基于1D/3D耦合仿真的某大功率重型货车冷却系统性能研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2024.06.019

摘要/Abstract

摘要：

随着经济的快速发展，人们对商用车的功率需求越来越高，大功率意味着更高的散热负荷，这对发动机冷却系统的匹配及系统的空间布置提出了更高的挑战。针对装配600马力发动机的某重型商用车，采用1D/3D耦合仿真的手段建立整车热流场模型与发动机冷却系统一维模型，研究了护风罩、导流板对散热器进风流量与进风平均温度的影响；并根据发动机热平衡试验数据，完成了冷却系统的匹配计算，同时进行了整车热平衡试验验证。结果表明：与单层护风罩相比，C型护风罩所引起的湍动能较小，因而可以提供更大的风量；当水泵速比由2.2降至为1.8时，转矩点和功率点出水温度分别为99.2和96.2 ℃，可满足冷却的需求，同时也降低了水泵的能耗，此外整车环境舱试验也验证了仿真模型的准确性，在大转矩工况下C型护风罩可以有效降低冷却系统的水温。

关键词: 发动机热平衡, C型护风罩, 冷却系统, 导流板, 水泵能耗

Abstract:

With the rapid development of the economy， the demand for high power commercial vehicle is growing. Higher engine power means higher heat dissipation， which causes bigger challenges to the matching of engine cooling system and the spatial layout of engine compartment. For a heavy commercial vehicle equipped with 600 horsepower engine， the vehicle thermal flow field and 1D model of engine cooling system are developed based on 1D/3D coupled simulation to investigate the effects of fan cover and deflector on the intake air flow rate and average air temperature of the radiator. Meanwhile， according to the engine thermal balance test data， the matching calculation of engine cooling system is completed and the vehicle thermal balance test verification is conducted. The results show that compared with a single-layer fan shield， the C-type fan shield generates lower turbulent kinetic energy， which can provide more airflow. When the speed ratio of the water pump drops from 2.2 to 1.8， the outlet temperature at the maximum torque point and power point is 99.2 and 96.2 ℃ respectively， which can meet the cooling demand and also reduce the energy consumption of water pump. In addition， the vehicle environment cabin test also verifies the accuracy of the simulation model and the C-type air shield can effectively reduce the water temperature of the cooling system under high torque conditions.

Key words: engine thermal balance, C-type fan shield, cooling system, deflector, pump energy consumption

程浩杰,马彦达,徐亚坤,吴延巽,董丽萍,于振华,张艺伦. 基于1D/3D耦合仿真的某大功率重型货车冷却系统性能研究[J]. 汽车工程, 2024, 46(6): 1125-1136.

Haojie Cheng,Yanda Ma,Yakun Xu,Yanxun Wu,Liping Dong,Zhenhua Yu,Yilun Zhang. Performance Study of Cooling System for a High-Power Heavy Truck Based on 1D/3D Coupled Simulation[J]. Automotive Engineering, 2024, 46(6): 1125-1136.

图/表 28

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参考文献 16

1	杨淼，林学东，李德刚，等. 柴油机缸内两相流卷吸效应对燃烧模式的影响［J］. 汽车工程，2023，45（4）：672-680.
	YANG Miao， LIN Xuedong， LI Degang， et al. Influence of entrainment effect of two-phase flow on combustion mode in diesel engine［J］. Automotive Engineering， 2023，45（4）：672-680.
2	李军成，曾丽丽，韦红玲，等. 压缩比和燃烧室形状对商用车柴油机燃油经济性的影响［J］. 车用发动机，2022（3）：76-81.
	LI Juncheng， ZENG Lili， WEI Hongling， et al. Effects of compression ratio and combustion chamber shape on fuel economy of commercial vehicle diesel engine［J］. Vehicle Engine， 2022（3）：76-81.
3	李君，徐小俊，刘宇，等. 车用发动机高效冷却系统研究进展［J］. 科学技术与工程，2019， 19（26）：1-10.
	LI Jun， XU Xiaojun， LIU Yu， et al. Review of high efficient engine automotive cooling system［J］. Science Technology and Engineering， 2019， 19（26）：1-10.
4	李田田，赵兰萍，王建新，等. 发动机舱的冷却气流仿真与散热的改善［J］. 汽车工程，2020， 42（9）： 1197-1205.
	LI Tiantian， ZHAO Lanping， WANG Jianxin， et al. Cooling airflow simulation and heat dissipation improvement of engine compartment［J］. Automotive Engineering， 2020， 42（9）： 1197-1205.
5	陈存福，费洪庆，胡金蕊，等. 某商用车发动机舱热管理仿真分析与试验验证［J］. 汽车技术，2020（2）：47-52.
	CHEN Cunfu， FEI Hongqing， HU Jinrui， et al. Simulation and experimental study of underhood thermal management of a commercial vehicle［J］. Automobile Technology， 2020（2）：47-52.
6	胡兴军，罗雨霏，金昕，等. 商用车机舱热管理组合因素影响研究［J］. 湖南大学学报，2023，50（4）：38-47.
	HU Xingjun， LUO Yufei， JIN Xin， et al. Research on influence of combined factors on thermal management in commercial vehicle cabin［J］. Journal of Hunan University（Natural Sciences），2023，50（4）：38-47.
7	杨鸿镔，刘海峰，王浒，等. 基于外特性前馈和模糊控制反馈的发动机冷却系统控制策略研究［J］. 内燃机工程，2020，41（3）：63-71.
	YANG Hongbin， LIU Haifeng， WANG Xu， et al. Study on control strategy of engine cooling system with mapping feedforward and fuzzy control feedback［J］. Chinese Internal Combustion Engine Engineering， 2020，41（3）：63-71.
8	张弘强，孙东方，江斌，等. 工程机械车辆发动机冷却系统仿真与优化［J］. 合肥工业大学学报（自然科学版），2023，46（4）： 452-457.
	ZHANG Hongqiang， SUN Dongfang， JIANG Bin， et al. Simulation and optimization of engine cooling system for construction machinery vehicle［J］. Journal of HeFei University of Technology（Natural Science）， 2023， 46（4）： 452-457.
9	许东，周冕，毕明波，等. 某大马力重卡冷却系统优化匹配［J］. 重庆理工大学学报（自然科学版），2020，34（3）： 53-59.
	XU Dong， ZHOU Mian， BI Mingbo， et al. Optimized matching of cooling system for high horse-power heavy truck［J］. Journal of Chongqing University of Technology（Natural Science）， 2020， 34（3）： 53-59.
10	KOBAYASHI Y， YOSHIDA K， NAGANO H， et al. Proper orthogonal decomposition analysis of flow structures generated around engine cooling fan［J］. SAE International Journal of Passenger Cars-Mechanical Systems， 2014， 7（2）：728-738.
11	KEBLUSEK M C， CHO K T. Implementation and optimization of a variable-speed coolant pump in a powertrain cooling system［J］. SAE International Journal of Commercial Vehicles， 2020， 12（4）： 253-269.
12	唐荣江，王青青，肖飞，等. 重型商用车冷却系统性能优化［J］. 液压与气动，2020（5）：96-102.
	TANG Rongjiang， WANG Qingqing， XIAO Fei， et al. Performance optimization of heavy commercial vehicle cooling system［J］. Chinese Hydraulics and Pneumatics， 2020（5）： 96-102.
13	曹国强，王良模，邹小俊，等. 卡车发动机舱流场分析与散热性能研究［J］. 机械设计与制造，2013（8）： 100-103.
	CAO Guoqiang， WANG Liangmo， ZOU Xiaojun， et al. Research on flow distribution and cooling performance of truck engine compartment［J］. Machinery Design and Manufacture， 2013（8）： 100-103.
14	钱学成，刘佳鑫，李建功，等. 工程车辆散热器的传热特性分析与结构优化［J］.科学技术与工程，2022，20（22）： 8989-8995.
	QIAN Xuecheng， LIU Jiaxin， LI Jiangong， et al. Analysis and optimization of heat transfer characteristics about radiator diversion structure［J］. Science Technology and Engineering， 2022， 20（22）： 8989-8995.
15	石海民，俞小莉，黄钰期，等. 多风扇冷却模块导风罩深度结构研究［J］. 浙江大学学报（工学版），2017，19（9）：1844-1850.
	SHI Haimin， YU Xiaoli， HUANG Yuqi， et al. Shroud depth structure of multi-fans cooling package［J］. Journal of Zhejiang University（Engineering Science）， 2017，19（9）：1844-1850.
16	王东，黄晓，肖露. 风扇导流罩对汽车冷却模块流动性能的影响［J］. 江苏大学学报（自然科学版），2017，38（3）： 260-266.
	WANG Dong， HUANG Xiao， XIAO Lu. Influence of fan cowl on automotive cooling module performance［J］. Journal of Jiangsu University（Natural Science Edition）， 2017， 38（3）： 260-266.

散热器芯体宽度/mm	966.3
散热器芯体高度/mm	945
散热器芯体厚度/mm	42
翅片间距/mm	2.0
翅片厚度/mm	0.1
冷却水管宽度/mm	1.7
冷却水管壁厚/mm	0.5
冷却水管数量	120
冷却水管间距/mm	5.4

发动机型式	柴油机
进气型式	增压中冷
冷却型式	水冷
气缸排列型式/气缸数	直列/6缸
排量	12.9 L
排放标准	国六
最大功率	441 kW
最大转矩	2 710 N·m
最大功率转速	1 800 r/min
最大转矩转速	1 000~1 400 r/min

满载质量	49 t
空气阻力系数	0.5
轮胎直径	1 082 mm
变速器挡位数量	12
主减速比	5.7
传动效率	0.93

换热器	风量/（kg·s^-1）	进风面平均温度/℃
冷凝器	1.13	50.2
中冷器	2.82	57.7
散热器	4.47	71.3

换热器	风量/（kg·s^-1）	进风面平均温度/℃
冷凝器	1.572	41.3
中冷器	3.791	44.5
散热器	5.949	55.5