2017/12 总第 502 期发动机冷却系统匹配计算与仿真分析 1 李文跃 2 1 2, 周朋辉 ( 徐工集团 1. 江苏徐州工程机械研究院 ;2. 高端工程机械智能制造国家重点实验室, 江苏徐州 ) [ 摘要 ] 通过 AMESim 软件建立冷却系统的一维仿真模型, 进行发动机冷却

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谕准史
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1 2017/12 总第 502 期发动机冷却系统匹配计算与仿真分析 1 李文跃 2 1 2, 周朋辉 ( 徐工集团 1. 江苏徐州工程机械研究院 ;2. 高端工程机械智能制造国家重点实验室, 江苏徐州 ) [ 摘要 ] 通过 AMESim 软件建立冷却系统的一维仿真模型, 进行发动机冷却系统设定工况点的分析计算, 对备选散热器进行了校核计算, 并进行了整机热平衡试验验证为主机厂冷却系统零部件选型提供了参考 [ 关键词 ] 冷却系统 ; 匹配计算 ; 一维仿真 ; 热平衡试验 [ 中图分类号 ]TP319.9 [ 文献标识码 ]B [ 文章编号 ] X(2017) Matching calculation and simulation analysis of engine cooling system LI Wen-yue,ZHOU Peng-hui 冷却系统是发动机的重要组成部分, 其中散热器的散热性能直接关系到发动机的动力性与经济性在前期设计中, 冷却模块一般作为一个整体交由供应商进行设计, 后期通过整车热平衡试验验证冷却系统性能, 该方法周期长且耗费大量人力物力本文在查阅大量资料的基础上, 整理汇总了散热器前期设计可使用的理论计算公式, 方便设计人员对散热器进行初步校核计算 ; 同时运用 AMESim 软件建立冷却系统仿真模型, 模拟计算主机在设计工况下的散热性能并进行整机热平衡试验验证通过上述流程设计人员可更加准确的掌握散热器的技术指标, 在优选供应商的同时对主机备件提出更加严格的技术要求 [1,2] 1 设计任务某主机产品的发动机参数如表 1 所示表 1 发动机技术参数发动机型号发动机布置方式压缩比进气方式 6CTAA8.3-C260 6 缸直列 18 1 增压, 空 - 空中冷发动机额定功率 / 转速 /(kw/rpm) 194/2200 发动机额定功率工况燃油消耗率 /(kg/(kw h)) 冷却系统布置方式分为串联与并联两种方式, 若多个散热器沿空气流动方向依次排布, 称之为串联方式 ; 若多个散热器均布置在空气流动方向的同一垂直面上, 称之为并联方式根据空气流经风扇与散热器的顺序又分为吹风方式与吸风方式, 若冷却空气先经过风扇再经过散热器, 称之为吹风方式 ; 若冷却空气先经过散热器再经过风扇, 称之为吸风方式 [3] 现有 2 款散热器可供选择, 供应商提供的水散热器结构及设计参数如表 2 所示 2 发动机冷却系统校核计算 2.1 发动机散热量冷却系统散走的热量受许多复杂因素的影响, 很难精确计算, 初步估算可采用以下公式 : ge P hn = (1) 3600 式中 :φ 发动机冷却损失系数, 柴油机一般取 0.18~0.25; DOI: /j.cnki.cm [ 收稿日期 ] [ 通讯地址 ] 李文跃, 江苏省徐州市金山桥经济开发区驮蓝山路 26 号江苏徐州工程机械研究院传动技术研究所 CONSTRUCTION MACHINERY 67

2 g e 发动机燃油消耗率,kg/(kW h); P 发动机功率,kW; h n 燃料低热值, 对于柴油机该值为 41870kJ/kg 表 2 2 款散热器结构及设计参数对比散热器 A 散热器 B 布置方式串联吹风并联吸风散热器类型管带式板翅式散热器尺寸 / (mm mm mm) 热侧冷侧散热面积 /m 通道数冷却液流量 / (L/min) 散热器进水温度 / 散热器出水温度 / 通道数冷却空气流量 / (m 3 /s) 空气进入散热器时的温度 / 空气离开散热器时的温度 / 日本小松 KES 标准对发动机水冷系统带走的热量计算公式为 : KES =δ h u b N 10-3 (2) 式中 :δ 发动机冷却损失系数 ; h u 燃料低热值,KES 标准取 10320kcal/ kg; b 柴油机的燃料消耗率,g/(Ps h); N 柴油机的输出功率,Ps 分析可知, 公式 (1) 与公式 (2) 采用的计算方法相同, 区别仅在于参数所用单位不同而已为便于论述, 下面所述公式中, 下标 1 代表进口, 下标 2 代表出口 ; 下标 w 代表冷却液, 下标 a 表示空气 2.2 冷却液流量根据热平衡公式计算冷却系统所需要的冷却液流量 : qw = p c t t w w w1 w2 式中 : 发动机散热量, 该值由公式 (1) 计算得到,kW; ρ w 冷却液密度,95 时冷却液的密度为 kg/m 3 ; c w 冷却液比热,95 时冷却液的比热为 3.64kJ/(kg ); t w1 冷却液进水温度, ; t w2 冷却液出水温度,, 冷却液进出口温差一般取 6~ 冷却空气流量 qa = c t t a a a1 a2 式中 : 发动机散热量, 该值由公式 (1) 计算得到,kW; ρ a 空气密度,kg/m 3 ; c a 冷却空气比热,kJ/(kg ); t a1 冷却空气进入散热器前的温度, ; t a2 冷却空气进入散热器后的温度,, 冷却空气进出口温差一般取 (10~30) 2.4 散热面积 3600 A= 4.18 K tm 式中 : 由公式 (1) 计算得到的发动机散热量,kW; K 散热器的传热系数,kcal/(m 2 h ); Δt m 修正对数温差, (1) 散热器传热系数计算散热器中冷却液与空气进行热交换的过程, 可以分解为 3 个阶段 : 冷却液与管壁的对流换热过程散热管的热传导过程管壁与空气的对流换热过程 ; 因此, 散热器的散热系数可由以下公式进行计算 : 1 K 1 1 h h b b a 68 建筑机械

3 2017/12 总第 502 期式中 :h b 冷却液与管壁的对流换热系数, 冷却水流速为 0.2~0.6m/s 时, 约为 (2000~3500)kcal/(m 2 h ); λ b 纯铝的导热系数, k c a l / (m 2 h ); θ 散热器管的厚度,m; h a 散热管到空气的散热系数, 当流过散热管的空气流速为 (10~20)m/s 时, 为 (60~105)kcal/(m 2 h ) (2) 修正对数温差沿传热表面的平均温差在传热学中已有详细推导, 此处不再赘述 ; 由于推导出的平均温差表达式中含有对数, 故称为对数平均温差区别于热力学中简单的顺流与逆流换热形式, 工程机械用冷却系统的冷却方式为两种流体均不混合的叉流型换热, 计算时, 先按逆流型计算出对数平均温差 Δt 1m, 再乘以温度修正系数 α 计算得到修正对数温差 Δt m α 的取值可根据图 1 查表求得, 其中 ta2 ta 1 tw 1 tw2 P R t t t t w1 a1 a2 a1 t 1m 2.5 理论校核计算 t t t t w2 a1 w1 a2 t ln t t t w2 a1 w1 a2 Δt m =α Δt 1m 根据表 1 中发动机额定工况下的技术参数, 运用公式 (1) 计算得到冷却系统散热量为 107kW, 根据表 2 表 3 中所提供的散热器设计参数分别计算冷却系统中冷却液流量冷却空气流量与散热面积, 并与供应商设计值进行比较, 结果见表 4 表 5 ψ R = P 图 1 两流体均非混合的单流程叉流型换热器修正值表 4 散热器 A 设计与计算分析比较参数设计值计算值判定冷却液流量 /(L/min) 不满足冷却空气流量 /(m 3 /s) 不满足散热面积 /m 不满足表 5 散热器 B 设计与计算分析比较参数设计值计算值判定冷却液流量 /(L/min) 满足冷却空气流量 /(m 3 /s) 满足散热面积 /m 满足由上述分析结果可知, 散热器 A 水流量与散热面积远小于设计要求, 若在整车装配使用易导致发动机开锅现象, 有发动机过热隐患 ; 散热器 B 采用了并联吸风的布置方式, 进风温度低且冷却模块阻力小, 所需风量较小, 其各项参数满足设计要求 3 AMESim 一维仿真验证与分析 3.1 散热器单体性能试验利用散热器风室实验台, 分别对两款散热器进行散热性能试验依据文献 [4] 中的试验方法及标准测试散热器在不同流量和风速下的散热性能试验时分别取其热侧和冷侧各 4 个工况点, 热侧 4 个水流量工况点分别为 :200L/min 240L/min 280L/min 320L/min, 冷侧 4 个风速工况点分别为 :4m/s 6m/s 8m/s 10m/s 试验时首先将水流量稳定在一个工况点, 逐点变更风速, 待热平衡稳定后测量各参数, 然后更换另一个水流量工况点, 按上述顺序变更风量, 直至完成所有测试, 试验共获得 16(4 4) 组数据 3.2 一维仿真模型建立利用多学科高级仿真平台 AMESim 建立冷却系统仿真模型, 分别调用热液压库冷却系统库热交换器库以及信号库的部分元件, 建立包含水散热器水泵风扇等在内的仿真模型, 系统中部件的连接与实际冷却系统连接方式一致, 如图 2 所示 CONSTRUCTION MACHINERY 69

4 其中, 发动机体可以看作一个热源, 直接给定散热量, 散热器性能参数通过台架实验获取, 水泵和风扇的特性曲线由供应商提供根据发动机冷却系统设计参数, 设定模拟计算工况, 由于两款散热器布置方式不同, 环境温度设定略有差异, 具体如表 6 所示 HEAT Stack PRESSURE run stats MOT [degc] X:Time/s 80 散热器 A 散热器 B 100 φ Liq. MOT 图 2 AMESim 一维仿真模型表 6 仿真计算工况参数散热器 A 散热器 B 发动机散热量 /kw 发动机转速 /(r/min) 风扇与发动机传动比水泵与发动机传动比环境气压 /bar 1 1 环境温度 / 仿真结果及分析本文主要以仿真结果输出的散热器进口温度作为评价冷却系统散热性能的依据系统模拟得到的散热器进口温度如图 3 所示, 散热器 A 进口温度为 119.7, 而发动机冷却液进口温度要求小于 100, 故冷却系统配置不合理, 应选用散热效率更高散热能力更强的散热器 ; 散热器 B 进口温度为 99.4, 低于发动机设计要求 100, 满足设计要求 4 整车热平衡试验验证及分析分别将两款散热器装配在样车上进行整车热平衡试验试验时分别在热侧布置温度压力及流图 3 散热器进口温度变化曲线量传感器, 冷侧布置风速及温度传感器, 测试涵盖进水温度出水温度冷却液流量进风温度出风温度风扇转速等 10 余项 20 余个测试参数测试时操控样车进行循环打水试验, 以模拟实际作业工况, 部分试验测试数据见表 7 表 7 热平衡试验测试结果参数散热器 A 散热器 B 散热器进口温度 / 散热器出口温度 / 冷却液流量 /(L/min) 风扇转速 /rpm 风扇直径 /mm 环境温度 / 由整车热平衡试验结果可知, 散热器 A 在试验工况下连续作业 1h, 散热器进口温度已升高到 98.79, 而此时环境温度仅为 23.4 ; 根据经验推断, 环境温度升高 1, 散热器进口温度也随之升高 1, 若用户在夏季高温 33 环境温度下使用, 散热器进口温度则会高达 108, 导致发动机严重的开锅现象, 影响工作效率, 因此, 该散热器散热能力不足散热器 B 在测试工况内连续作业, 散热器进口温度升至即不再发生变化, 整车达到热平衡状态, 该温度处于发动机合理工作范围 85 ~95 内 [4], 满足设计要求 5 结论 (1) 本文汇总整理了冷却系统理论计算方 ( 下转第 74 页 ) 70 建筑机械

5 2 2 c v 0.23% n1 z (14) 1 2 e 3% 当 n 1 =1 时, 采用 95% 的置信水平, 将 n 1 加 2 或 3 就可得到本次试验参数重复测量的样本容量为 3 或 4 次为了提高标定效率, 降低成本, 通常进行 3 次测量即可 5 结论通过对间歇式沥青搅拌设备冷料流量标定过程中参数测定样本容量的研究发现, 对于皮带长度时间等参数的测量以 3 次为最佳这样不仅能使试验数据误差控制在规定要求的误差之内, 也提高了冷料流量标定效率 [ 参考文献 ] [1] 李鹏祥. 随机抽样中必要样本容量的确定 [J]. 赤峰学院学报 : 自然科学版,2009,25(9): [2] 刘爱芹. 随机抽样中样本容量确定的影响因素分析 [J]. 山东财政学院学报,2006,107(5): [3] 方涛, 姚应生. 夏皮罗威尔克方法对不等精度观测列正态性的检验 [J]. 矿山测量,1990,106(2): [4] 陈新轩, 宋丽娟, 陈宏业, 等. 间歇式沥青搅拌站自动标定系统的研究 [J]. 筑路机械与施工机械化, 2016,393(9): [5] 周智勇, 刘洪海. 间歇式沥青搅拌设备冷集料仓流量标定法 [J]. 建设机械技术与管理,2015,336 (12): [6] 乔俊峰, 周智勇, 刘洪海. 基于统计分析的水泥滴定最小样本容量确定方法 [J]. 公路交通科技 : 应用技术版,2012,86(2): [7] 贺建风, 刘建平. 多指标抽样的样本容量设计方法 [J]. 统计与决策,2008,17(2):5-7. [8] 张福良. 正态检验 - 图法的程序设计 [J]. 沈阳药学院学报,1993,435(4): [9] 张纪泉. 总体分布的正态性检验介绍夏皮罗一威尔克的 W 检验法 [J]. 中国纤检,1982,15(5): [10] 邱永甲, 郭旺周. 一种错误的误差传递公式 [J]. 物理实验,1991,140(4):161. [11] 吴文旺. 系统误差传递公式的适用范围及其完善 [J]. 石家庄铁道学院学报,1991,40(3): ( 上接第 70 页 ) 法, 运用该方法, 对现有的两款散热器进行了初步校核计算, 计算结果表明 : 散热器 A 不满足设计要求, 散热器 B 满足设计要求 ; 通过理论计算考察了散热器的技术指标, 为散热器选型提供了指导 (2) 利用 AMESim 软件模拟计算了两款散热器在设定工况下的散热性能, 通过数值模拟的方法对冷却系统进行了研究, 缩短开发时间降低开发成本 (3) 理论分析一维模拟计算与整车热平衡试验结果一致, 验证了分析方法的有效性, 该方法可推广应用至整车开发流程中 [ 参考文献 ] [1] 李朝阳. 发动机冷却系统匹配仿真研究 [J]. 柴油机设计与制造.2017 [2] 张秉坤. 基于 AMESim 发动机冷却系统的参数匹配仿真分析 [J]. 机械设计与制造.2016 [3] 张奥. 工程机械散热器传热特性分析 [D]. 吉林大学.2013 [4]JB/T 内燃机水散热器技术条件 [S]. 74 建筑机械

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自然科学版预处理视盘粗定位视盘垂直坐标的粗定位视盘水平坐标的粗定位自然科学版文章编号视网膜图像中视盘的快速自动定位方法赵晓芳林土胜李碧摘要基于眼底视网膜血管的分布结构及视盘本身的特点提出一种快速自动定位视盘的方法首先根据视网膜血管的网络分布结构大致定位视盘的垂直坐标然后根据视盘的亮度信息及视盘与血管的关系来定位视盘的水平坐标最后把视盘限定在以粗定位的视盘为中心的一个小窗口内用变换精确定位视盘中心该方法不需要事先分割视网膜血管也不需要对算法进行训练