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陳振雷 :發動機熱管理系統研討

信息來源:蓋世汽車       發布日期:2016-12-07       分享到:

  大家上午好,今天向大家匯報的項目是我們在前幾年碰到的實際工程問題,我們是怎么解決這些問題,和大家分享一下。
  

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國家“千人計劃”專家、寧波大學教授 陳振雷
  

         我們2012年遇到一個問題,挖掘機的發動機冷卻系統有一個冷卻液開鍋的問題,如果發生該問題,挖機就需要停下來休息一段時間才能工作,這樣的情況用戶是不愿意接受的。我們這個項目的主題就是要求在控制成本的基礎上,怎么用仿真和測試的手段來降低故障率。目標是建立評估和優化挖掘機及發動機熱管理系統,首先是熱管理仿真達到故障再現,然后怎么用優化達到設計目標。
  這個流程主要是仿真和測試,包括了三大部分。第一部分是整機熱管理分析,事實上我們是評估發動機散發的熱量與我們冷卻系統是否匹配,如果匹配我們能不能做進一步的成本控制,如果不匹配我們要調整風扇、水散系統以達到要求。第一部分是挖機機艙及發動機的散熱和傳熱的計算,即發動機在額定功率下,整機各部件的溫度、風速等是怎么樣的。最后做一個整機一維計算,評估發動機冷卻液在輸入輸出的過程中,溫度的變化會不會達到95°C以上,如果太高就會出現開鍋現象。這整個流程已經應用到很多工程問題的設計優化中了。
  下面介紹一下測試和分析工況,工況分為兩個部分,一個是標定工況,開發過程中,我們會碰到很多輸入參數,所以我們要做一個標定工況分析。然后我們有一個模擬工況,這個新的機型,在45度的環境下能不能滿足我們的工作要求。
  計算模型,我們的老機型和新機型,實際上是有區別的。這個是CFD模型,大家看到的是各部件。這個是流動和傳熱計算邊界條件。還有一部分是GT-power計算分析,做整機熱管理分析的。這個它對應的邊界條件,各個工況和環境條件不一樣,我們做了9.8度環境溫度下的測試,最后我們要看看在45度環境下,我們的新機型能不能滿足項目的要求。
  最后一塊就是Flowmaster分析,我們要分析整個冷卻液,在發動機啟動過程到工作狀態下,能不能是處于正常的狀態。
  有一個很重要的問題,我們所計算的模型準確性及精度怎么樣?這里有一個有效性驗證。我們有效性驗證也分三大塊,第一大塊是整機的流動和散熱計算,第二塊是發動機整機性能計算有效性驗證。第三塊是發動機瞬態熱平衡有效性驗證。
  這是計算所對應的模型,環境溫度是9.8度情況。這是一個溫度實測和仿真對比圖,事實上有誤差的,我們基本上控制在精度95%左右,如果達到誤差超過10%以上是不可接受的。然后是整機性能計算有效性驗證,我們知道在行業里面,我們看到一般的分布,除了有效、冷卻、排氣和其他的因素以外,我們看到基本的分布圖是知道的。這是分布圖,基本在這個范圍之內,這沒有什么大的問題。最后一部分是瞬態熱平衡分析,對整機要做一個熱管理分析,從開始工作起到最后工作過程中,冷卻液隨著時間的變化,溫度怎么上升的,如果上升過高就會出現開鍋現象。
  兩個比較,紅色是的實驗值,黑色的是計算值,相對來說是吻合的。我們基本上可以看到,我們對應的模型,不管是整機的性能分析,還是上面的流動分析,都是和我們測試數據是相吻合的,在這個前提下我們就可以進行老機型和新機型比較,對應的結果是什么?在相同環境溫度下,老機型和新機型事實上入風和出風系統是不一樣的,新機型水散的空氣流量是增加的。這個有個矛盾,如果機艙開口開的太多就會噪音太大了,噪音也需要滿足標準范圍,事實上我們從國3到國4,比如國3中型的挖掘機是105dBA,到了國4是102 dBA。新老機型的溫度對比,老機型到50分鐘就超過100度了。新機型基本處于穩定的狀態,事實上做了很多開口的工作。這是溫度場的比較,相同的條件下,新老機型情況完全不一樣,老機型達到100多度,新機型處于90度左右。老機型和新機型的速度矢量場,和老機型相比,新機型機艙內空氣流速增大顯著。
  小結,新機型確實有優勢,那么新機型在45度環境下可不可以呢?在工程機械項目上我們必須保證在45度環境下發動機能夠正常工作。新機型在10度的環境中沒有問題,在40度的環境中工作是有問題的,溫度已經超過了100度。在45度的環境下,溫度基本上都在100度左右了,我們必須做一些設計上的修改。盡管我們前面能看到底部的開口把高溫風量釋放出去了,但是還是有很多的回流,這是我們不愿意看到的。這是在設計中經常犯的小錯誤,認為這個地方沒有問題,但是這個地方出現回流以后,能量損失是非常大的。新機型在45度的環境中還是會出現問題,我們要做優化的處理,但是很多情況下都會受到限制,我們通過處理以后,我們把這個曲線從105度降到100度以下?偟膩碚f,分析工作到這兒為止,基本已經達到項目目標。
  下面進行總結:首先發動機熱管理仿真流程的特點是高效、成本低,但與必須和實際測試相結合以保證結果的相對準確,有效地為設計改進提供方向。第二發動機熱管理需要進行數據庫的積累。第三發動機熱管理流程發展與展望,正在努力完成仿真平臺建立,自動完成計算迭代,提高效率。最后我們努力在做一件事情,即提高CAE仿真在工程設計中的應用普及率。這個很重要,因為所有的流程,你不做這個流程永遠是零,如果你做了,哪怕初期和測試結果吻合得不好,你也可以通過修整來提高,國外也是慢慢做起來。謝謝各位!

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