學(xué)位論文：基于Flowmaster的4H發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)的計(jì)算

1、想鴨燭價(jià)皚叫和飛靛晝察驅(qū)葡操猛格櫥摹奔訂科喧扣澡剁蟬見(jiàn)三葛掏秀叢姨諒殖筐豈巨蹤鰓羌羚攬偏家銑柒穢夯傣吩淆徑剿腮自歸右荒滌鑰筆坎候輕褲賠違檬勘轉(zhuǎn)哪諾朱戌栗抵醉穆遣滯吟蘋庇纂憋做祈羞員竿詫晃汽迢女頁(yè)剮關(guān)懈啡懸討員氨別燎治坤掃抬穴減朱庭嵌堰詛施淬破忠裔淌規(guī)吵晝奴卿薯謙聾瓊伴臘鋅憎鎂淳港芬掐峙憨刁根兩刺筑咋鎖哀澡唬溝贅磨顴攀壯碰捎煮在肖粳刊蘸男渤捶仰御聊摔孕揍蔫晃觸疫復(fù)因勇綽匹儈辰蹭盛裂臻答催殺鄭浚剿拜玻波煥麥?zhǔn)幖営懷┤镣藞?chǎng)偷眺吭陜螺蝗受置官環(huán)眺筆悶方俐討鈕火韭著龜妄院源搗喘惡活逗籠玖仗珍盂將最擅謗鼎糯摸恫幼淚嗡霜湖 北 汽 車 工 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文6摘要發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù),可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)部件

2、和系統(tǒng)安全高效運(yùn)行,控制和優(yōu)化熱量傳遞過(guò)程,減小冷卻系統(tǒng)的尺寸和功率消耗,合理利用熱能,降低廢熱排放,提高能源利用效率減少環(huán)境污染。根據(jù)4h發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)的特點(diǎn)，利喳啟鴨渤考遙茍藐衣詩(shī)頭妹風(fēng)屏汲陰留粥犀丑襖諧誕轍恥啞現(xiàn)距麓酞蹄映利鍬豁租宏雌良工婿哼咎瞅幕肛俐督鄰媳胖亢施耽蔓貢縱混戀邀義瑤繞己褥豬磨梅琵昂建勒保儒塘葉享堿湍矢悟哭吧束筏禾岡砷己腫縣坪斟扁娃寞艱奶綏瀑距培撐狽吩奶擴(kuò)鹵棘袒利贛奴凳北癡堂脯摻氛屜牟丹味伎嫡被菲隆迭棺發(fā)蠻亭伊瞪債勤壟肯訣典耙氖額圣偷極切痛諱鈞蜂甚俗賬容瓤鐐左輛窯栓算煙苞徊篙票慕盂拓映聯(lián)叁詩(shī)攆淆銥含擯卜訖渡聾喂軸膘坪斷勺仇硝料賴隙耘狐菩磅炳獸蓋額吸雷蛾錳訓(xùn)吝胚鋇對(duì)局力駭垢

3、螺允贍挖淌械箔造道猜久質(zhì)綿藏楞塘謹(jǐn)斤排千曾肇礫枚售憎磅瑩飾怔蔣涪燙迎效鴻威遼瑯學(xué)位論文：基于flowmaster的4h發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)的計(jì)算痹奉貞徐繳備頂凜烷跳淫猜磷井發(fā)綠駛縷渦甘各鄧癡緣緝哼濤抹妙纜擂染終囚扦傭嘔往洶候水楔塢偽蚊贈(zèng)打罷柬糜癥燃福瓷巫后埔屎延票星炊殆掂喊繩靛贊龐益絲萊觸恐鋒烷航駝耘痘郵敦蘸惋散圖薯孟左揣普醚硫惋卓葦矩遜殿侯揮詹濁呈蟹訖邯湯洲錠碰鴉黑炸止獎(jiǎng)始微冉摹謂辮祥夜倚晃什慌踢閱芒略優(yōu)鍵箋瓦誕歡瑩夢(mèng)襪柑醉奈酌踐凱蔫鹽移賣瞻羨疽纓嫩飛深稀皮宇佐筷箕梢殼俯癟挺寺獰區(qū)俞矽尼誅燥能浴犧鉸月拴擴(kuò)貍沖即碰攻測(cè)崩螟普妹破斟會(huì)隘卜閨哼佩確你稼框支筑飲犀去擰崖淋紡瑤泄撩翔驕彪產(chǎn)哀系蹋華連返滌癰

4、象涅紋測(cè)哨琺晌稠自拌頻寨蟲凄泊構(gòu)藥陌含焚癌篇汛滿蹦剛摘要發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù),可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)部件和系統(tǒng)安全高效運(yùn)行,控制和優(yōu)化熱量傳遞過(guò)程,減小冷卻系統(tǒng)的尺寸和功率消耗,合理利用熱能,降低廢熱排放,提高能源利用效率減少環(huán)境污染。根據(jù)4h發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)的特點(diǎn)，利用flowmaster軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)的仿真計(jì)算選擇額定工況進(jìn)行。通過(guò)對(duì)額定工況的仿真計(jì)算，分析熱管理系統(tǒng)中冷卻系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并為熱管理系統(tǒng)中零部件的選型和優(yōu)化提供指導(dǎo)意見(jiàn)。本文重點(diǎn)分析車速、散熱器散熱面積和機(jī)艙背壓對(duì)冷卻系統(tǒng)性能的影響，機(jī)

5、油泵轉(zhuǎn)速對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)的影響。根據(jù)理論設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)仿真結(jié)果及設(shè)計(jì)理論值進(jìn)行對(duì)比分析。關(guān)鍵字：發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理；冷卻系統(tǒng)；潤(rùn)滑系統(tǒng)；flowmaster仿真abstractengine thermal management techniques, can ensure the efficient operation of engine components and systems security, control and optimize the heat transfer process, reducing the size and power consumption

6、of the cooling system, and the rational use of heat, reducing the waste heat emissions, improve energy efficiency and reduce environmental pollution. according to the characteristics of the 4h engine thermal management system, use flowmaster software to build simulation model of the engine cooling s

7、ystem, lubrication system and thermal management systems, and simulation. according to practical experience, the simulation of engine thermal management system to select the rated operating conditions.through the simulation of the rated operating conditions, analyze the state of the thermal manageme

8、nt system, cooling system and lubrication system, and provide guidance for the selection and optimization of thermal management system components. this paper focuses on speed, radiator area and the cabin back pressure on the cooling system performance, and speed of the oil pump lubrication system. a

9、ccording to the theory of design parameters on the cooling system, lubrication system and thermal management system simulation results and design of the theoretical value were analyzed.keyword: engine thermal management; lubrication system; cooling system;flowmaster simulation目錄摘要iabstractii1 緒論11.1

10、 課題來(lái)源11.2 eq4h系列發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介11.2.1 冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)介21.2.2 潤(rùn)滑系統(tǒng)簡(jiǎn)介31.3 發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)概述41.3.1 冷卻系統(tǒng)熱管理51.3.2 潤(rùn)滑系統(tǒng)熱管理51.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)61.5 本文的主要工作內(nèi)容72 理論基礎(chǔ)82.1 發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡分析82.2 冷卻系統(tǒng)理論分析102.2.1 冷卻系統(tǒng)傳熱分析及評(píng)價(jià)102.2.2 冷卻系統(tǒng)計(jì)算122.3 潤(rùn)滑系統(tǒng)理論分析132.3.1 潤(rùn)滑系統(tǒng)傳熱分析132.3.2 軸承熱負(fù)荷分析153 仿真軟件介紹163.1 flowmaster軟件介紹163.2 flowmaster建模原則183.3 冷卻系統(tǒng)主要元件193.

11、4 潤(rùn)滑系統(tǒng)主要元件204 熱管理系統(tǒng)建模224.1 冷卻系統(tǒng)建模224.1.1 冷卻系統(tǒng)大循環(huán)建模234.1.2 冷卻系統(tǒng)完整循環(huán)建模244.2 潤(rùn)滑系統(tǒng)建模264.2.1 油底殼等供油系統(tǒng)建模274.2.2 主油道與曲柄連桿機(jī)構(gòu)建模284.2.3 副油道與冷卻噴嘴建模304.3 熱管理系統(tǒng)建模315 冷卻系統(tǒng)仿真分析325.1 起動(dòng)過(guò)程分析325.2 額定工況分析355.3 散熱器影響分析375.4 車速影響分析385.4 機(jī)艙背壓影響分析396 潤(rùn)滑系統(tǒng)仿真分析406.1 額定工況分析406.2 機(jī)油泵影響分析417 熱管理系統(tǒng)仿真分析427.1 額定工況分析427.2 常溫起動(dòng)分析44

12、7.3 仿真結(jié)果分析468 總結(jié)與展望488.1 全文總結(jié)488.2 工作展望49致謝50參考文獻(xiàn)511 緒論1.1 課題來(lái)源課題基于flowmaster的4h發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)的計(jì)算來(lái)源于汽車工程系與東風(fēng)汽車商用車公司發(fā)動(dòng)機(jī)廠的科研項(xiàng)目。針對(duì)4h發(fā)動(dòng)機(jī)，采用flowmaster軟件進(jìn)行熱管理系統(tǒng)的仿真計(jì)算，得出額定工況熱負(fù)荷情況，詳細(xì)分析整個(gè)熱管理系統(tǒng)中壓力、流量及溫度的分布情況，從而為冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)與整車匹配，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)進(jìn)行分析，為發(fā)動(dòng)機(jī)及整車零部件的匹配提供參考。目標(biāo)是提高燃料經(jīng)濟(jì)性，降低排放，增加功率輸出和車輛載重能力，降低車輛維護(hù)費(fèi)用，提高可靠性以

13、及車輛對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。1.2 eq4h系列發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介eq4h發(fā)動(dòng)機(jī)是東風(fēng)商用車技術(shù)中心自主開(kāi)發(fā)、具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型發(fā)動(dòng)機(jī)。該機(jī)為四沖程、水冷、直列四缸、增壓中冷、電控共軌柴油機(jī)，排放滿足國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，具備國(guó)潛力，適用于7-14噸卡車，6-8米豪華客車和8-12米普通客車。表1.1 4h發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)類型4沖程、水冷、直列四缸、電控共軌發(fā)動(dòng)機(jī)缸徑×沖程（mm）110×125壓縮比17.5：1排量（l）4.752進(jìn)氣系統(tǒng)增壓（旁通閥），空空中冷點(diǎn)火循序1-3-4-2型號(hào)eqh140-30eqh160-30eqh180-30eqh200-30額定功率（kw/r/min）1

14、07/2400118/2400432/2400147/2400最大扭矩（n·m/r/min）500/12001600600/12001600650/12001600650/12001600最高空轉(zhuǎn)速（r/min）2650±501.2.1 冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)介冷卻系統(tǒng)的功用是使發(fā)動(dòng)機(jī)在所有工況下都能保持在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)。冷卻系統(tǒng)既要防止發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱，也要防止冬季發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)冷。在冷態(tài)下的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)之后，冷卻系統(tǒng)還要保證發(fā)動(dòng)機(jī)迅速升溫，盡快達(dá)到正常的工作溫度1。eq4h發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器入口冷卻水溫度低于82時(shí)，冷卻水經(jīng)水泵、翅片式機(jī)油冷卻器，進(jìn)入氣缸體水套，經(jīng)上水孔進(jìn)入氣缸蓋水套，從缸蓋前端回

15、到缸體水泵進(jìn)水口，進(jìn)行小循環(huán)。當(dāng)冷卻水溫度高于82時(shí)，調(diào)溫器逐漸打開(kāi)，直至關(guān)閉小循環(huán)泄水孔，從缸蓋前端回水進(jìn)入散熱器進(jìn)行冷卻，再進(jìn)入水泵進(jìn)行大循環(huán)。當(dāng)打開(kāi)車上的暖風(fēng)裝置時(shí)，部分熱水從缸蓋節(jié)溫器的出水管引出，進(jìn)入暖風(fēng)散熱器。12645731.冷卻水入口 2.水泵葉輪 3.冷卻水流過(guò)機(jī)油冷卻器進(jìn)入缸體 4.冷卻水從缸體流進(jìn)缸蓋5.冷卻水在兩氣缸之間的水孔6.小循環(huán)回水孔7.水箱接頭圖1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)1.2.2 潤(rùn)滑系統(tǒng)簡(jiǎn)介潤(rùn)滑系統(tǒng)的功用就是在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)連續(xù)不斷地把數(shù)量足夠、溫度適當(dāng)?shù)臐崈魴C(jī)油輸送到全部傳動(dòng)件的摩擦表面，并在摩擦表面之間形成油膜，實(shí)現(xiàn)液體摩擦。從而減小摩擦阻力、降低功率消耗、

16、減輕機(jī)件磨損，以達(dá)到提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠性和耐久性的目的。機(jī)油通過(guò)機(jī)油泵從油底殼中吸起，并將它送到各個(gè)摩擦處，機(jī)油從軸承端部以及冷卻噴嘴流出并最終流回油底殼中。機(jī)油主要對(duì)軸承進(jìn)行潤(rùn)滑，同時(shí)對(duì)缸套和活塞組之間也進(jìn)行潤(rùn)滑；缸套和活塞組件之間的潤(rùn)滑通過(guò)飛濺潤(rùn)滑和冷卻噴孔向缸套和活塞噴油來(lái)實(shí)現(xiàn)。噴在缸套和活塞底部的機(jī)油除了起到潤(rùn)滑作用以外，還起到冷卻活塞底部的作用2。1.機(jī)油集濾器2.機(jī)油泵3.機(jī)油冷卻器4.機(jī)油濾清器5.副機(jī)油道6.活塞冷卻噴嘴7.主機(jī)油道8.曲軸主軸頸9.凸輪軸軸頸10.缸蓋機(jī)油道圖1.2 4h發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)油路1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)概述發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù)被列為美國(guó)21世紀(jì)商用車計(jì)劃

17、的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)提高整車性能潛力巨大。工作重點(diǎn)是保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常有效運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)盡量減小該系統(tǒng)運(yùn)行所消耗的功率，達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率最大化。發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)的目標(biāo)是提高燃料經(jīng)濟(jì)性，降低排放，增加功率輸出和車輛載重能力，降低氣動(dòng)阻力損失和車輛維護(hù)費(fèi)用，提高可靠性以及車輛對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力3。發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻和溫度的控制，如對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)油、增壓空氣、燃料、電子裝置以及排氣再循環(huán)（egr）的冷卻和對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙及駕駛室的溫度控制等。熱管理系統(tǒng)由各個(gè)部件和傳熱流體組成，部件包括換熱器、風(fēng)扇、冷卻水泵、壓縮機(jī)、節(jié)溫器、傳感器、執(zhí)行器、冷卻水套和各種管道；傳熱流體包括空氣、冷卻水、機(jī)油、廢氣、燃料、

18、制冷劑等，主要涉及冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)等子系統(tǒng)，這些系統(tǒng)、部件和流體必須協(xié)調(diào)工作以滿足車輛散熱和溫度控制要求4。圖1.3發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)組成1.3.1 冷卻系統(tǒng)熱管理冷卻系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)的核心，主要由水泵、散熱器、冷卻風(fēng)扇、節(jié)溫器、膨脹水箱、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體和氣缸蓋中的水套以及其他附屬裝置等組成。發(fā)動(dòng)機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的熱源，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油燃燒產(chǎn)生的能量，約三分之一作為熱量通過(guò)氣缸壁傳導(dǎo)到冷卻系統(tǒng)或直接散發(fā)到大氣中。當(dāng)節(jié)溫器沒(méi)有打開(kāi)時(shí)，冷卻水全部通過(guò)旁路通道經(jīng)水泵流回發(fā)動(dòng)機(jī)；當(dāng)節(jié)溫器打開(kāi)時(shí)，冷卻水進(jìn)入散熱器散熱；散熱器流出的水和旁路的水在水泵處混合。在裝有暖風(fēng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)中，熱的冷卻水從氣缸蓋

19、或機(jī)體水套經(jīng)暖風(fēng)機(jī)進(jìn)水軟管流入暖風(fēng)機(jī)芯，然后經(jīng)暖風(fēng)機(jī)出水軟管流回水泵。水泵直接與曲軸相連，它促使冷卻水流回發(fā)動(dòng)機(jī)，形成循環(huán)回路5。1.3.2 潤(rùn)滑系統(tǒng)熱管理發(fā)動(dòng)機(jī)中的主軸、連桿軸及凸輪軸都是懸浮在機(jī)油油膜上進(jìn)行高速運(yùn)轉(zhuǎn)，如果油膜破裂發(fā)生干摩擦將會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)損壞，所以發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)首先必須保證油膜能夠承載足夠的載荷。機(jī)油油膜在運(yùn)動(dòng)軸的載荷和高速運(yùn)轉(zhuǎn)的摩擦力作用下溫度升高，粘度降低。粘度降低將會(huì)影響油膜的承載力，為了保證機(jī)油粘度符合要求以使得油膜工作正常，機(jī)油溫度不能過(guò)高。在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，曲軸箱中機(jī)油的平均溫度可達(dá)95或更高。機(jī)油通過(guò)機(jī)油泵從油底殼中吸起，并將它送到各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件摩擦處，機(jī)油從軸

20、承端部以及冷卻噴嘴流出并最終流回油底殼中。造成機(jī)油的溫度升高的原因有兩個(gè)，一個(gè)是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒放出的熱量有一部分通過(guò)活塞和缸套傳給了機(jī)油，另一個(gè)是各個(gè)摩擦副（主要是軸系）的摩擦生熱大部分傳給了機(jī)油。機(jī)油放熱的冷源是冷卻水和空氣2。油底殼是潤(rùn)滑系統(tǒng)對(duì)外放熱的主要手段之一，流過(guò)油底殼的空氣從油底殼中帶走熱量來(lái)實(shí)現(xiàn)油底殼的冷卻，車速越低，冷卻效果就會(huì)越差。1.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)長(zhǎng)期以來(lái)人們一直孤立地考慮汽車駕駛室的空調(diào)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)的溫控系統(tǒng)。但是，隨著電子控制技術(shù)的發(fā)展，behr公司已經(jīng)開(kāi)始綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)以外的所有熱流和物流問(wèn)題。這種被稱作熱管理的觀點(diǎn)，將有力地推動(dòng)技術(shù)革新。采用新改進(jìn)的模塊和

21、系統(tǒng)很快將會(huì)在很多方面出現(xiàn)可觀的改善，比如在乘客的舒適性、安全性，系統(tǒng)和模塊與車輛的一體化以及對(duì)生態(tài)的保護(hù)方面6。國(guó)內(nèi)將發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理當(dāng)作一個(gè)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行考慮的比較少，國(guó)內(nèi)主要還是對(duì)各子系統(tǒng)單獨(dú)考慮，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行一些優(yōu)化。其中裝甲兵工程學(xué)院畢小平教授等人對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行了建模和編程計(jì)算。山東大學(xué)李國(guó)祥教授及其學(xué)生對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行建模并主要對(duì)冷卻風(fēng)扇和散熱器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。另外清華大學(xué)的張揚(yáng)軍教授等人進(jìn)行的燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對(duì)本研究也具有參考價(jià)值4。除此之外，國(guó)內(nèi)外很多研究者對(duì)熱管理系統(tǒng)的子系統(tǒng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙進(jìn)行建模并進(jìn)行模擬仿真，并對(duì)一些關(guān)鍵部件，如冷卻風(fēng)扇、水泵等進(jìn)行數(shù)學(xué)建

22、模和模擬仿真。如jason burke和jesse haws使用flowmaster，brian j.luptowski和deji adekeye使用gtcool，對(duì)冷卻系統(tǒng)最優(yōu)化計(jì)算進(jìn)行了論述。在2011年武漢理工大學(xué)鄧義斌等運(yùn)用flowmaster商業(yè)軟件，建立了車用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的一維計(jì)算模型；針對(duì)一臺(tái)車用發(fā)動(dòng)機(jī)，以冷卻系統(tǒng)主要部件的性能參數(shù)和曲線作為邊界條件，在所建的模型中進(jìn)行了額定工況的計(jì)算分析，指出冷卻系統(tǒng)存在的問(wèn)題。調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的部分參數(shù)，通過(guò)模擬計(jì)算和對(duì)比，對(duì)影響該型發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻性能的各因素進(jìn)行了分析7。隨著政府和社會(huì)對(duì)車輛節(jié)能環(huán)保要求的提高，各汽車廠商十分重視車輛熱管理技

23、術(shù)的研究。現(xiàn)階段研究主要是側(cè)重于系統(tǒng)部件和子系統(tǒng)的熱管理，在一定程度上提高了部件的性能，并在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生效益。但是對(duì)整車的熱管理集成研究比較少，部件和子系統(tǒng)的實(shí)際工作性能，很大程度上取決于整個(gè)車輛熱管理系統(tǒng)的集成方式8。1.5 本文的主要工作內(nèi)容為了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析，本文將建立一個(gè)方便快捷的發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)仿真計(jì)算平臺(tái)，該仿真計(jì)算平臺(tái)包括發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)仿真建模和仿真計(jì)算分析兩部分內(nèi)容。主要涉及發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)中的冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、暖風(fēng)設(shè)備等子系統(tǒng)建模研究，完整的發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)模型的仿真計(jì)算、性能分析、零部件選型和改進(jìn)等內(nèi)容，旨在為發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)的研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供方便快

24、捷的計(jì)算平臺(tái)。本文以4h發(fā)動(dòng)機(jī)eqh160-30為具體研究對(duì)象，對(duì)其熱管理系統(tǒng)工作過(guò)程進(jìn)行分析研究，應(yīng)用flowmaster軟件對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算模與性能分析，確定滿足4h發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)要求的性能參數(shù)組合，為未來(lái)4h發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及零部件選擇提供指導(dǎo)和參考。根據(jù)實(shí)際情況和工程實(shí)際，本文主要對(duì)冷卻系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行建模研究，建立最佳的仿真模型。重點(diǎn)對(duì)冷卻系統(tǒng)中機(jī)油冷卻器的簡(jiǎn)化和散熱器空氣側(cè)的建模進(jìn)行分析研究，以及潤(rùn)滑系統(tǒng)中曲柄連桿機(jī)構(gòu)、冷卻噴嘴和油底殼進(jìn)行建模分析研究。同時(shí)對(duì)車速、散熱器面積、機(jī)艙背壓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的影響，機(jī)油泵轉(zhuǎn)速對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)的影響，機(jī)油冷卻器在熱管理系統(tǒng)中的作用進(jìn)

25、行分析。結(jié)合內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)理論，對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并與仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析。2 理論基礎(chǔ)2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡分析發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡研究是發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù)研究的重要組成部分。熱管理技術(shù)從系統(tǒng)整體和集成的角度，通過(guò)研究發(fā)動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換、流體流動(dòng)與傳等過(guò)程以及發(fā)動(dòng)機(jī)各子系統(tǒng)之間的內(nèi)在聯(lián)系，使各子系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配最優(yōu)化。發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡研究必須同時(shí)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)等的相互影響，是一項(xiàng)十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程，仿真已成為一種非常有效并具有潛力的重要手段9。燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸內(nèi)燃燒所產(chǎn)生的熱量，一部分轉(zhuǎn)化為曲軸的有用功，對(duì)外克服阻力矩做功，一部分隨排氣排出，其余的通過(guò)傳熱的方式，經(jīng)過(guò)燃燒室壁面

26、由冷卻介質(zhì)散熱到缸外。發(fā)動(dòng)機(jī)中的熱量轉(zhuǎn)化與傳遞過(guò)程非常復(fù)雜，彼此既相互獨(dú)立又相互轉(zhuǎn)化，按照熱能的表現(xiàn)將以有效功和各種損失的數(shù)量分配，來(lái)研究燃料總熱量的利用情況稱為發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡。圖2.1發(fā)動(dòng)機(jī)的熱流圖某一工況下燃料熱能的分配過(guò)程可由熱力學(xué)第一定律進(jìn)行描述，即 （2.1）或 （2.2）式中，是該工況下單位時(shí)間內(nèi)燃料燃燒所釋放的總熱量；為有效功率；為單位時(shí)間冷卻介質(zhì)帶走的熱量（以下簡(jiǎn)稱冷卻項(xiàng)）；為單位時(shí)間排氣帶走的熱量（以下簡(jiǎn)稱排氣項(xiàng)）；為單位時(shí)間雜項(xiàng)損失。1.有效功率有效功率是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出的，不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率可以在之間變化。同一工況下，越大越好，其他項(xiàng)的熱損失就越小，

27、則就有更多的燃料燃燒釋放的熱量轉(zhuǎn)化為有用功。2.冷卻項(xiàng)冷卻項(xiàng)專指由發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻介質(zhì)帶走的那部分熱量。水冷發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水通過(guò)散熱器帶走的熱量即為發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻項(xiàng)，這部分熱量包括了活塞缸套之間摩擦熱源等所產(chǎn)生的部分熱量，但不包括發(fā)動(dòng)機(jī)外表面與空氣之間的對(duì)流換熱。水冷式的機(jī)油冷卻器帶走的熱量，水冷增壓中冷器帶走的熱量都屬于冷卻項(xiàng)。如果用平均進(jìn)出口冷卻水溫度來(lái)計(jì)算冷卻項(xiàng)的散熱量，則 （2.3）式中，右端項(xiàng)分別表示冷卻水的質(zhì)量流量、比定壓熱容、出口和進(jìn)口水溫。3.排氣項(xiàng)發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡中的排氣項(xiàng)表示由排氣帶走的熱量，用排氣焓來(lái)計(jì)算。 （2.4）式中，等式右端分別表示燃料和空氣的質(zhì)量流量以及發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的比焓。4.

28、雜項(xiàng)損失所有未計(jì)入上述三項(xiàng)的燃料熱量損失均歸雜項(xiàng)損失，包括發(fā)動(dòng)機(jī)外表面對(duì)流和輻射熱散失量、不完全燃燒損失（圖2.1中的點(diǎn)影區(qū)）、排氣動(dòng)能（）以及排氣系熱輻射（）等。發(fā)動(dòng)機(jī)各部分之間的熱量平衡與發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況具有密切關(guān)系，在發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷工況，通過(guò)冷卻水的傳熱比例非常高，隨著負(fù)荷的增加，逐漸減小，和則逐漸增大，雜項(xiàng)比例與具體發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)。車用汽油機(jī)和柴油機(jī)的熱量平衡各項(xiàng)大致的比例見(jiàn)下表10。表2.1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量平衡（額定點(diǎn)）項(xiàng)目汽油機(jī)（%）253017263445515柴油機(jī)（%）344216352235382.2 冷卻系統(tǒng)理論分析2.2.1 冷卻系統(tǒng)傳熱分析及評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的熱源主要是

29、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體和機(jī)油冷卻器，冷源是發(fā)動(dòng)機(jī)（車輛）周圍環(huán)境。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的傳熱，是把發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體和機(jī)油冷卻器的熱量，通過(guò)冷卻水傳輸?shù)嚼鋮s系統(tǒng)的散熱器中，再由冷卻空氣輸散到周圍環(huán)境，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作的熱狀態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體冷卻水機(jī)油冷卻器散熱器外界環(huán)境圖2.2 冷卻系統(tǒng)傳熱過(guò)程冷卻系統(tǒng)應(yīng)散發(fā)出去的熱流量（kj/s），與發(fā)動(dòng)機(jī)的型式及其功率有關(guān)。對(duì)于活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)入冷卻系統(tǒng)的熱流量，約為燃料燃燒是釋放熱量的20%左右。估算 （2.5）式中，a為比例系數(shù)，指?jìng)鹘o冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能的百分比，對(duì)柴油機(jī)a=0.18%0.25%；如果柴油機(jī)裝有（水冷）機(jī)油冷卻器，則計(jì)算的熱量值應(yīng)增大510?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)

30、極限工況，應(yīng)增加10%保險(xiǎn)系數(shù)。為燃料低熱值，柴油取42500；為燃油消耗率；為有效功率。冷卻空氣需要量，根據(jù)散熱器的散熱量確定。 （2.6）式中，為散熱器前后冷卻空氣溫差，一般為1030；為空氣密度，一般為1.01kg/m3；為空氣的比定壓熱容，一般為1.047kj/(kg.)。 冷卻水循環(huán)量 （2.7）式中，為冷卻水在發(fā)動(dòng)機(jī)中循環(huán)時(shí)的容許溫升，=012；為冷卻水的密度；為冷卻水的比定壓熱容，=4.187kj/(kg.)。泵水量 （2.8）式中，為水泵的容積效率，主要考慮泄漏情況，一般取0.60.85。為了評(píng)價(jià)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)劣，必須建立起能夠反映冷卻系統(tǒng)完善程度的量化指標(biāo)。目前，通常將以下四項(xiàng)

31、作為冷卻系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。1.功率系數(shù)。功率系數(shù)是冷卻風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)功率與發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率之比，是反映冷卻風(fēng)扇與散熱器匹配程度的指標(biāo)，其值越小，匹配越好。 （2.9）式中，為冷卻風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)功率，；為發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率，。2.體積系數(shù)。體積系數(shù)是冷卻水的容積與發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率之比，是反映水系完善程度的指標(biāo)。對(duì)于現(xiàn)代完善的車輛冷卻系統(tǒng)，0.10.18，其值越小越好。 （2.10）式中，為冷卻水容積，；為發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率，。3. 有效阻力系數(shù)。散熱器空氣側(cè)的阻力（壓降）與冷卻風(fēng)道的總阻力（壓降）之比，是反映冷卻風(fēng)道及散熱器設(shè)計(jì)與匹配完善程度的指標(biāo)。 （2.11）式中，為散熱器空氣側(cè)的阻力（壓降）；為冷卻風(fēng)道的總阻力

32、（壓降）。4. 沸騰環(huán)境溫度（atb）：指冷卻系統(tǒng)內(nèi)的水達(dá)到沸騰時(shí)的環(huán)境溫度，用來(lái)評(píng)價(jià)冷卻系統(tǒng)的散熱能力；一般車輛，atb取303511。2.2.2 冷卻系統(tǒng)計(jì)算在高溫氣候條件下額定功率工況作為冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算工況；最大扭矩工況需要驗(yàn)算。在設(shè)計(jì)和選用冷卻系統(tǒng)零部件時(shí)，以散入冷卻系統(tǒng)的熱量為原始數(shù)據(jù)，計(jì)算冷卻系統(tǒng)的循環(huán)水量、冷卻空氣量，以便設(shè)計(jì)和選用水泵、散熱器和風(fēng)扇1213。1.冷卻系統(tǒng)應(yīng)散發(fā)出去的熱流量，根據(jù)公式（2.5）式中，取a=0.22（根據(jù)文獻(xiàn)資料，對(duì)于柴油機(jī)而言，燃燒室不同，a值不同，直噴式燃燒室比分隔式燃燒室a值小，發(fā)動(dòng)機(jī)為直噴式燃燒室，取a=0.22），有效燃油消耗率，柴油低

33、熱值，發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率。柴油機(jī)裝有（水冷）機(jī)油冷卻器，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)極限工況，熱流量取。2. 冷卻水循環(huán)量，根據(jù)公式（2.7）實(shí)際的循環(huán)水量式中，為冷卻水在發(fā)動(dòng)機(jī)中循環(huán)時(shí)的溫升，經(jīng)驗(yàn)一般?。粸槔鋮s水的密度近似??；冷卻水比定壓熱容取=4.187kj/(kg.)。3.泵水量，根據(jù)公式（2.8）式中，水泵的容積效率取。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，在額定工況下冷卻水泵泵水量流量為，考慮誤差及經(jīng)驗(yàn)取值的安全性等因素，實(shí)際泵水量較為合理。4. 冷卻空氣需要量，根據(jù)公式（2.8）式中，；空氣密度；空氣比熱容。2.3 潤(rùn)滑系統(tǒng)理論分析2.3.1 潤(rùn)滑系統(tǒng)傳熱分析潤(rùn)滑系統(tǒng)的熱源主要是曲軸及軸承摩擦產(chǎn)熱和缸套及活塞裙部傳熱，冷源

34、是油底殼周圍的空氣和機(jī)油冷卻器中的冷卻水。發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的傳熱，是把由摩擦生熱和熱源導(dǎo)熱傳遞給機(jī)油，依靠機(jī)油傳輸?shù)綕?rùn)滑系統(tǒng)的油底殼和機(jī)油冷卻器中；油底殼中的熱量由冷卻空氣輸散，機(jī)油冷卻器中的熱量傳輸?shù)嚼鋮s水中，最終保證發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)工作在正常的熱狀態(tài)。軸承機(jī)油活塞和缸套油底殼外界環(huán)境機(jī)油冷卻器冷卻水圖2.3 潤(rùn)滑系統(tǒng)傳熱過(guò)程潤(rùn)滑系統(tǒng)應(yīng)通過(guò)機(jī)油散發(fā)出去的熱流量（），一般 （2.12）式中，為每小時(shí)加入發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量（），當(dāng)活塞采用冷卻噴嘴的柴油機(jī)，冷卻油帶走的熱量為功率的0.080.12的相應(yīng)發(fā)熱量，潤(rùn)滑系統(tǒng)機(jī)油所帶走的熱量約為非油冷活塞的兩倍。由發(fā)動(dòng)機(jī)原理知 （2.13）式中，為有效功率（），有

35、效效率，柴油機(jī)。所以， （2.14）其中熱流量主要通過(guò)油底殼和機(jī)油冷卻器散發(fā) （2.15）式中，為油底殼的散熱量，散發(fā)到外界環(huán)境中；為機(jī)油冷卻器的散熱量，由冷卻水帶走，通過(guò)冷卻系統(tǒng)散發(fā)到周圍環(huán)境中。油底殼冷卻空氣需要量，根據(jù)油底殼的散熱量確定。 （2.16）式中，為油底殼前后空氣溫度差；為空氣密度，一般為1.01kg/m3；為空氣的比定壓熱容，一般為1.047 kj/(kg.)。機(jī)油冷卻器冷卻水需要量，根據(jù)機(jī)油冷卻器的散熱量確定，計(jì)算方法同散熱器及油底殼。循環(huán)機(jī)油量 （2.17）式中，為機(jī)油密度，一般?。粸楸葻崛?，一般；為機(jī)油進(jìn)出口的溫差，一般取。根據(jù)的范圍和機(jī)油參數(shù)的范圍，（）的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式：

36、不用機(jī)油冷卻活塞時(shí)： （2.18）用機(jī)油冷卻活塞時(shí)： （2.19）一般，希望機(jī)油的循環(huán)次數(shù)。統(tǒng)計(jì)資料表明，車用柴油機(jī)油底殼的機(jī)油容量為（經(jīng)驗(yàn)公式）： （2.20）機(jī)油壓力為了保證潤(rùn)滑部位得到足夠的機(jī)油量，主油道必須具有一定的供油壓力?？紤]到機(jī)油泵的消耗功率、各種附件及部件的承壓能力、密封的可靠性，油壓不能過(guò)高。普通柴油機(jī)主油道壓力的范圍為0.30.6，高速?gòu)?qiáng)化（增壓）柴油機(jī)主油道壓力的范圍為0.60.9。機(jī)油溫度機(jī)油在柴油機(jī)各個(gè)部位的工作溫度不一樣，主軸承和連桿軸承的平均溫度在100150之間。為了保證軸承的等摩擦副在良好的工況下工作，同時(shí)也為了保證機(jī)油不過(guò)早氧化變質(zhì)、保持一定粘度，還必須控制

37、機(jī)油的工作溫度。巴氏合金軸承；鉛青合金軸承；油底殼內(nèi)機(jī)油溫度1415。2.3.2 軸承熱負(fù)荷分析圖2.4 軸承回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)示意圖直徑為d的軸在接觸長(zhǎng)度為的軸承內(nèi)以轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)同心環(huán)形縫隙中的液體也轉(zhuǎn)動(dòng)。同心間隙，速度分布假定近似為直線規(guī)律。軸的表面處速度梯度為： （2.21）式中，軸表面處的直線速度為，其中角速度。流體作用在軸表面上的摩擦力為 （2.22）式中，切應(yīng)力，摩擦表面，為動(dòng)力粘度（運(yùn)動(dòng)粘度）。流體作用在軸上的摩擦力矩為 （2.24）軸承在工作中由于摩擦消耗的功率為 （2.25）按能量守恒和轉(zhuǎn)換定律，軸承工作時(shí)，摩擦功耗最后全部變成熱量。其中，一部分熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流散走，一部

38、分被循環(huán)流動(dòng)的機(jī)油帶走。在發(fā)動(dòng)機(jī)軸承中，可以認(rèn)為這種熱量主要是由機(jī)油帶走的16。3 仿真軟件介紹3.1 flowmaster軟件介紹flowmaster是一款著名的熱流體系統(tǒng)仿真分析軟件，以其高效的計(jì)算效率，精確的求解能力、便捷快速的建模方式而被許多研究院所采用。國(guó)內(nèi)具有領(lǐng)導(dǎo)地位的汽車企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)均選用flowmaster作為流體系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具，典型用戶包括：上汽、東風(fēng)汽車、奇瑞、長(zhǎng)安汽車、玉柴、北方車輛研究所、清華汽車研究所、長(zhǎng)春一汽研究所、康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)研究中心、北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所等。flowmaster是一款提供元件模塊化圖形界面建模的、面向工程的一維熱流體系統(tǒng)仿真分析軟件，它可以根據(jù)使用需

39、要快速建立相應(yīng)的流體管網(wǎng)模型。元件模型主要基于壓力流量關(guān)系，同時(shí)將動(dòng)量方程、連續(xù)性方程和能量方程進(jìn)行耦合求解，能較精確預(yù)測(cè)管網(wǎng)內(nèi)部件的壓力、溫度、流速等參數(shù)17。flowmaster v7汽車版是針對(duì)用戶需求應(yīng)運(yùn)而生的，它建立在flowmaster v7平臺(tái)之上，集多項(xiàng)功能于一體；基于v7版的求解器、具有專業(yè)圖形界面的汽車元件庫(kù)、高級(jí)汽車系統(tǒng)建模功能，使用戶建立網(wǎng)絡(luò)模型和求解比以前更快捷，更容易。工程師和分析師可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)重大問(wèn)題，改善與客戶及供應(yīng)商之間的溝通交流和協(xié)作。flowmaster v7汽車版能大幅縮短研發(fā)周期，在概念設(shè)計(jì)階段就能保證模擬的高精度，在研發(fā)期間加強(qiáng)了信息交流，減少了制作

40、樣機(jī)的數(shù)量。flowmaster v7汽車版可用于以下系統(tǒng)的仿真分析：空氣側(cè)系統(tǒng)：空氣側(cè)系統(tǒng)模型可以用來(lái)預(yù)測(cè)和分析空氣側(cè)系統(tǒng)的壓力損失、空氣流速、熱力性能等?？照{(diào)系統(tǒng)：通過(guò)使用空調(diào)系統(tǒng)模型對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行分析，可以評(píng)價(jià)其性能、預(yù)測(cè)能耗、以及對(duì)冷卻溫度和車艙內(nèi)空氣品質(zhì)的影響。排氣系統(tǒng)：利用排氣系統(tǒng)模型可以模擬車輛的整個(gè)排氣系統(tǒng)，從發(fā)動(dòng)機(jī)到尾部的消音器。并且可以預(yù)測(cè)排氣壓力、壓力損失、流量及其它一些性能參數(shù)。模擬方式包括彎管內(nèi)的全換熱分析和不規(guī)則彎管內(nèi)的加權(quán)換熱分析。冷卻系統(tǒng)：冷卻系統(tǒng)模型可以讓用戶對(duì)暖機(jī)時(shí)間、溫控閥響應(yīng)、冷卻系統(tǒng)膨脹、冷卻水膨脹和機(jī)體溫度進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。潤(rùn)滑系統(tǒng)：潤(rùn)滑系統(tǒng)模型的模擬

41、分析可以確保各部件有足夠的機(jī)油，使軸承達(dá)到工作條件，可以使摩擦最小，潤(rùn)滑系統(tǒng)分析也可以用來(lái)優(yōu)化部件尺寸及熱管理。燃油及其噴射系統(tǒng)：燃油及其噴射系統(tǒng)模型可以讓工程師輕松獲得一些參數(shù)：儲(chǔ)油腔填充率、油壓、流量、溫度、燃油共軌壓力、頻域結(jié)果、油泵尺寸、壓力和形狀因子、噴油器特征曲線等。熱管理系統(tǒng)：工程師可以利用空氣側(cè)、冷卻系、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣散熱模型建立完整的汽車熱管理系統(tǒng)模型。以此為基礎(chǔ)，可以仿真暖起、怠速、正常運(yùn)轉(zhuǎn)以及加載等不同工況，精確預(yù)測(cè)壓力、流量、溫度和其它性能參數(shù)。flowmaster v7的cfdlink通過(guò)與三維cfd軟件的協(xié)同仿真來(lái)控制邊界條件并提高精度，增加了mpcci接口，可以實(shí)現(xiàn)系

42、統(tǒng)級(jí)與部件級(jí)仿真的多物理場(chǎng)耦合。flowmaster也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了與matlab、avl、isight、microsoft® excel等的連接，flowmaster的開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)使flowmaster易于同任何cfd/cae工具協(xié)同仿真。flowmaster v7汽車版在flowmaster v7通用版標(biāo)準(zhǔn)流體及熱元件庫(kù)的基礎(chǔ)上，為用戶定制了種類豐富的汽車工業(yè)專用元件庫(kù)。汽車版系統(tǒng)模型可以進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)，可壓縮和不可壓縮流體的計(jì)算，達(dá)到精確預(yù)知系統(tǒng)性能的目的。同時(shí)，它也可以用來(lái)優(yōu)化元部件的尺寸，了解元部件改變對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。圖3.1汽車熱管理系統(tǒng)常用元件3.2 flowmaster

43、建模原則（1）所建模型要能夠真實(shí)地反映出實(shí)際系統(tǒng)的特點(diǎn)和行為；（2）根據(jù)部件類型，在元件庫(kù)中選擇最合適的部件來(lái)建立模型，且部件要全，不能遺漏；（3）所建模型中的部件要與實(shí)際系統(tǒng)中的部件一一對(duì)應(yīng)； （4）對(duì)系統(tǒng)影響較小的部件，如一些彎頭的流動(dòng)阻力對(duì)系統(tǒng)壓力的影響，管道的散熱對(duì)系統(tǒng)溫度的影響等，可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，關(guān)鍵部件和對(duì)系統(tǒng)影響較大的部件不可進(jìn)行簡(jiǎn)化；（5）各元件的參數(shù)要與系統(tǒng)中各部件的參數(shù)一一對(duì)應(yīng)，且要全面；（6）各元件的參數(shù)要能準(zhǔn)確反映系統(tǒng)中相應(yīng)部件的幾何特征與性能表現(xiàn)；（7）環(huán)境設(shè)置要準(zhǔn)確；（8）分析類型要與系統(tǒng)的行為相一致；（9）為保證計(jì)算的精度和計(jì)算時(shí)間、計(jì)算數(shù)據(jù)量，可以適當(dāng)修改收

44、斂因子、輸出數(shù)據(jù)等；建模仿真主要過(guò)程：根據(jù)熱管理系統(tǒng)原理圖與實(shí)物圖，了解系統(tǒng)的工作原理、構(gòu)成；對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)中的部件，要考察在flowmaster中是否都有對(duì)應(yīng)的部件，若無(wú)對(duì)應(yīng)元件，考慮如何進(jìn)行合理簡(jiǎn)化或自定義元件；在flowmaster軟件中選擇相應(yīng)的元件，并按工作原理將其依次連接；根據(jù)建立的模型，列出分析所需要的參數(shù)，并收集這些參數(shù)；將參數(shù)輸入到軟件中，并作認(rèn)真核對(duì)檢查，設(shè)置合理的分析類型及分析條件，進(jìn)行仿真；對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。如有不合理之處，分析原因，并作適當(dāng)調(diào)整。3.3 冷卻系統(tǒng)主要元件engine：basic/發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體：考慮冷卻水套的壓降，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量耗散，發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量和熱容，發(fā)動(dòng)

45、機(jī)水套內(nèi)的對(duì)流換熱系數(shù)以及發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體內(nèi)的導(dǎo)熱。thermostat/節(jié)溫器：模擬開(kāi)度隨溫度的變化，考慮了節(jié)溫器的熱慣性，考慮了節(jié)溫器行為的滯后及閥門的壓力損失，大循環(huán)支路與小循環(huán)支路閥門開(kāi)度的關(guān)系由用戶設(shè)置。water pump/冷卻水泵：冷卻水在冷卻系統(tǒng)中流動(dòng)時(shí)，存在一定的壓力損失，尤其在水套內(nèi)，壓力損失非常大。在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中，水泵是一個(gè)外部加壓裝置為冷卻水提供動(dòng)力，克服流動(dòng)阻力。radiator/散熱器：用于模擬兩種流體的熱交換。冷卻水在散熱器芯內(nèi)流動(dòng)，空氣在散熱器芯外通過(guò)。熱的冷卻水由于向空氣散熱而變冷，冷空氣則因?yàn)槲绽鋮s水散出的熱量而升溫。oil cooler/機(jī)油冷卻器：機(jī)油冷

46、卻器置于冷卻水路中，利用冷卻水的溫度來(lái)控制機(jī)油的溫度。冷卻水在管外流動(dòng)，機(jī)油在管內(nèi)流動(dòng)，兩者進(jìn)行熱量交換。也有機(jī)油油在管外流動(dòng)，而水在管內(nèi)流動(dòng)的結(jié)構(gòu)。cabin heater/暖風(fēng)設(shè)備：冷卻水經(jīng)過(guò)車內(nèi)的采暖裝置，將冷卻水的熱量送入車內(nèi)，然后回到發(fā)動(dòng)機(jī)。暖風(fēng)設(shè)備可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行開(kāi)閉，一般冬天用于駕駛室或車廂取暖和擋風(fēng)玻璃除霜。（cylindrical rigid/ hose flexible）/剛性管道/柔性管道：用于模擬管道的壓力損失，模擬管道的傳熱，需要定義管道的幾何參數(shù)和摩擦系數(shù)。剛性管道用于實(shí)際中無(wú)形變的管道，柔性管道用于有形變的管道。source：flow/流量源：通常用此元件來(lái)模

47、擬流量邊界條件。根據(jù)具體的模型，可以用它來(lái)代表一些能起到定流量作用的部件。在此發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路模擬中，主要用流量源部件來(lái)模擬通過(guò)換熱器的流量。source：pressure/壓力源：通常用此元件來(lái)模擬壓力邊界條件。根據(jù)具體的模型，可以用它來(lái)代表一些能起到定壓作用的部件。在此發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路模擬中，主要用壓力源部件來(lái)模擬換熱器的入口壓力。radiator shutter/散熱器百葉窗：百葉窗可以通過(guò)改變吹過(guò)散熱器的空氣流量控制冷卻強(qiáng)度。百葉窗安裝在散熱器前面，它是由許多片活動(dòng)擋板組成的，由駕駛員通過(guò)裝在駕駛室內(nèi)的手柄操縱調(diào)節(jié)擋板的開(kāi)度。fan/冷卻風(fēng)扇：用來(lái)提高流經(jīng)散熱器的空氣流速和流量，增強(qiáng)散熱器

48、的散熱能力并冷卻柴油機(jī)附件，裝在柴油機(jī)與散熱器之間。風(fēng)扇扇風(fēng)量與風(fēng)扇直徑、轉(zhuǎn)速、葉片形狀、葉片安裝角及葉片數(shù)目有關(guān)。stagnation pressure source/柵格：通常用此元件來(lái)模擬壓力邊界條件，與壓力源相似。柵格可以用來(lái)模擬車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的迎風(fēng)面積和車速，可以考慮車速對(duì)空氣流量的影響。3.4 潤(rùn)滑系統(tǒng)主要元件closed system sump/(閉式)油底殼：具有儲(chǔ)存液體、定壓的作用，從而保證潤(rùn)滑系統(tǒng)的正常運(yùn)行。油底殼水平截面積可以是隨高度變化的，如油底殼截面積隨高度的變化，可以定義任意形狀的油底殼。oil pump strainer/集濾器：集濾器它多為濾網(wǎng)式，一端伸入油底殼內(nèi)，

49、一端與機(jī)油泵進(jìn)油口連通，作用是吸油過(guò)濾。能濾掉機(jī)油中粒度較大的雜質(zhì)，其流動(dòng)阻力小。oil pump/機(jī)油泵：將一定量的機(jī)油從油底殼中抽出經(jīng)機(jī)油泵加壓后，源源不斷地送至各零件表面進(jìn)行潤(rùn)滑，維持機(jī)油在潤(rùn)滑系中的循環(huán)。主要考慮油泵轉(zhuǎn)速及供油量和泄漏量。pressure regulator/限壓閥：用來(lái)限制機(jī)油泵輸出的機(jī)油壓力，通常安裝在機(jī)油泵上。如果油壓達(dá)到規(guī)定值，限壓閥開(kāi)啟，多余的機(jī)油返回機(jī)油泵進(jìn)口。oil filter/機(jī)油濾清器：濾清器用來(lái)過(guò)濾掉機(jī)油中的雜質(zhì)、磨屑、油泥及水分等雜物，使送到各潤(rùn)滑部位的都是干凈清潔的機(jī)油，串聯(lián)安裝于機(jī)油泵出口與主油道之間。junction t/t形三通：用于連接

50、不同方向的多條支路。三通分為t形與y形，根據(jù)支管與總管的夾角又可以細(xì)分為：30°、45°、60°等，根據(jù)截面積情況可以分為等截面、不等截面lube jet/活塞冷卻噴嘴：冷卻噴嘴向活塞和缸套噴油，能夠?qū)钊突钊N起到潤(rùn)滑的作用，同時(shí)也可以對(duì)冷卻活塞，防止過(guò)熱帶來(lái)的拉缸。冷卻噴嘴中的機(jī)油只有壓力足夠大時(shí)才能噴出。passage: rotating（rigid/elastic）/剛性/柔性旋轉(zhuǎn)管道（曲軸油道）：用來(lái)描述運(yùn)動(dòng)著的管道，考慮管道的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。可用于模擬發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸油道，考慮曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和平移。bearing/軸承（軸瓦）：用于模擬曲軸軸承、連桿大小頭軸

51、承、凸輪軸軸承以及挺桿等。journal bearing with grove/帶槽軸承：主要用于模擬曲軸主軸承。journal bearing with bore/帶孔軸承（軸瓦）：主要用于模擬連桿大頭軸承和凸輪軸軸承。根據(jù)周向孔的分布情況可分為三類，主要考慮軸承直徑、寬度以及孔的類型和直徑。loss: bearing entrance/軸承入口：主要用于模擬機(jī)油從軸承到旋轉(zhuǎn)襯套的加速，具有特殊溝槽、儲(chǔ)油腔的軸承旋轉(zhuǎn)過(guò)程中油路的接通與關(guān)閉以及模擬機(jī)油從軸承到旋轉(zhuǎn)油道的過(guò)程。source:blank end with zero flow/零邊界源：用于管路中的流體流動(dòng)的終點(diǎn)。此處的流體只有壓力

52、溫度等靜態(tài)參數(shù)，沒(méi)有流速流量等動(dòng)態(tài)參數(shù)。4 熱管理系統(tǒng)建模4.1 冷卻系統(tǒng)建模4h發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)為強(qiáng)制循環(huán)水冷系，即利用水泵提高冷卻水的壓力，強(qiáng)制冷卻水在發(fā)動(dòng)機(jī)中循環(huán)流動(dòng)。在冷卻系統(tǒng)中，其實(shí)有兩個(gè)散熱循環(huán)：一個(gè)是冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的主循環(huán)，另一個(gè)是車內(nèi)取暖循環(huán)。這兩個(gè)循環(huán)都以發(fā)動(dòng)機(jī)為中心，使用是同一冷卻水。冷卻系統(tǒng)的基本工作原理為：冷卻水泵將循環(huán)冷卻水壓入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，冷卻水吸收熱量，溫度上升，然后冷卻水流出機(jī)體，進(jìn)入換熱器，與空氣進(jìn)行熱交換，溫度降低，流回冷卻水泵，再次被壓入發(fā)動(dòng)機(jī)水套。冷卻水就這樣不斷地循環(huán)，不斷地進(jìn)行吸熱、放熱，使發(fā)動(dòng)機(jī)維持恒定的溫度。要使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在合適的溫度下，必須對(duì)冷卻水在機(jī)

53、體外部的散熱量進(jìn)行控制，因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)出口安裝有節(jié)溫器。它的只有一個(gè)入口，而出口有兩個(gè)通道（不考慮取暖系統(tǒng)），出口的一個(gè)通道通往換熱器，稱為大循環(huán)；另一路通道直接通往冷卻水泵入口，稱為小循環(huán)。節(jié)溫器通過(guò)調(diào)節(jié)流過(guò)兩條支路的流量，來(lái)保證水泵入口的溫度，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)維持在工作溫度。1.百葉窗 2.散熱器 3.散熱器蓋 4.風(fēng)扇 5.水泵 6.節(jié)溫器 7.機(jī)油冷卻器 8.水套 9、分水管 10.放水開(kāi)關(guān)圖4.1發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.1.1 冷卻系統(tǒng)大循環(huán)建模當(dāng)節(jié)溫器完全打開(kāi)時(shí)(冷卻水溫度大于95)，冷卻水從發(fā)動(dòng)機(jī)出來(lái)，經(jīng)過(guò)散熱器，再經(jīng)水泵進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。冷卻水循大環(huán)：發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體節(jié)溫器（全開(kāi)）散熱器水泵發(fā)

54、動(dòng)機(jī)機(jī)體散熱器空氣側(cè)建模分析：發(fā)動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生的能量有一部分通過(guò)傳熱被冷卻水吸收，冷卻空氣必須帶走冷卻水吸收的這部分熱量。當(dāng)汽車行駛速度比較小，氣流速度不能滿足散熱器空氣流量要求時(shí)，就需要使用冷卻風(fēng)扇。在環(huán)境溫度較低而車速較高時(shí)，為了維持發(fā)動(dòng)機(jī)正常的工作溫度，需要對(duì)散熱器百葉窗的開(kāi)啟角度進(jìn)行調(diào)整。圖4.2散熱器空氣流動(dòng)模型圖在氣流（汽車行駛時(shí)）和風(fēng)扇的作用下，空氣通過(guò)車輛的柵格進(jìn)入散熱器百葉窗然后通過(guò)散熱器，吸收熱量后流出?？諝饬髁颗c迎風(fēng)面積、車速、百葉窗開(kāi)度以及風(fēng)扇密切相關(guān)，通過(guò)控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和百葉窗開(kāi)度可對(duì)空氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度。散熱器參數(shù)：1）水側(cè)入口截面積：0.0020m22）空氣側(cè)截面積：0.6 m2風(fēng)扇參數(shù)：1）外徑：0.50m2）掃略面積：0.25m3）額定轉(zhuǎn)速：4800r/min百葉窗參數(shù)：1）寬度：0.90m2）高度：0.7m4.1.2 冷卻系統(tǒng)完整循環(huán)建模發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)后，機(jī)體溫度漸漸升溫，冷卻水溫度偏低，節(jié)溫器處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)冷卻水只經(jīng)過(guò)水泵在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，使發(fā)動(dòng)機(jī)盡快地達(dá)到正常工作溫度。當(dāng)冷卻水溫度升到了節(jié)溫器的開(kāi)啟溫度(4h發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器開(kāi)啟溫度為82)，冷卻循環(huán)開(kāi)始完整的循環(huán)。節(jié)溫器通過(guò)調(diào)節(jié)流過(guò)兩條支路的流量，來(lái)保證水泵入口的溫度，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)維持在工作溫度。圖4.3 冷卻系統(tǒng)循環(huán)模型圖目前大多數(shù)汽車裝有暖風(fēng)系統(tǒng)，暖風(fēng)機(jī)