整车热管理系统研究

整车热管理系统研究同济大学汽车学院倪计民博士、教授**整车热管理•车辆热管理系统(VTMS,VehicleThermalManagementSystem)--整车的流场研究。主要研究发动机舱的冷却系统和驾驶室（车厢）的人员环境的舒适性。•发动机热管理系统（ETMS,EngineThermalManagementSystem)主要是以冷却介质流动为基础，研究在提高发动机的冷却能力的同时，保持发动机良好的动力性、经济性、排放性能和可靠性。同时还涉及到发动机冷却系统零部件的设计。**与热管理相关的车辆子系统**汽车热管理开发过程**热管理模拟的各个部分**目前在用软件Kuli：特点：--整车和发动机开发中心开发的软件，实用--整体考虑整车、发动机、冷却系统（散热器、热交换器、风扇）零部件，可以在热管理平台上优化各系统和零部件--技术支持：Magna中国技术中心同济大学Flowmaster：特点：--通用性强，尤其是在管路计算方面--对于整车、发动机、零部件整合不理想--汽车、内燃机专业人员支持力量不够**Kuli软件的功能群**Kuli软件功能和参数（发动机舱）**软件的应用实例整车厂发动机厂零部件厂整车热管理平台开发和研究**整车热管理所涉及的专业和部门**热管理—不同的冷却系统模型（参数和边界条件）1.整车设计1）冷却空气侧建模（1）空气侧模型**乘用车冷却空气流动模型**冷却空气外流场参数定义和测量**双隔栅冷却空气外流场参数定义和测量**空气侧的流动模型（可能布置方式）**冷却空气流动模型**冷却空气侧计算网络**一款柴油机轿车空气侧模型**AudiA8V8TDI空气侧冷却系统示意图**空气侧和传热模型（2）数据测量（试验台）**结构阻力曲线测量试验台**结构阻力特征线测量数据模式**面积阻力的阻力特性曲线**BorgWarner冷却系统公司LKW试验台**BorgWarner冷却系统公司LKW试验台2）带乘员室环境舒适性的空气侧模型**带乘员室空气调节的空气流网络**总模型**应用于PKW的模拟计算模型**空气流通通道示意图**带通风的空气对流模拟计算模型**车身模型**带和不带车厢加热的冷却循环压力损失**带发动机的加热循环**带前、后Modul的冷却介质循环**PTC运行特征和模拟计算模型**热气运行模拟计算模型（HGC）**热泵循环模拟计算模型3）带空调的空气侧模型在PKW中，空调对舒适性有很大影响，**空调循环示意图**空调循环过程**空调和车辆冷却模型**冷却系统和空调的模拟计算模型**空调系统模型2.冷却零部件1）散热器（水箱）热功率特性曲线（Nesselt数与Reynold数和Prandt数之间的关系）**散热器工作点与车辆运行工况点的对应关系（由此可以进行散热器工况点优化）2）风扇特性曲线**测量的和无量纲化阻力特性曲线**冷却水泵和风扇在全耦合时对油耗的影响**风扇特性测量试验台在PKW和LKW中，风扇的耗能是不一样的，PKW可以忽略，但是在LKW中需要特别重视。**风扇试验台和数据处理**风扇运行工况点确定**考虑通过风扇功率变化适应发动机运行工况点变动的模拟计算模型**粘性风扇**风扇接合控制策略**风扇接合控制策略**耦合器的结合和脱离转速**粘性耦合器的结合特性**粘性耦合器和风扇扭矩特性场**压力与空气流关系**风扇功率与流率的关系图4风扇与流率的关系**无量纲的风扇性能**不同风扇的风扇功率和散热器性能**发电机效率特性场（高级车专用）**发电机集成到模拟计算模型中3.发动机热流**发动机散热分析**发动机冷却介质循环**所应用的发动机热模型示意图**用冷却水冷却增压空气的NT冷却系统1）稳态（1）模型**早期用Flowmaster软件的模拟模型**稳态工况商用车冷却系统模拟计算模型**冷却介质内循环模型**稳态模拟计算时的液态循环**流体循环**模型和数据输入格式**发动机传热特性场，按照汽车特性场来确定（2）稳态试验2）动态模型（1）质量模型**按照最高车速（250km/h）设计冷却系统时，在低速全负荷加速时出现短暂的冷却能力不足状态：通过无级变速箱使得发动机在优化的功率范围内加速**2-质量发动机模型**4-质量模型**发动机模拟计算模型**发动机模拟计算模型**发动机5质量热流模型**瞬态模型**瞬态模拟模型（1.PM、2.PM（Punktmasse）为质量）3）动态试验**动态试验**汽车热管理瞬态模拟图**车辆瞬态模拟框图**行驶模拟**稳态工况和动态工况计算4）动态模型验证所有动态模拟计算都需要试验支持**基本标定的散热特性（测量和模拟计算）**在突然爬坡14.5%，车速66km/h时温度上升变化情况**验证—循环加速和刹车，120km/h后等速行驶**在负荷跳跃式交变时的冷却水温度变化过程4.优化匹配计算分析**不同的冷却系统方案优化**不同的冷却系统方案优化**参数变化优化使用不同的参数会导致不同的结果，KULI最大的优势是能够轻易地改变一些实际测试中不易改变的条件，从而进行多样性的试验，而无须更大成本的投入，而能进行优化设计。尤其是能发现热系统中最薄弱的环节，并且能实现系统的最优化。环境温度环境温度[℃]注释发动机出水温度[℃]20较低环境温度69.1630本次模拟78.2440较高环境温度88.31•基于模拟条件的变化行驶速度车速[km/h]注释发动机出水温度[℃]10低速行驶78.5130本次模拟78.2450高速行驶77.73•基于元件参数的变化（阻力和散热器）1.BiR文件注释[pa]at1m3/s发动机出水温度[℃]ExTRUCK30.ew△p=3076.22ExTRUCK40.ew△p=4078.24ExTRUCK50.ew△p=5080.32ExTRUCK60.ew△p=6082.12ExTRUCK70.ew△p=7083.841.RAD高度[mm]注释发动机出水温度[℃]700减小高度79.48800原高度78.24•基于元件参数的变化（风扇）1.MFan风扇直径[mm]注释发动机出水温度500减小直径93.12[℃]600原直径78.24[℃]Fan风扇转速在发动机2000r/min下的风扇r/min注释发动机出水温度[℃]2400低传动比79.842500原传动比78.242600高传动比77.29•基于工况点的变化发动机热量散热量[kw]注释发动机出水温度[℃]110低散热量74.53120原散热量78.24130高散热量82.222DFlowchar.curve内部流量[l/min]注释发动机出水温度[℃]180小水泵79.56200原水泵78.24220大水泵77.38运行工况冷却水最高温度℃进气最高温度℃润滑油最高人口温度爬坡+挂车30km/h30℃120Tu+25=5550**部分负荷180km/h50℃120Tu+25=75180最高车速230km/h50℃120Tu+25=753300**建立平台后，可以从一个车型—另一个车型：PKW--SUV**PKW试验边界条件模拟参数爬坡+挂车部分负荷最高车速环境温度℃305050车辆行驶速度km/h30180230发动机转速r/min250033004200冷却水循环冷却功率kW356080冷却介质流量5080120增压空气循环LL-流量kg/h250400700介质温度℃130150180ATF-润滑油循环ATF流量l/min71014ATF热流kW447**PKW基本模型的热交换器布置**SUV试验边界条件模拟参数爬坡+挂车最高车速环境温度℃3050车辆行驶速度km/h30180（*）发动机转速r/min3000（***）4200冷却水循环冷却功率kW50（**）80冷却介质流量kg/h70120增压空气循环LL-流量kg/h360700介质温度℃150180ATF-润滑油循环ATF流量l/min1014ATF热流kW10（***）8（****）**SUV基本模型的热交换器布置**方案优化**方案优化**优化计算（乘员室热特性，电加热，从室外-20℃开始）**优化设计（热气循环和热泵驱动热特性，从室外-20℃开始）**10min和20min后乘员室的平均温度**不同车辆的油耗**不同装置的附加油耗5.与其它软件和CFD的耦合**0D-，1D和3D模拟工具**与3DCFD数据的连接**1D和3D计算过程的耦合**风扇位置对冷却器中冷却水温度的影响**模拟软件耦合研究具体内容：（1）用Kuli软件建立车型和发动机的热管理计算模型（2）与整车及零部件企业建立合作关系，收集相关零部件的试验数据（3）建立与热管理计算和设计相关的发动机试验系统、整车和零部件试验系统——发动机试验台架的改建、制定试验大纲、处理和分析试验结果——整车空气流动特性测量——零部件（冷却器和风扇）试验，通过与零部件企业合作获得试验数据（4）将试验结果与计算结果（主要是关键点的温度）进行对比，以检验模型的准确性（5）在与整车厂和零部件企业协调情况下，进行整车和发动机热管理系统的优化设计，包括：——对原车型热管理系统进行性能评价——发动机舱空间和零部件位置对发动机冷却的影响和优化——冷却器和风扇的特性和设计对发动机冷却的影响和优化——在发动机舱、冷却器和风扇确定的情况下，发动机冷却系统的优化设计——整车、发动机、冷却系零部件的集成优化匹配（6）优化方案的验证（7）建立整车和发动机热管理开发平台（模拟计算和试验系统、开发流程）谢谢！