ｓ左右冷却液温度超过了节温器开启温度
ｔｈｅｒｍｌ ｂａｓｅｄ ｖｅｈｉｃｌｅ
ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｎｌ－ｃｏｎｃｅｐｔ ａｎｄ
ｍｅｔｈｏｄ０１０９ｙ［Ｃ］．ｓＡＥ Ｐａｐｅｒ ２００３一０１一０２７６． ［５］ Ｅｉｃｈｌｓｅｄｅｒ ｗ，Ｒａａｂ Ｇ，Ｈａｇｅｒ Ｊ Ｍ．Ｈａｉｄｉｎｇｅｒ：Ｏｐｔｉｍｉ—
图８ ＮＥＤ（：工况冷却液的散热量
向间接加热质量的热量，Ｑ一为从发动机表面流入
万方数据
·４２·
车用发动机
２００８年第４期
发动机舱的热量。
２．２润滑油循环直接加热质量
润滑油循环直接加热质量由式（２）定义：
，｜Ｔ
ＱｄＩｒｏ—ｍｄｉ∞·ｃｐｏ·＝二｝＝口ｏ·ＱＢｒ＋ Ｕ‘
（１—６。）·臼一一Ｑ。＋Ｑ。，一臼；砌。一Ｑ。。（２） 式中，Ｑ‰为润滑油循环直接质量热量，仇‰为润 滑油循环直接质量，ｆ。为润滑油循环直接质量比 热，ｄＴｏ为润滑油循环直接质量温度差，口。为燃料 热量流入润滑油循环的比例，Ｑｍ为燃料所产生的
由于热管理系统的复杂性，通过样机试验分析 各子系统之间的相互影响要付出很大的代价。同传 统的建造试验方法相比，仿真具有可预先研究、无条 件限制、信息丰富、成本低及周期短等一些显著特点净４。。
本研究针对某型号发动机进行热管理系统台架 试验，利用得到的试验数据，在仿真软件ＫＵＬＩ中 建模，并利用仿真模型对ＮＥＤＣ循环下整车冷却系 统进行仿真计算。
得的空气流速决定，根据空气流速的不同，模型中采
用了不同的公式进行计算。
口≤５ ｍ／ｓ：忌。＝５．８＋４口＋ｆ。
（６）
口≥５ ｍ／ｓ：惫。。一７．１４扩。７８＋ｃ。
（７）
式中用常数ｃ来修正理论方程。
润滑系统和冷却系统在瞬态工况中有热量交
换，因此需要分别对其研究。由于零部件几何尺寸
和热流动的复杂性，通常传热面积和传热系数是根
据经验值设定的。模型中也考虑了发动机表面与空
气的热量交换情况。通过此模型可以分析从发动机 传给冷却液的热量和散热器散热量的非稳态的相互 影响。 ３仿真结果分析
以ＮＥＤＣ循环工况作为仿真计算的驾驶循环 模拟工况，设定大气压力为１０１．３ ｋＰａ，环境温度为 ２５℃，空气湿度为３０％。节温器打开温度为８２℃， 全开温度为９５℃。模拟时间为１ １８３ ｓ，模拟步长 为１ ｓ。
通过发动机热管理稳态和瞬态工况台架试验，
Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ［Ｃ］／／ＶＴＭｓ６．Ｂｒｉｇｈｔｏｎ：［８． 也］，２００１． ［７］ Ｋｎｎｔｓｃｈｅｒ Ｖ．Ｋｒａｆｔｆａｈｒｚｅｕｇ Ｍｏｔｏｒｅｎ—ＡｕｓＩｅｇｕｎｇ ｕｎｄ Ｋｏｎｓｔｒｕｋｔｉｏｎ［Ｍ］．ｗｎｒｚｂｕｒｇ：Ｖｅｒｌａｇ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅ Ｍｅｄｉｅｎ ＧｍｂＨ＆Ｃｏ．ＫＧ，２００６：６７４—６７５．
袭１发动机主要参数
排量／Ｌ 气缸数 怠速转速／ｒ·ｍｉｎ“ 标定转速／ｒ·ｍｉｎ一１ 燃油牌号 机油黏度等级
１．３９９ ６ ４
６５０ ６ ５００ ＲＯＮ９７ ５Ｗ３０
收稿日期：２００８·０５－１３；修回日期：２００８一０８一１９ 作者简介：齐斌（１９７９一）。男，山东省莱芜市人，在读硕士。主要研究方向为发动机热管理系统；ｑｂｉ＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ。
通过测量发动机稳态工况时冷却液的进出口温 度及流量，得到发动机向冷却液的放热量（见图２）。
在阶跃工况前后测量热平衡数据时，发动机应 处于稳态。发动机的负荷保持恒定，流量不变（即忽 略节温器的影响），测量的数据有：发动机转速、环 境状况（温度、空气流速等）、发动机冷却液入口温度 及冷却液出口温度、冷却液流量、润滑油入口温度及 出口温度、润滑油流量、阶跃工况开始时间和发动 机达到热平衡时的时间。
蛊
一、
冷却系统。
姻
＊
参考文献：
［１］ 陈 涛，诸葛伟林，赵 凯，等．发动机热管理的系统
整体热流体分析研究［Ｃ］／／中国内燃机学会２００５年
学术年会暨ＡＰＣ２００５年学术年会论文集，武汉：中国
图７ ＮＥＤＣ工况散热器进出口温度
内燃机学会，２００５． ［２］王黎明，张杨军．柴油机冷却系统匹配的熟管理技术