【盖世直播】陈振雷 ：发动机热管理系统研讨

国家专家、宁波大学教授 陈振雷

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。

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！

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