基于NEDC工况的发动机热管理系统匹配研究

第2期（总第235期） 2〇18年4月车用发动机VEHICLE ENGINENo.2(Serial No.235)Apr.2018基于NEDC 工况的发动机热管理系统匹配研究高干，倪计民，石秀勇，苏锦磊，李佳琪(同济大学汽车学院，上海 201804)摘要：基于某国产1.5 L 汽油机进行热管理系统台架试验，利用试验数据来获取仿真计算的边界条件；在GT-Siiite 软件平台中，搭建发动机-冷却系统耦合仿真模型，并对应目标机型的台架试验进行仿真计算与验证；对不同 散热器、风扇、水泵构建的18种匹配方案进行分析。

结果表明，相对于原机方案，最优匹配方案在新欧洲行驶工况 (NEDC )下节油 3.36%。

关键词：汽油机;发动机热管理系统；台架试验;NEDC 工况；匹配 DOI ： 10.3969/j.issn.l001-2222.2018.02.009中图分类号：TK417 文献标志码：B 文章编号：1001-2222(2018)02-0051-06良好的发动机热管理系统可以改善汽车的经 济性、减少汽车尾气的排放、提髙汽车的可靠性和 舒适性[1_3]。

国外对发动机热管理系统的研究起 步较早，主要从单个零部件角度、冷却模块角度、系统角度和发动机舱角度4个方面对传统冷却系 统进行研究[47]。

国内对发动机热管理系统的研 究起步比较晚，目前主要集中在零部件的改进及 优化方面，较少从集成角度研究热管理系统及其 评价方法，对于发动机缸内与缸外的耦合研究、冷 却模块以及发动机舱的研究更是少之又少[813]。

因此，本研究基于某国产1.5 L汽油机进行热管理系统台架试验，采用发动机与冷却系统耦合的技 术，将发动机缸内的燃烧放热与缸外的冷却散热 紧密联系起来，更加准确地模拟发动机及其冷却 系统实际工作情况，在仿真软件GT -Suite中建立整车-发动机耦合模型，并利用仿真模型对NEDC工况下整车热管理系统的冷却能力和经济性进行 了仿真计算，实现各个关键零部件、系统与总体性 能的综合匹配。

1发动机热管理系统台架试验1.1试验台架布置试验用发动机为四冲程、直列、多点电喷4缸 机，主要技术参数见表1。

发动机热平衡试验系统 示意见图1。

进气路^ ^ —排气路油路循环一一冷却液循环■ • — • — ■图1发动机热平衡试验系统示意为了更为准确地模拟实际情况，保证结论的正 确性，同时与模拟仿真中模型相对应，并且可以考察 散热器性能对热管理系统的影响以及散热器所消耗 能量的大小，本试验采用鼓风机模拟外界冷却空气流量。

1.2发动机热管理系统能量流向燃料在发动机气缸内燃烧所释放的所有热量 中，只有一部分能转变为推动汽车前进的机械功，其收稿日期：2017-09-17;修回日期：2018-01-13作者简介：髙干（1995—），男，硕士，主要研究方向为汽车节能减排技术；tj_gaogan@ 。

通讯作者：彳兒计民（1963—），男，教授，博士生导师，主要研究方向为发动机节能与控制技术；njmwjyx@。

•52 •车用发动机2018年第2期余的热量则随冷却液、排气等从发动机中排出[14]。

1)发动机有效功率发动机热效率的计算公式为We 3.6 X 106,，、式中：为燃料低热值为有效燃油消耗率。

在发动机的能量流中，实际用于推动汽车前进 的发动机有效功率P6为9 550 30 X r式中：Ttq为发动机输出扭矩;n为发动机转速;V S为气缸工作容积^^为发动机平均有效压力，反映发 动机单位容积输出扭矩的大小;r为冲程数。

2)机械损失发动机的损失主要分为两方面：一方面为发动 机工作过程中实际摩擦产生的损耗，例如活塞环与 气缸壁之间的摩擦，以及发动机辅助装置的损耗，如点火装置、喷油泵、风扇、冷却水泵、增压器和气门动 作的驱动功率、空气动力损耗和液力损耗等;另一方 面为泵气损失。

3)冷却液带走的热量在冷却系统的实际设计过程中，应通过试验测 出实际值。

由于冷却液带走的热量最终是通过散热 器散发到外界空气中，因此，可以通过散热器的相关参数来计算冷却液带走的热量，可以参考下式：Q=CrMr(Tr，i n—7\，。

u t)=CaMa(Tra，i n—T\a，。

u t)=arArA T。

（3)式中：下标r和a表示高温冷却液和低温冷却空气，in和out表示流进和流出；M为冷却液和空气的质量流量;C为比热容；T为温度;^为散热器的传热 系数;A为散热器的有效散热面积。

4)废气带走的热量废气带走的热量可以由式(4)计算：exhaustexhaust exhaust # C p c H。

(4)J T〇式中：w x h aust为废气质量流量；cp为废气比热容；T\x h au st为废气温度；T。

为环境温度。

1.3 台架试验试验在1 〇〇〇〜6 000 r/min范围内选取11种 转速，间隔500 r/min，选取4种负荷率，分别为 25%，50%，75%，100%，共计44种工况。

通过调节 鼓风机来控制通过散热器的冷却风流量，从而确保 发动机出口冷却液温度保持在90 °C，同时节温器处 于全开状态，冷却液只流经大循环。

通过试验测得的数据有扭矩，功率，燃油消耗 量，进气质量流量，冷却液进出口的温度、压力和流 量，冷却空气，燃油和机油等的温度。

得到的全工况 下冷却液散热量-发动机转速-负荷率M AP图见图2。

图2全工况发动机热平衡M AP图2仿真模型的建立2.1发动机-冷却系统耦合仿真模型的搭建利用GT-Suite软件平台，分别搭建了发动机子 模型、燃烧室模型、冷却系统模型，并将这3个子模 型连接成一个整体模型，也就是发动机-冷却系统耦 合仿真模型（见图3)。

图3发动机-冷却系统耦合仿真模型2.2发动机-冷却系统耦合仿真模型的标定仿真计算工况设置：环境温度为25 °C，环境压 力为0.1 MPa，外界风速为0,车厢加热器关闭；发动 机转速和负荷率与试验保持一致。

以进气量、功率、扭矩、燃油消耗率、发动机进出口温度和冷却液流量 为标定参数，对发动机-冷却系统耦合仿真模型进行 标定。

标定结果见图4至图10。

由图4至图10可以发现，外特性仿真模拟计算 得到的性能指标曲线和试验曲线比较吻合，误差均 在10%以内。

2018年4月高干，等：基于N E D C 工况的发动机热管理系统匹配研究• 53 •图8发动机进口温度（外特性)380 r 试验值--仿真值370 -1000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000转速/r • min-1图6发动机扭矩(外特性）转速/r • min_1图7发动机燃油消耗率(外特性)1000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000转速/r • min-1图9发动机出口温度（外特性）图10发动机冷却液流量(外特性)2.3整车-发动机热管理系统仿真模型的搭建采用GT -Suite 软件中的GT -Drive 来搭建整车仿真模型，再将整车模型与前文所述的发动机-冷却 系统模型耦合得到整车热管理模型(见图11)。

丽ff 礙一……7#藤涵S ：—图11整车热管理模型1000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000转速/r . min-1图5发动机功率(外特性）160 140 120—试验值■-仿真值1000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000转速/r • min-1图4发动机进气量(外特性）—试验值 •-仿真值300■试验值^I~~斜3 33X /姻頰10h80h 60h 40h 20hS • M/坡钼0 0 0 0 0-06 5 4 3 2 1o oo o o5 05 0 5 2211.l /¥r ir• 54 •车用发动机2018年第2期105卩----散热器出口温度u0 200 400600800 1000 1 200时间/s图13发动机大小循环冷却液流量变化图14示出NEDC 循环中发动机缸内喷油量的变化。

通过该图可以计算整个NEDC 循环整车的燃烧消耗，以此作为后续零部件选型匹配时的经济 性评价指标。

1.2 r___ 畴、、/rtt 县 女2击11402.4原机NEDC 工况循环模拟图12示出NEDC 循环工况下散热器进出口冷却液温度变化情况。

开始时，由于冷却液仅依靠发 动机体内小循环进行散热，并不流经散热器，使得散热器出口温度等于环境温度27 °C，而散热器进口处 冷却液与发动机出口冷却液直接相连，温度具有一 致性。

节温器刚打开时，发动机出口处的髙温冷却 液与散热器内的低温冷却液混合，使得散热器出口 冷却液温度短时间内明显提高。

0 200 400600 8001 000 1 200时间/s图14发动机喷油量变化0 200 400600 8001000 1 200时间/s图12散热器进出口冷却液温度变化由图13可以看出发动机大小循环冷却液流量 变化情况:前340 s节温器并未开启，发动机机内小 循环流量等于总流量，大循环流量为〇。

340 s后， 节温器逐渐开启，大循环流量逐渐增加，待节温器完 全开启后，大循环流量等于总流量，小循环流量 为0〇热管理系统的匹配与优化3.1热管理系统评价指标现行的热管理系统评价指标主要有:冷却常数、 冷却系统最局许用温度（Tatb )、冷却系统能耗、冷却效率、功率系数和体积系数[15]。

利用这些评价指 标只能对热管理系统某一方面进行评价，无法对热 管理系统进行整体性评价。

本研究在原有指标的基 础上提出了一种基于车辆实际行驶工况的热管理系 统综合评价体系，用于评价实车运行环境下冷却系 统的性能。

1) 限制性指标限制性指标是指在极限环境条件和极限工况 下，发动机冷却液不过热，即冷却液温度不超过最高许用温度(若冷却液使用纯水，则规定水温一般不超 过100 °C)。

目标机型采用50%乙二醇水溶液作为冷却液，限定其冷却温度一般超过105 °C。

2) 冷却能力指标本研究参照国家标准GB/T12542—2009《汽车热平衡能力道路试验》，使用发动机极限工况下使 得冷却液达到105 °C时的冷却系统最高许用温度(T ATB )作为冷却系统冷却0旨力的评价指标，公式如下：了 ATB = 了 boil — 了 md + T a m b 。

（ 5 )式中：Tatb 为冷却系统最高许用温度；T y S 冷却液 最高许用温度；Trad 为散热器最高温度；T amb为环境温度。

3) 经济性指标本研究采用整车NEDC 循环工况下的燃油消耗量作为热管理系统进行选型匹配时的经济性指 标。

图15示出基于行驶工况的热管理系统评价体 系中经济性指标原理。