注册

陈振雷 :发动机热管理系统研讨

信息来源:盖世汽车       发布日期:2016-12-07       分享到:

  大家上午好,今天向大家汇报的项目是我们在前几年碰到的实际工程问题,我们是怎么解决这些问题,和大家分享一下。
  

600361635892798162503136880_副本.jpg

国家“千人计划”专家、宁波大学教授 陈振雷
  

         我们2012年遇到一个问题,挖掘机的发动机冷却系统有一个冷却液开锅的问题,如果发生该问题,挖机就需要停下来休息一段时间才能工作,这样的情况用户是不愿意接受的。我们这个项目的主题就是要求在控制成本的基础上,怎么用仿真和测试的手段来降低故障率。目标是建立评估和优化挖掘机及发动机热管理系统,首先是热管理仿真达到故障再现,然后怎么用优化达到设计目标。
  这个流程主要是仿真和测试,包括了三大部分。第一部分是整机热管理分析,事实上我们是评估发动机散发的热量与我们冷却系统是否匹配,如果匹配我们能不能做进一步的成本控制,如果不匹配我们要调整风扇、水散系统以达到要求。第一部分是挖机机舱及发动机的散热和传热的计算,即发动机在额定功率下,整机各部件的温度、风速等是怎么样的。最后做一个整机一维计算,评估发动机冷却液在输入输出的过程中,温度的变化会不会达到95°C以上,如果太高就会出现开锅现象。这整个流程已经应用到很多工程问题的设计优化中了。
  下面介绍一下测试和分析工况,工况分为两个部分,一个是标定工况,开发过程中,我们会碰到很多输入参数,所以我们要做一个标定工况分析。然后我们有一个模拟工况,这个新的机型,在45度的环境下能不能满足我们的工作要求。
  计算模型,我们的老机型和新机型,实际上是有区别的。这个是CFD模型,大家看到的是各部件。这个是流动和传热计算边界条件。还有一部分是GT-power计算分析,做整机热管理分析的。这个它对应的边界条件,各个工况和环境条件不一样,我们做了9.8度环境温度下的测试,最后我们要看看在45度环境下,我们的新机型能不能满足项目的要求。
  最后一块就是Flowmaster分析,我们要分析整个冷却液,在发动机启动过程到工作状态下,能不能是处于正常的状态。
  有一个很重要的问题,我们所计算的模型准确性及精度怎么样?这里有一个有效性验证。我们有效性验证也分三大块,第一大块是整机的流动和散热计算,第二块是发动机整机性能计算有效性验证。第三块是发动机瞬态热平衡有效性验证。
  这是计算所对应的模型,环境温度是9.8度情况。这是一个温度实测和仿真对比图,事实上有误差的,我们基本上控制在精度95%左右,如果达到误差超过10%以上是不可接受的。然后是整机性能计算有效性验证,我们知道在行业里面,我们看到一般的分布,除了有效、冷却、排气和其他的因素以外,我们看到基本的分布图是知道的。这是分布图,基本在这个范围之内,这没有什么大的问题。最后一部分是瞬态热平衡分析,对整机要做一个热管理分析,从开始工作起到最后工作过程中,冷却液随着时间的变化,温度怎么上升的,如果上升过高就会出现开锅现象。
  两个比较,红色是的实验值,黑色的是计算值,相对来说是吻合的。我们基本上可以看到,我们对应的模型,不管是整机的性能分析,还是上面的流动分析,都是和我们测试数据是相吻合的,在这个前提下我们就可以进行老机型和新机型比较,对应的结果是什么?在相同环境温度下,老机型和新机型事实上入风和出风系统是不一样的,新机型水散的空气流量是增加的。这个有个矛盾,如果机舱开口开的太多就会噪音太大了,噪音也需要满足标准范围,事实上我们从国3到国4,比如国3中型的挖掘机是105dBA,到了国4是102 dBA。新老机型的温度对比,老机型到50分钟就超过100度了。新机型基本处于稳定的状态,事实上做了很多开口的工作。这是温度场的比较,相同的条件下,新老机型情况完全不一样,老机型达到100多度,新机型处于90度左右。老机型和新机型的速度矢量场,和老机型相比,新机型机舱内空气流速增大显著。
  小结,新机型确实有优势,那么新机型在45度环境下可不可以呢?在工程机械项目上我们必须保证在45度环境下发动机能够正常工作。新机型在10度的环境中没有问题,在40度的环境中工作是有问题的,温度已经超过了100度。在45度的环境下,温度基本上都在100度左右了,我们必须做一些设计上的修改。尽管我们前面能看到底部的开口把高温风量释放出去了,但是还是有很多的回流,这是我们不愿意看到的。这是在设计中经常犯的小错误,认为这个地方没有问题,但是这个地方出现回流以后,能量损失是非常大的。新机型在45度的环境中还是会出现问题,我们要做优化的处理,但是很多情况下都会受到限制,我们通过处理以后,我们把这个曲线从105度降到100度以下。总的来说,分析工作到这儿为止,基本已经达到项目目标。
  下面进行总结:首先发动机热管理仿真流程的特点是高效、成本低,但与必须和实际测试相结合以保证结果的相对准确,有效地为设计改进提供方向。第二发动机热管理需要进行数据库的积累。第三发动机热管理流程发展与展望,正在努力完成仿真平台建立,自动完成计算迭代,提高效率。最后我们努力在做一件事情,即提高CAE仿真在工程设计中的应用普及率。这个很重要,因为所有的流程,你不做这个流程永远是零,如果你做了,哪怕初期和测试结果吻合得不好,你也可以通过修整来提高,国外也是慢慢做起来。谢谢各位!