載貨汽車散熱器的設(shè)計計算概要

載貨汽車散熱器的設(shè)計計算劉立軍1傅景軍2趙化冰3(1?東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院(2.上汽商用車技術(shù)中心(上海(1、3.上汽商用車技術(shù)中心南汽研究院摘要以散熱器為核心部件的冷卻系統(tǒng)決定著整車的熱平衡，對維持發(fā)動機和整車的正常工作起著至關(guān)重要的作用。本文以擬配裝四款柴油發(fā)動機的載貨汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的全新開發(fā)工作為例，依據(jù)整車開發(fā)流程，較系統(tǒng)地介紹了散熱器設(shè)計計算的基本思路和方法，并通過系統(tǒng)級CFD分析和試驗手段進(jìn)行了驗證。關(guān)鍵詞:載貨汽車柴油機散熱器計算整車開發(fā)流程散熱器是汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的核心，也是影響整車布置和系統(tǒng)熱效率的關(guān)鍵部件。散熱器性能的優(yōu)劣對發(fā)動機和整車的動力性、經(jīng)濟性、可靠性和污染物排放都有很大影響。以計算分析為依據(jù)，可以對散熱器進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計和優(yōu)化，從而提高發(fā)動機的熱效率，實現(xiàn)整車的節(jié)能減排。通常需要輸入盡可能全面的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計計算和校核(見表1,但新車型開發(fā)可能與發(fā)動機開發(fā)并行開展，初步設(shè)計過程中很難得到完整的輸入條件。多數(shù)情況只能通過經(jīng)驗公式估算所需參數(shù)，從而預(yù)測系統(tǒng)性能及必要的布置空間。隨著開發(fā)流程的推進(jìn)，輸入?yún)?shù)會逐步完善。通常散熱器的設(shè)計先行于機艙內(nèi)其他系統(tǒng)及零部件，其初步計算通常在設(shè)計階段初期、全面CAE分析和試驗驗證開始前完成。根據(jù)初步計算結(jié)果，可以完成散熱器初始數(shù)模的搭建，并提交整車完成總布置檢查(DMU。2.1迎風(fēng)面積計算散熱器芯部的迎風(fēng)面積Ff可以通過以下兩種方法計算確定：Ff1(m2>0.1+0.032Vn式中Vn———發(fā)動機的排量Ff2(m2=(0.0027—0.0034Ne(2其中Ne為發(fā)動機功率，當(dāng)Ne>73.5KW時取下限，當(dāng)Ne<73.5KW時取上限。1散熱器設(shè)計計算所需基本參數(shù)表1某型載貨汽車散熱器設(shè)計計算所需輸入?yún)?shù)(片段序號物理量數(shù)值單位1發(fā)動機型號EA-2排量Vn2.998L3額定功率Ne110kW1冷卻液許用溫度T105C1冷卻液許用溫度T105C5扭矩點轉(zhuǎn)速nT1600rpm108壓力蓋壓力閥限值P108kPa2概念設(shè)計階段的初步計算表2散熱器迎風(fēng)面積初步計算結(jié)果(M表示Max發(fā)動機Vn(LNe(kWFf1(m2Ff2(m2EA2.9981100.1960.297EB3.761150.220.3105EC3.921250.2250.3375MED4.31180.238M0.3186經(jīng)公式得出的結(jié)果通常為一個取值范圍，應(yīng)根據(jù)實際情況選取合適的散熱器迎風(fēng)面積。對于本例，根據(jù)計算結(jié)果認(rèn)為該車型需要的散熱器迎風(fēng)面積范圍為 0.238-0.3375m2帶有水冷EGR的發(fā)動機在此基礎(chǔ)上還應(yīng)留有10-15%的富裕度。2.2散熱面積計算散熱器的散熱面積S可通過以下兩種方法計算：S仁S比XNe(3其中,S比根據(jù)經(jīng)驗取0.17—0.27散熱器安裝在發(fā)動機的前端，迎風(fēng)效果好。S比初步取0.17。S2=Q/t(4其中,Q=Q水套+Q中冷器+Q其他，為冷卻模塊最大散熱量(從降低風(fēng)扇能耗的角度考慮，散熱器應(yīng)能抵消盡可能多的熱負(fù)荷;Q其他包括置于散熱器前的冷凝器或變速器機油冷卻器等的散熱量;K為換熱系數(shù),由供應(yīng)商提供;△t為液氣平均溫差，根據(jù)發(fā)動機允許的出水溫度和銷售地區(qū)環(huán)境情況取值(允許冷卻液出口溫度高的發(fā)動機取較大值。與迎風(fēng)面積計算一樣，經(jīng)公式得出的結(jié)果同樣為一個取值范圍。對于本例 ，認(rèn)為該車型需要的散熱器散熱面積范圍為21.25-25.2m2帶有水冷EGR的發(fā)動機在此基礎(chǔ)上還應(yīng)留有10-15%的富裕度。為提高散熱效率，盡可能減小散熱器芯厚，應(yīng)散熱面積通常取較小值。如果配裝帶水冷EGR的發(fā)動機，取較大值更利于增強冷卻系統(tǒng)的適應(yīng)能力。2.3迎風(fēng)面積和散熱面積的初步校核將Ff1、Ff2以及S1、S2分別與兩家供應(yīng)商提供的初步計算數(shù)據(jù)相比較，認(rèn)為供應(yīng)商擬提供的兩款散熱器產(chǎn)品基本滿足該車型的散熱要求(見表4。但考慮配裝水冷EGR和SCR兩種類型的發(fā)動機，而EGR型發(fā)動機散熱量與SCR型相比約增加10-15kW,這樣散熱面積稍顯不足，需對散熱器芯部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。隨著整車開發(fā)流程的逐步推進(jìn)，輸入數(shù)據(jù)進(jìn)一步完善，此時需要根據(jù)可預(yù)見的惡劣使用條件對散熱器的散熱能力做進(jìn)一步校核?？紤]到發(fā)動機、散熱器等零部件需要同步開發(fā)，通常得到此次校核所需參數(shù)的時間大致在整車開發(fā)流程的中期 ，也可稱為中期校核”此時試驗樣車遠(yuǎn)未完成，還無法進(jìn)行試驗驗證，因此中期校核非常重要。中期校核需要輸入的參數(shù)（以發(fā)動機EA為例,主要包括:水泵在額定工率點和最大扭矩點的水流量，以及散熱器（樣件性能試驗數(shù)據(jù)（即某液氣溫差△t條件下，散熱器散熱能力Q相對于冷卻液流量qmw和風(fēng)速Va的變化情況，見表5。3.1功率點校核根據(jù)熱平衡試驗，發(fā)動機額定工況點需要散熱器帶走的熱量為 105kW（已考慮前置中冷器和冷凝器的影響。此時發(fā)動機轉(zhuǎn)速高，水泵流量基本達(dá)到220L/min;車速也較高，迎面風(fēng)速不低于10m/s而散熱器的散熱能力高達(dá)131.6kW,因此能夠滿足性能要求。3.2扭矩點校核車輛在長時間爬坡時，發(fā)動機一般處于低速大扭矩的工況。此時發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低,水泵流量約為132L/min;車速也較低，迎面風(fēng)速度一般在5—6m/s左右;散熱器的最低散熱能力約為74.7KW。而根據(jù)發(fā)動機熱平衡試驗，需要散熱器帶走的熱量約為72.2kW（已考慮前置中冷器和冷凝器的影響，因此該散熱器也滿足冷卻性能要求但富裕度不足，需要對散熱器芯部結(jié)構(gòu)（如開窗型式等進(jìn)行優(yōu)化。3.3冷卻模塊與風(fēng)扇的匹配表3散熱器散熱面積初步計算結(jié)果(M表示Max發(fā)動機Ne(kWQ(kWS1(m2S2(m2EA11010518.725.2MEB1158219.5519.68EC12583.221.25M19.97ED11894.3720.0622.65表4供應(yīng)商提供的散熱器迎風(fēng)面積和散熱面積發(fā)動機型號Ff(m2S(m2供應(yīng)商1供應(yīng)商2供應(yīng)商1供應(yīng)商2EA/EB/EC/ED0.34630.338821.7522.893工程設(shè)計階段散熱能力的校核表5某供應(yīng)商提供的散熱器臺架試驗結(jié)果58101613274.798.0116.9155.322088.6112.9131.6175.6Va(m/sQ(kWqmw(L/min通過風(fēng)洞試驗獲得經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的冷卻模塊(包括散熱器、中冷器和冷凝器的阻力曲線，以風(fēng)速-風(fēng)阻(Va-△P的形式列出表格(見表6同時取得風(fēng)扇性能曲線（需考慮傳動比，以風(fēng)速-靜壓（Va-△P的形式列出表格（見表7。ChinaAllrightsreserved.PublishingHouse.kLnet1994-2011AcAdeiriic Fl?ctrrvnic根據(jù)表6、表7,插值后可得冷卻模塊與風(fēng)扇的匹配曲線。由圖1可見,匹配點風(fēng)速為11.1m/s此時實際風(fēng)速約為：V=11.1*n（5其中n為系統(tǒng)阻力系數(shù)，包括進(jìn)氣格柵效率、護(hù)風(fēng)罩徑向間隙、風(fēng)扇與散熱器軸向間隙以及機艙溫升等引起的流量損失 ，根據(jù)經(jīng)驗取n=75%則：V=11.1*75%=8.325m/s（6此時散熱性能大于8m/s時的112.9kW,同時也大于功率點冷卻系統(tǒng)理論散熱量105kW,因此風(fēng)扇和冷卻模塊匹配情況良好。同理可以驗證扭矩點冷卻模塊和風(fēng)扇的匹配也滿足性能要求。4.1CFD分析驗證隨著計算機技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，系統(tǒng)級CFD分析已經(jīng)成為支持工程師進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計的重要工具和有效手段。特別是傳統(tǒng)手工計算難以涉及的領(lǐng)域,CFD分析可以給出準(zhǔn)確的結(jié)果和合理的優(yōu)化方向在整車開發(fā)的模擬樣車”階段,數(shù)模趨于完整，參數(shù)收集基本齊全，此時就可以進(jìn)行冷卻系統(tǒng)的CFD分析。表8為配裝EA發(fā)動機的某載貨汽車?yán)鋮s系統(tǒng)1DCFD網(wǎng)絡(luò)模型和分析結(jié)果。可見，該車型發(fā)動機出水溫度和許用環(huán)境溫度(Tltd分別滿足小于92C和大于42C的設(shè)計要求。此外，還需要冷卻系統(tǒng)配合整車及進(jìn)、排氣等周邊子系統(tǒng)完成3DCFD流場分析,主要用于評價前端進(jìn)風(fēng)口造型，系統(tǒng)零部件布置和機艙熱環(huán)境等。4.2試驗驗證主要依據(jù)GB/T12542《汽車熱平衡能力道路試驗方法》以及各整車廠的特別(通常更為嚴(yán)格、試驗項目也更多要求在道路或轉(zhuǎn)鼓試驗臺上進(jìn)行加注、除氣以及冷卻性能試驗等。其中冷卻系統(tǒng)性能試驗可以通過許用環(huán)境溫度 Tltd評價冷卻系統(tǒng)及其零部件是否滿足設(shè)計要求。試驗分析用到的理論公式為 ：Tcoolant=Tmax1-Tc1(7Toil=Tmax2-Tc2(8Tltd=max(Tcoolant,Toil(9對于50%的乙二醇型冷卻液，在海拔500m處，逸氣閥壓力設(shè)定為1bar時,冷卻液沸點Tmax1約為112C;機油許用溫度Tmax2由油品型號決定。Tc1(或Tc2為冷卻常數(shù)，定義為熱平衡時冷卻液(或機油溫度與環(huán)境溫度的差值，要求取正向和逆向行駛兩次試驗的算術(shù)平均值。通常溫帶、熱帶和沙漠環(huán)境下Tltd分別取42C、冷卻模塊阻力特性(Va-△P參數(shù)試驗數(shù)據(jù)Va(m/s4681012AP(kPa0.1950.3620.5150.8181.13表7風(fēng)扇在額定功率轉(zhuǎn)速時的性能(Va-△P,片段參數(shù)試驗數(shù)據(jù)Va(m/s3.514.61 ……12.514^P(kPa4.123.530.510.12圖1冷卻模塊與風(fēng)扇的性能匹配4冷卻系統(tǒng)性能驗證表8某載貨汽車?yán)鋮s系統(tǒng)1DCFD分析結(jié)果發(fā)動機轉(zhuǎn)速rpm熱負(fù)荷kW出水溫度CTltdC350068.783.449.9280065.988.644.7160037.783.549.8表9配裝EA型發(fā)動機的載貨汽車熱平衡試驗結(jié)果試驗項目優(yōu)化前優(yōu)化后功率點扭矩點功率點扭矩點 TcoolantToilC38C54C49C54C43CC59C50C和60C,則表9所示試驗數(shù)據(jù)證明該車型冷卻系統(tǒng)滿足整車性能要求 ，并驗證了前期開發(fā)過程中散熱器設(shè)計計算和CFD分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時為后續(xù)車型的開發(fā)積累了數(shù)據(jù)資料。本文以一款載貨汽車全新開發(fā)工作為例，較全面地記述了散熱器設(shè)計計算的基本思路和方法，并通過CFD分析和整車試驗對計算和性能優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行了驗證。證明以整車開發(fā)流程為主線的計算方法可以保證散熱器和冷卻系統(tǒng)其他零部件得到優(yōu)化匹配，有助于設(shè)計出滿足整車運行工況要求、具有較高熱效率的冷卻系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)1余寶迂等?汽車設(shè)計手冊（發(fā)動機附件卷[M].長春:長春汽車研究所，1998.2朱思洪，繆小紅譯.載貨汽車技術(shù)（原書第二版[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.3《汽車工程手冊》編委會.汽車工程手冊（設(shè)計篇[M].北京:人民交通出版社,2001.4Dipl.-lng.ChristianKarl,UlrichFeldhaus.CFDsimulationforthecoolingcircuitofatruckdieselengine[J].MTZWroldwide,2008,6:12 19.5董軍啟.車輛冷卻系統(tǒng)空氣側(cè)特性研究[D].上海交通大學(xué)，2007.6劇冬梅，孟紅，韓愷.發(fā)動機及其冷卻系統(tǒng)耦合仿真方法研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2009（4.7于海群.發(fā)動機冷卻系統(tǒng)匹配設(shè)計及動態(tài)特性仿真[D].江蘇大學(xué),2007.8常賀.基于CFD方法的汽車散熱器仿真研究[D].吉林大學(xué),2009.9趙軍.重型載重車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設(shè)計改進(jìn)及試驗研究 .5結(jié)論即使是從混合動力汽車發(fā)動機產(chǎn)生的排放物中，也有許多是對環(huán)境有害的。然而美國普渡大學(xué)的研究人員開發(fā)出的一個新系統(tǒng)，卻能夠收集汽車排氣口排出的尾氣熱量，以便產(chǎn)生電能和降低車輛的燃油消耗。創(chuàng)新的發(fā)動機設(shè)計已經(jīng)得到美國國家科學(xué)基金會和美國能源部為期3年的資助/r/