CN103136423A - 一种发动机冷却系统优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发动机冷却系统的优化设计方法,该设计方法运用一维流体仿真技术对冷却系统进行流动分析,包括如下步骤:(1)收集冷却系统部件相关数据,并进行参数化处理;(2)搭建一维模型;(3)进行不同工况模拟计算;(4)分析计算结果,根据计算结果对冷却系统进行常规优化设计。本发明通过在设计初期模拟冷却系统的压力分布、流量分配、各部件流动阻力以及暖机工况冷却液温度变化等,得到发动机冷却系统的最优化匹配参数,可以更好地指导冷却系统的设计与开发,以提高开发效率,节省试验成本。
Description
技术领域
本发明涉及汽车发动机开发技术领域,具体涉及一种基于计算机仿真计算的发动机冷却系统优化设计方法。
背景技术
发动机冷却系统的作用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去,保证发动机在最适宜的温度状态下工作,并在外界温度低的时候,将冷却液吸收的热量用于乘员舱的取暖。发动机冷却系统台架与整车试验必须要到样机完成后才能开展,此时如果发现布置不当或者匹配不合理的情况,受布置空间限制,很多修改都不能实现,优化工作非常被动。因此在样机试制之前对发动机冷却系统性能进行预估并及时优化显得非常重要。
发明内容
本发明的目的在于提出一种简单、高效的发动机冷却系统优化设计方法,从而更好地指导发动机冷却系统的设计,以提高开发效率,节省试验成本。本发明所述的优化设计方法基于计算机仿真处理进行,应用流体动力学分析软件对冷却系统进行一维模拟以在设计初期模拟冷却系统的压力分布、流量分配以及温度分布等,进而通过参数优化得到最优化匹配的参数,并根据这些最优化参数来对冷却系统进行评价和改进以使其满足设计要求,整体方案路线是:设计部门首先提供给分析部门冷却系统总体布置形式、水泵、散热器、水套、暖风新体、膨胀箱以及连接油道的长度、直径、特性曲线等参数,分析部门根据这些参数,根据分析目的搭建恰当的模型,根据需要分析不同工况下冷却系统的工作状态,最后根据分析结果对系统进行评价与改进。由于从模拟中获取的信息比试验更全面,可以与试验互相验证、相互补充,因此通过本发明所述的方法能够在样机试制之前全面地对发动机冷却系统性能进行优化,使得样机完成后的发动机冷却系统能够处于最佳工作状态,极大的提高了效率。
本发明所述发动机冷却系统优化设计方法的具体技术方案如下:
一种发动机冷却系统优化设计方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)收集冷却系统部件的相关数据,并进行参数化处理;
(2)搭建一维冷却系统计算模型;
(3)结合边界条件和不同工况状态进行模拟计算;
(4)分析评价计算结果是否满足预期设计指标,当计算结果未达到预期设计指标时,对冷却系统相关部件进行优化设计,并重新执行步骤(1)-(4),当计算结果达到预期设计指标时,输出优化设计结果。
进一步的根据本发明所述的优化设计方法,其中所述步骤(1)中所述冷却系统部件包括发动机水泵、水套、散热器、节温器、暖风芯体、膨胀水箱以及连接管道。
进一步的根据本发明所述的优化设计方法,其中所述步骤(1)中的相关数据包括:水泵的特性曲线、管道的长度和直径、膨胀水箱尺寸、散热器与暖风芯体的换热特性、节温器的温升与温降开度曲线以及水套、散热器、暖风芯体、节温器的流阻特性和散热特性。
进一步的根据本发明所述的优化设计方法,其中所述步骤(2)进一步为:在一维流体动力学软件平台上,用通用阻力原件代替实际水套、散热器、暖风芯体和节温器的流阻特性;用转速-流量-扬程变化曲线代替实际的水泵特性;用长度、直径、导角参数代替实际的连接管道结构,将冷却系统模型搭建完整,并对冷却系统各部件参数进行填充完善。
进一步的根据本发明所述的优化设计方法,其中所述步骤(3)中所述工况包括冷却系统怠速工况、额定转速工况、最大扭矩点工况和全工况。
进一步的根据本发明所述的优化设计方法,其中所述步骤(3)中所述的模拟计算包括:对冷却系统怠速工况、额定转速工况、最大扭矩点工况和全工况进行稳态和/或瞬态模拟计算,计算过程为将步骤(1)中的参数化处理后的相关数据填入步骤(2)所建立模型中相应部件的参数表中,通过迭代计算来求解连续性方程、动量方程和能量方程。
进一步的根据本发明所述的优化设计方法,其中所述步骤(4)所述计算结果包括冷却系统的压力分布、流量分布和温度分布,分析评价过程包括分析评价流量、压力和温度是否满足预期设计指标。
进一步的根据本发明所述的优化设计方法,其中所述步骤(4)中,如果发动机冷却系统的压力或流量计算结果不符合预期设计指标,则通过修改冷却系统中的管道尺寸或者更换匹配部件对冷却系统进行优化,并重新执行步骤(1)-(4)直至冷却系统满足预期设计指标要求。
与目前现有技术相比,本发明利用计算模拟具有成本低、速度快、资料完备且可模拟各种不同的工况等独特的优点,通过应用一维流体仿真技术对发动机冷却系统进行仿真分析,从而在发动机设计初期直至整个开发阶段均能判断冷却系统的压力、流量是否满足设计指标,准确的预测了潜在的风险,并能够根据分析结果及时对系统进行优化设计,更好地指导了冷却系统的设计与开发,保证了发动机及其冷却系统的最佳工作状态,极大的提高了开发效率,节省了大量的试验成本。
附图说明
图1为本发明所述发动机冷却系统优化设计方法的分析流程图;
图2为本发明所述发动机冷却系统的布置结构示意图;
图3为本发明所述发动机冷却系统的仿真模型图;
图中各附图标记的含义如下:
①水泵;②水套;③散热器;④节温器;⑤暖风芯体;⑥膨胀水箱。
具体实施方式
下面根据附图对本发明进行详细描述,其为本发明多种实施方式中的一种优选实施例,并不以此限制本发明的保护范围。
本发明的优选实施方案是对某款汽油机冷却系统进行计算机数值模拟,通过本次分析,旨在根据详细的压力与流量分配结果,预估冷却系统分配给水泵、散热器与暖风芯体的流量是否满足设计指标,各部件的流动阻力是否属于合理范畴。
在这里首先简要说明本发明所述方案针对的发动机冷却系统结构,如附图2所示,这种冷却系统包括水泵①、水套②、散热器③、节温器④、暖风芯体⑤和膨胀水箱⑥,发动机启动后,由皮带轮带动水泵①转动,将冷却液泵至水套②后,连接节温器④控制大小循环。如果温度较低,没有达到节温器的开启温度,如一般为87℃,水套出口冷却液流向暖风芯体,经过暖风芯体冷却后的流回水泵。如果水套出口温度高于87℃,节温器打开,冷却液流向暖风芯体的同时,还要流向散热器。经过散热器冷却与暖风芯体冷却后流回水泵。
如附图1给出的发动机冷却系统优化设计方法的分析流程图中所示的,本发明的优化设计方法包括以下步骤:
第一步、根据图2中的冷却系统布置示意图,收集冷却系统各部件的相关数据,并进行参数化处理,这些相关数据包括水泵特性曲线,水套流动阻力、换热性能,节温器温度升高与降低时的气门开度曲线、流阻特性,散热器与暖风芯体的阻力、散热特性以及换热特性,连接管道的直径、长度,膨胀水箱的尺寸等。
第二步、搭建如附图3所示的冷却系统仿真模型,这种模型通过CAE建立,CAE是英文Computer Aided Engineering(计算机辅助工程)的简称。它是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展而发展的。简单地说,CAE相当于"虚拟"地在计算机做实验,在计算机这个虚拟平台上,模拟汽车发动机等某个系统或者部件的工作状态,其基本思想是:把原来在空间和时间坐标中连续的物理量的场,用一系列有限个离散点的值的集合来代替,通过一定的原则建立起这些离散点上变量值之间关系的代数方程,求解所建立起来的代数方程以获得所求解变量的近似解。对于本发明由于冷却系统部件繁多,结构复杂,应用三维技术对系统进行建模的可能性较小,而一维计算模型是将包括水套泵、水管、水套、散热器、节温器等部件进行参数化设置,即能方便建模,又在一定程度上反应了部件的特性。因此本发明利用CAE仿真具有的成本低、速度快、资料完备且可模拟各种不同工况等独特的优点,通过仿真技术对冷却系统进行一维流动计算,以在设计初期样件试制以前就模拟出整个冷却系统的压力、流量分配,在较广的范围内进行尺寸优化、部件匹配。具体的本发明所述冷却系统仿真模型的建立原理是:根据附图2所示的冷却系统布置结构,在仿真模型中用一些通用的阻力原件代替实际水套、散热器、暖风芯体等流动阻力特性;用转速-流量-扬程变化曲线代替实际的水泵特性;用长度、直径、导角等参数代替实际的连接管道结构,经过一系列的部件参数化处理后,得到如附图3所示的一维冷却系统仿真计算模型。
第三步、施加边界条件,并将上述相关数据参数填入上述仿真模型中相应部件的参数表中,通过不同工况的迭代计算,求解连续性方程、动量方程和能量方程,最终得到不同工况下不同部件的流量、压力、温度分布计算结果。
第四步、对计算结果进行分析,根据预设目标值,上述步骤三的计算结果未达到预期值时,对冷却系统进行常规优化设计,并根据设计后各部件的相关数据重新执行上述各步骤,直至计算结果达到预设的设计指标,完成对发动机冷却系统的优化设计。
实施例1:
在一个实施例中的发动机冷却系统预期设计目标之一为水泵额定工作点即发动机转速6000rpm时,要满足119 l/min的水泵流量和120KPa的压力升,同时另一设计目标为发动机转速2000rpm(怠速工况)时,暖风芯体流量要满足8.9 l/min。将上述发动机冷却系统各部件的相关数据参数带入上述仿真模型进行仿真计算,并结合各工况条件(转速等)得到下表所示各部件流量、温度、压力分布计算结果:
可见,发动机转速在6000rpm时,水泵的流量满足要求,但水泵压力升计算得出156.8KPa,高于目标要求的120KPa,说明该水泵还有减小的潜力,据此对其进行修正;同时当发动机转速在2000rpm、同时选发动机出水温度108.6℃时,节温器全开,暖风芯体分配流量为8 l/min,略小于目标值8.9 l/min,而当2000rpm转速的发动机出水温度在70℃时,节温器全关,暖风芯体分配流量13.5 l/min,高于目标值要求,说明中低速低温时暖风芯体的流量高于目标值,除气管路阻力偏小,导致除气流量偏大。总之据该实施例可知,该发动机冷却系统的水泵工作点基本达到了预期的设计目标值,各部件阻力与流量分配对于该系统来说基本算比较合适的,改进建议为适当减小除气管路的管径,然后重复上述步骤即可得到满足设计目标、处于优化状态的发动机冷却系统。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述,显然本发明具体实现并不受上述方式的限制,只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进,或未经改进直接应用于其它场合的,均在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种发动机冷却系统优化设计方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)收集冷却系统部件的相关数据,并进行参数化处理;
(2)搭建一维冷却系统计算模型;
(3)结合边界条件和工况状态进行模拟计算;
(4)分析评价计算结果是否满足预期设计指标,当计算结果未达到预期设计指标时,对冷却系统相关部件进行优化设计,并重新执行步骤(1)-(4),当计算结果达到预期设计指标时,输出优化设计结果。
2.根据权利要求1所述的优化设计方法,其特征在于,其中所述步骤(1)中所述冷却系统部件包括发动机水泵、水套、散热器、节温器、暖风芯体、膨胀水箱以及连接管道。
3.根据权利要求1或2所述的优化设计方法,其特征在于,其中所述步骤(1)中的相关数据包括:水泵的特性曲线、管道的长度和直径、膨胀水箱尺寸、散热器与暖风芯体的换热特性、节温器的温升与温降开度曲线以及水套、散热器、暖风芯体、节温器的流阻特性和散热特性。
4.根据权利要求1所述的优化设计方法,其特征在于,其中所述步骤(2)进一步为:在一维流体动力学软件平台上,用通用阻力原件代替实际水套、散热器、暖风芯体和节温器的流阻特性;用转速-流量-扬程变化曲线代替实际的水泵特性;用长度、直径、导角参数代替实际的连接管道结构,将冷却系统模型搭建完整,并对冷却系统各部件参数进行填充完善。
5.根据权利要求1所述的优化设计方法,其特征在于,其中所述步骤(3)中所述工况包括冷却系统怠速工况、额定转速工况、最大扭矩点工况和全工况。
6.根据权利要求1或5所述的优化设计方法,其特征在于,其中所述步骤(3)中所述的模拟计算包括:对冷却系统怠速工况、额定转速工况、最大扭矩点工况和全工况进行稳态和/或瞬态模拟计算,计算过程为将步骤(1)中的参数化处理后的相关数据填入步骤(2)所建立模型中相应部件的参数表中,通过迭代计算来求解连续性方程、动量方程和能量方程。
7.根据权利要求1所述的优化设计方法,其特征在于,其中所述步骤(4)所述计算结果包括冷却系统的压力分布、流量分布和温度分布,分析评价过程包括分析评价流量、压力和温度是否满足预期设计指标。
8.根据权利要求1或7所述的优化设计方法,其特征在于,其中所述步骤(4)中,如果发动机冷却系统的压力或流量计算结果不符合预期设计指标,则通过修改冷却系统中的管道尺寸或者更换匹配部件对冷却系统进行优化,并重新执行步骤(1)-(4)直至冷却系统满足预期设计指标要求。
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