德國 MTU發(fā)動機冷卻系統(tǒng)

1.引言 在大功率履帶車輛動力領(lǐng)域，德國 MTU公司多年來一直處于無可爭議的地位。該公司研發(fā)的 890系列柴油機單位功率質(zhì)量小于1kg/kW,是世界上在研發(fā)系列柴油機中最好的。其 6缸機型高590mm,寬 700mm,長 760mm,質(zhì)量僅為520kg,功率高達550kW。本文基于熱力學和傳熱學的理論，在 GT—COOL軟件環(huán)境中建立了 MTU890系列發(fā)動機中 6缸機冷卻系統(tǒng)的一維仿真模型，通過分析計算來研究發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的流動與傳熱狀況，預測其冷卻系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)，以期對我國高功率密度發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的研發(fā)提供參考。

2.發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的主要任務(wù)是保障發(fā)動機在最適宜的溫度狀態(tài)下工作，維持最佳的冷卻水溫。該發(fā)動機冷卻系統(tǒng)簡圖如圖1所示，該冷卻系統(tǒng)是一種全新設(shè)計，主要是采用了高低溫雙循環(huán)冷卻技術(shù)和高溫冷卻技術(shù)。系統(tǒng)的最高冷卻液溫度比以前的裝甲車輛發(fā)動機的高出 20℃，為130℃。該冷卻系統(tǒng)由一個高溫回路和一個低溫回路組成，采用高、低溫雙循環(huán)回

路可以將高溫熱源負載與低溫熱源負載分開，低溫回路可以實現(xiàn)某些零部件（如二級增壓中冷器、發(fā)動機機油換熱器以及主傳動箱機油換熱器）的低溫冷卻需求，高溫回路主要為核心

發(fā)動機（即缸套、缸蓋等零部件）以及一級增壓中冷器提供冷卻。采用高溫冷卻技術(shù)則可以

滿足在較小的空間內(nèi)實現(xiàn)極高的冷卻能力，因此流入發(fā)動機冷卻液的熱量非常少，可以大幅度地縮小冷卻系統(tǒng)的質(zhì)量和體積，提高冷卻系統(tǒng)效率。

3.發(fā)動機冷卻系統(tǒng)仿真計算通過試驗設(shè)計發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)，使之滿足規(guī)定的要求，耗時、耗力、耗材，并非易事。

作為替代方案，數(shù)值仿真的方法，在計算機技術(shù)高速發(fā)展的今天，已被越來越多的人所采用。這種數(shù)值試驗的方法，不但可以節(jié)省大量的試驗費用，而且還可以進行大量的預測研究。

GT-COOL軟件是專門用于發(fā)動機冷卻系統(tǒng)仿真分析的軟件，廣泛應用于發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)等工作。 該軟件具有豐富的物理模型和分析功能，使得它能夠?qū)Πl(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行專業(yè)權(quán)威性分析。該軟件基于流體及熱力學計算理論，所采用的隱式格式流動求解器，使得求解快速、穩(wěn)定、可靠。

GT-COOL分為前、后處理兩個模塊。前處理模塊包括搭建冷卻系統(tǒng)所需的所有模型，可以模擬空氣側(cè)、冷卻水側(cè)、發(fā)動機機油 /傳動箱機油冷卻器，以及其它流體系統(tǒng)。主要作用是搭建冷卻系統(tǒng)一維仿真模型，根據(jù)冷卻系各組成部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)進行參數(shù)設(shè)置，并對冷卻系統(tǒng)進行模擬計算。GT-COOL的后處理由 GT-POST完成， GT-POST是一個功能強大的數(shù)據(jù)分析工具，可以顯示、查看、處理由前處理模塊計算的數(shù)據(jù)結(jié)果，可以對冷

卻介質(zhì)的壓力分布、溫度分布、流量分配以及換熱量的變化進行分析，進而對發(fā)動機冷卻系

統(tǒng)的各個部件以及總體性能指標進行全面分析。

3.1發(fā)動機冷卻系統(tǒng)計算模型的建立

構(gòu)成發(fā)動機冷卻系統(tǒng)基本部件為：發(fā)動機、散熱器和水泵。在模擬計算中根據(jù)發(fā)動機冷卻系統(tǒng)原理圖，模型中除了考慮上述三類部件外，還將各類油水熱交換器、節(jié)溫器、膨脹水箱考慮在內(nèi)。這樣高溫回路冷卻系統(tǒng)的主要部件有發(fā)動機、一級中冷器、散熱器、水泵；低溫回路冷卻系統(tǒng)的主要部件有水泵、散熱器、二級中冷器、主傳動箱機油換熱器、發(fā)動機潤滑油換熱器。模擬計算工作主要針對發(fā)動機額定工況下工作時冷卻系統(tǒng)的情況進行。所建立的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)計算模型如圖2所示。

圖 2 HPD發(fā)動機冷卻系統(tǒng)模型圖

3.2模擬計算結(jié)果

應用軟件可以方便的計算出該冷卻系統(tǒng)中各個部件的集總參數(shù)以及整個系統(tǒng)的溫度、壓力、流量等分布圖，其主要計算結(jié)果見下表 1。

表1 高、低溫回路各部件主要計算結(jié)果

通過熱量平衡方程、壓力平衡方程和質(zhì)量守恒方程來驗證模擬計算結(jié)果的合理性。

（1）高溫回路 能量平衡方程：

^∆Q主散熱器^{=∆ Q}發(fā)動機^{+∆ Q}一級中冷器^{−∆ Q}管路^{+∆ Q}水泵^≈292.29kW

從上面方程可以看出，主散熱器的散熱量大于高溫回路各部件散熱量之和，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，考慮是由于水泵的部分功率轉(zhuǎn)化成熱量，增加了主散熱器散熱負荷。高溫回路水泵功率為2.5kW，加上水泵功率，系統(tǒng)能量正好平衡。

壓力平衡方程：

^∆p水泵^{=∆ p}發(fā)動機^{+∆ p}主散熱器^{+∆ p}管路^{=1.05 + 0.48 + 0.44 =1.97bar}

（2）低溫回路 能量平衡方程：

^∆q輔散熱器^{=∆ q}機油換熱器^{+∆ q}主傳動箱^{+∆ q}二級中冷器^{−∆ q}管路^{+∆ q}水泵^=165.5kW

壓力平衡方程：

^∆p水泵^{=∆ p}機油換熱器^{+∆ p}主傳動箱^{+∆ p}二級中冷器^{+∆ p}輔散熱器^{+∆ p}管路^=1.85bar

從上分析可以看出，高、低溫回路的壓力和能量方程均守恒，說明所搭建的一維仿真計算模型是合理的。

3.3冷卻系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化方法

GT—Suite軟件帶有優(yōu)化工具，對一些參數(shù)我們可以用優(yōu)化工具箱來進行確定。如對管路直徑的優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)果應使冷卻系統(tǒng)管路內(nèi)流速在合理的范圍內(nèi)。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)管路中水流速度一般在 4~6m/s。影響水流速度的因素有冷卻水流量和冷卻系統(tǒng)的管路直徑，在發(fā)動機冷卻系統(tǒng)散熱量確定的情況下，冷卻水的流量也基本確定，因此，可以將管路直徑設(shè)為變量，將水流速度設(shè)為目標值，這樣就可以找到合適的管路直徑。在優(yōu)化計算中，我們?nèi)」軆?nèi)水流速度為5m/s,通過計算可以確定冷卻系統(tǒng)各段管路的具體尺寸。同理，我們可以用同樣的方法來確定其它的參數(shù)。

3.4發(fā)動機冷卻系統(tǒng)多參數(shù)多方案優(yōu)化匹配仿真與分析研究

對于不同的環(huán)境條件，冷卻系統(tǒng)的熱負荷變化很大，在發(fā)動機額定工況下，對應不同的環(huán)境溫度，散熱器所需的空氣流量是不同的。當環(huán)境溫度從-35℃～45℃，散熱器所需空氣流量如圖3所示。

在發(fā)動機額定工況下，對應不同的環(huán)境溫度，散熱器所需的空氣流量是不同的，對應的發(fā)動機的出口溫度也是變化的。當環(huán)境溫度從-35℃～55℃，對應發(fā)動機出口溫度的變化如圖 4所示，無論對散熱器的哪一種布置方式，當環(huán)境溫度小于 45℃時，發(fā)動機出口水溫均小于 130℃，滿足要求。但當環(huán)境溫度達到 55℃時，散熱器兩種布置方式發(fā)動機出口溫度均大于 130℃，因此，當環(huán)境溫度過高時，發(fā)動機要降負荷運行，以免冷卻系統(tǒng)水溫過高。

發(fā)動機出口溫度（℃）

散熱器串連

散熱器并聯(lián)

138 136 134 132 130 128 126 124 122 120 -40-30-20-10 0 10 20 30 40 50 60

環(huán)境溫度（℃）

圖3 不同環(huán)境溫度下散熱器冷卻空氣流量圖 4不同環(huán)境溫度下發(fā)動機出口水溫

4.利用模擬計算結(jié)果進行實際工程選型

選型設(shè)計不同于它的工程設(shè)計，選型設(shè)計注重的是部件參數(shù)與冷卻系統(tǒng)的總體匹配；工程設(shè)計則要使部件的具體結(jié)構(gòu)、性能及其可靠性乃至工藝等滿足多方面的工程要求。選型設(shè)

計時，冷卻系統(tǒng)對部件設(shè)計要求或稱設(shè)計輸入都已經(jīng)確定。利用GT—COOL軟件的計算結(jié)果可以方便的進行選型設(shè)計，以水泵為例，根據(jù)計算結(jié)果，軟件能自動生成水泵的流量特性曲線，如圖5所示，根據(jù)圖5，我們可以很方便的選擇與冷卻系統(tǒng)相匹配的

圖 5水泵特性曲線