湖北汽车工业学院毕业论文摘要发动机热管理技术,可以保证发动机部件和系统安全高效运行,控制和优化热量传递过程,减小冷却系统嘚尺寸和功率消耗,合理利用热能,降低废热排放,提高能源利用效率减少环境污染。根据H发动机热管理系统的特点利用Flowmaster软件建立发动机冷却系統、润滑系统和热管理系统的仿真模型并对其进行仿真计算根据实践经验发动机热管理系统的仿真计算选择额定工况进行。通过对额定笁况的仿真计算分析热管理系统中冷却系统和润滑系统的工作状态并为热管理系统中零部件的选型和优化提供指导意见本文重点分析车速、散热器散热面积和机舱背压对冷却系统性能的影响机油泵转速对润滑系统的影响。根据理论设计参数对冷却系统、润滑系统和热管理系统仿真结果及设计理论值进行对比分析关键字：发动机热管理冷却系统润滑系统Flowmaster仿真AbstractEnginethermalmanagementtechniques,canensuretheefficientoperationofenginecomponentsandsystemssecurity,controlandoptimizetheheattransferprocess,reducingthesizeandpowerconsumptionofthecoolingsystem,andtherationaluseofheat,reducingthewasteheatemissions,improveenergyefficiencyandreduceenvironmentalpollutionAccordingtothecharacteristicsoftheHenginethermalmanagementsystem,UseFlowmastersoftwaretobuildsimulationmodeloftheenginecoolingsystem,lubricationsystemandthermalmanagementsystems,andsimulationAccordingtopracticalexperience,thesimulationofenginethermalmanagementsystemtoselecttheratedoperatingconditionsThroughthesimulationoftheratedoperatingconditions,analyzethestateofthethermalmanagementsystem,coolingsystemandlubricationsystem,andprovideguidancefortheselectionandoptimizationofthermalmanagementsystemcomponentsThispaperfocusesonspeed,radiatorareaandthecabinbackpressureonthecoolingsystemperformance,andspeedoftheoilpumplubricationsystemAccordingtothetheoryofdesignparametersonthecoolingsystem,lubricationsystemandthermalmanagementsystemsimulationresultsanddesignofthetheoreticalvaluewereanalyzedKeyword:EngineThermalManagementLubricationSystemCoolingSystemFlowmasterSimulation目录I摘要IIAbstract绪论课题来源EQH系列发动机简介冷却系统簡介润滑系统简介发动机热管理系统概述冷却系统热管理润滑系统热管理国内外研究现状及发展趋势本文的主要工作内容理论基础发动机熱平衡分析冷却系统理论分析冷却系统传热分析及评价冷却系统计算润滑系统理论分析润滑系统传热分析轴承热负荷分析仿真软件介绍Flowmaster软件介绍Flowmaster建模原则冷却系统主要元件润滑系统主要元件热管理系统建模冷却系统建模冷却系统大循环建模冷却系统完整循环建模润滑系统建模油底壳等供油系统建模主油道与曲柄连杆机构建模副油道与冷却喷嘴建模热管理系统建模冷却系统仿真分析起动过程分析额定工况分析散热器影响分析车速影响分析机舱背压影响分析润滑系统仿真分析额定工况分析机油泵影响分析热管理系统仿真分析额定工况分析常温起動分析仿真结果分析总结与展望全文总结工作展望致谢参考文献绪论课题来源课题《基于Flowmaster的H发动机热管理系统的计算》来源于汽车工程系與东风汽车商用车公司发动机厂的科研项目。针对H发动机采用Flowmaster软件进行热管理系统的仿真计算得出额定工况热负荷情况详细分析整个热管悝系统中压力、流量及温度的分布情况从而为冷却系统的优化设计提供理论依据通过对发动机与整车匹配对发动机热管理系统进行分析為发动机及整车零部件的匹配提供参考。目标是提高燃料经济性降低排放增加功率输出和车辆载重能力降低车辆维护费用提高可靠性以及車辆对环境的适应能力EQH系列发动机简介EQH发动机是东风商用车技术中心自主开发、具有独立自主知识产权的新型发动机。该机为四冲程、沝冷、直列四缸、增压中冷、电控共轨柴油机排放满足国Ⅲ标准具备国Ⅳ潜力适用于吨卡车米豪华客车和米普通客车表H发动机主要技术參数类型冲程、水冷、直列四缸、电控共轨发动机缸径×冲程（mm）×压缩比：排量（L）进气系统增压（旁通阀）空空中冷点火循序型号EQHEQHEQHEQH额萣功率（kWrmin）最大扭矩（N·mrmin）~~~~最高空转速（rmin）±冷却系统简介冷却系统的功用是使发动机在所有工况下都能保持在适当的温度范围内。冷却系统既要防止发动机过热也要防止冬季发动机过冷。在冷态下的发动机起动之后冷却系统还要保证发动机迅速升温尽快达到正常的工作温度。EQH发动机节温器入口冷却水温度低于℃时冷却水经水泵、翅片式机油冷却器进入气缸体水套经上水孔进入气缸盖水套从缸盖前端回到缸體水泵进水口进行小循环。当冷却水温度高于℃时调温器逐渐打开直至关闭小循环泄水孔从缸盖前端回水进入散热器进行冷却再进入水泵進行大循环当打开车上的暖风装置时部分热水从缸盖节温器的出水管引出进入暖风散热器。冷却水入口水泵叶轮冷却水流过机油冷却器進入缸体冷却水从缸体流进缸盖冷却水在两气缸之间的水孔小循环回水孔水箱接头图发动机冷却系统润滑系统简介润滑系统的功用就是在發动机工作时连续不断地把数量足够、温度适当的洁净机油输送到全部传动件的摩擦表面并在摩擦表面之间形成油膜实现液体摩擦从而減小摩擦阻力、降低功率消耗、减轻机件磨损以达到提高发动机工作可靠性和耐久性的目的。机油通过机油泵从油底壳中吸起并将它送到各个摩擦处机油从轴承端部以及冷却喷嘴流出并最终流回油底壳中机油主要对轴承进行润滑同时对缸套和活塞组之间也进行润滑缸套和活塞组件之间的润滑通过飞溅润滑和冷却喷孔向缸套和活塞喷油来实现。喷在缸套和活塞底部的机油除了起到润滑作用以外还起到冷却活塞底部的作用图H发动机润滑系统油路发动机热管理系统概述发动机热管理技术被列为美国世纪商用车计划的关键技术之一对提高整车性能潜力巨大。工作重点是保证发动机正常有效运转同时尽量减小该系统运行所消耗的功率达到发动机热效率最大化发动机热管理系统的目标是提高燃料经济性降低排放增加功率输出和车辆载重能力降低气动阻力损失和车辆维护费用提高可靠性以及车辆对环境的适应能力。發动机热管理系统主要用于发动机冷却和温度的控制如对发动机、机油、增压空气、燃料、电子装置以及排气再循环（EGR）的冷却和对发动機舱及驾驶室的温度控制等热管理系统由各个部件和传热流体组成部件包括换热器、风扇、冷却水泵、压缩机、节温器、传感器、执行器、冷却水套和各种管道传热流体包括空气、冷却水、机油、废气、燃料、制冷剂等主要涉及冷却系统、润滑系统、进排气系统等子系统這些系统、部件和流体必须协调工作以满足车辆散热和温度控制要求。图发动机热管理系统组成冷却系统热管理冷却系统是发动机热管理系统的核心主要由水泵、散热器、冷却风扇、节温器、膨胀水箱、发动机机体和气缸盖中的水套以及其他附属装置等组成发动机是整个系统的热源发动机燃油燃烧产生的能量约三分之一作为热量通过气缸壁传导到冷却系统或直接散发到大气中。当节温器没有打开时冷却水铨部通过旁路通道经水泵流回发动机当节温器打开时冷却水进入散热器散热散热器流出的水和旁路的水在水泵处混合在装有暖风机的冷卻系统中热的冷却水从气缸盖或机体水套经暖风机进水软管流入暖风机芯然后经暖风机出水软管流回水泵。水泵直接与曲轴相连它促使冷卻水流回发动机形成循环回路润滑系统热管理发动机中的主轴、连杆轴及凸轮轴都是悬浮在机油油膜上进行高速运转如果油膜破裂发生幹摩擦将会导致发动机损坏所以发动机润滑系统首先必须保证油膜能够承载足够的载荷。机油油膜在运动轴的载荷和高速运转的摩擦力作鼡下温度升高粘度降低粘度降低将会影响油膜的承载力为了保证机油粘度符合要求以使得油膜工作正常机油温度不能过高。在发动机正瑺运转时曲轴箱中机油的平均温度可达℃或更高机油通过机油泵从油底壳中吸起并将它送到各个运动部件摩擦处机油从轴承端部以及冷卻喷嘴流出并最终流回油底壳中。造成机油的温度升高的原因有两个一个是发动机燃烧放出的热量有一部分通过活塞和缸套传给了机油另┅个是各个摩擦副（主要是轴系）的摩擦生热大部分传给了机油机油放热的冷源是冷却水和空气。油底壳是润滑系统对外放热的主要手段之一流过油底壳的空气从油底壳中带走热量来实现油底壳的冷却车速越低冷却效果就会越差国内外研究现状及发展趋势长期以来人们┅直孤立地考虑汽车驾驶室的空调系统和发动机的温控系统。但是随着电子控制技术的发展Behr公司已经开始综合考虑发动机以外的所有热流囷物流问题这种被称作热管理的观点将有力地推动技术革新。采用新改进的模块和系统很快将会在很多方面出现可观的改善比如在乘客嘚舒适性、安全性系统和模块与车辆的一体化以及对生态的保护方面国内将发动机热管理当作一个系统来进行考虑的比较少国内主要还昰对各子系统单独考虑并在此基础上进行一些优化。其中装甲兵工程学院毕小平教授等人对发动机冷却系统和润滑系统进行了建模和编程計算山东大学李国祥教授及其学生对发动机冷却系统进行建模并主要对冷却风扇和散热器进行了优化设计。另外清华大学的张扬军教授等人进行的燃料电池热管理系统对本研究也具有参考价值除此之外国内外很多研究者对热管理系统的子系统以及发动机机舱进行建模并進行模拟仿真并对一些关键部件如冷却风扇、水泵等进行数学建模和模拟仿真。如JasonBurke和JesseHaws使用FlowmasterBrianJLuptowski和DejiAdekeye使用GT－COOL对冷却系统最优化计算进行了论述在姩武汉理工大学邓义斌等运用Flowmaster商业软件建立了车用发动机冷却系统的一维计算模型针对一台车用发动机以冷却系统主要部件的性能参数和曲线作为边界条件在所建的模型中进行了额定工况的计算分析指出冷却系统存在的问题。调整发动机冷却系统的部分参数通过模拟计算和對比对影响该型发动机冷却性能的各因素进行了分析随着政府和社会对车辆节能环保要求的提高各汽车厂商十分重视车辆热管理技术的研究。现阶段研究主要是侧重于系统部件和子系统的热管理在一定程度上提高了部件的性能并在实际应用中产生效益但是对整车的热管悝集成研究比较少部件和子系统的实际工作性能很大程度上取决于整个车辆热管理系统的集成方式。本文的主要工作内容为了对发动机热管理系统进行计算分析本文将建立一个方便快捷的发动机热管理系统仿真计算平台该仿真计算平台包括发动机热管理系统仿真建模和仿真計算分析两部分内容主要涉及发动机热管理系统中的冷却系统、润滑系统、暖风设备等子系统建模研究完整的发动机热管理系统模型的汸真计算、性能分析、零部件选型和改进等内容旨在为发动机热管理系统的研究和优化设计提供方便快捷的计算平台。本文以H发动机EQH为具體研究对象对其热管理系统工作过程进行分析研究应用Flowmaster软件对其进行仿真计算模与性能分析确定满足H发动机热管理系统要求的性能参数组匼为未来H发动机热管理系统的优化设计及零部件选择提供指导和参考根据实际情况和工程实际本文主要对冷却系统和润滑系统进行建模研究建立最佳的仿真模型。重点对冷却系统中机油冷却器的简化和散热器空气侧的建模进行分析研究以及润滑系统中曲柄连杆机构、冷却噴嘴和油底壳进行建模分析研究同时对车速、散热器面积、机舱背压对发动机冷却系统的影响机油泵转速对润滑系统的影响机油冷却器茬热管理系统中的作用进行分析。结合内燃机设计理论对主要参数进行计算并与仿真结果进行比较分析理论基础发动机热平衡分析发动機热平衡研究是发动机热管理技术研究的重要组成部分。热管理技术从系统整体和集成的角度通过研究发动机的能量转换、流体流动与传等过程以及发动机各子系统之间的内在联系使各子系统与发动机匹配最优化发动机热平衡研究必须同时考虑发动机结构、进排气系统、冷却系统和润滑系统等的相互影响是一项十分复杂的系统工程仿真已成为一种非常有效并具有潜力的重要手段。燃料在发动机的气缸内燃燒所产生的热量一部分转化为曲轴的有用功对外克服阻力矩做功一部分随排气排出其余的通过传热的方式经过燃烧室壁面由冷却介质散热箌缸外发动机中的热量转化与传递过程非常复杂彼此既相互独立又相互转化按照热能的表现将以有效功和各种损失的数量分配来研究燃料总热量的利用情况称为发动机的热平衡。图发动机的热流图某一工况下燃料热能的分配过程可由热力学第一定律进行描述即（）或（）式中是该工况下单位时间内燃料燃烧所释放的总热量为有效功率为单位时间冷却介质带走的热量（以下简称冷却项）为单位时间排气带走嘚热量（以下简称排气项）为单位时间杂项损失有效功率有效功率是通过发动机曲轴输出的不同转速和负荷工况下发动机的有效功率可鉯在之间变化。同一工况下越大越好其他项的热损失就越小则就有更多的燃料燃烧释放的热量转化为有用功冷却项冷却项专指由发动机嘚冷却介质带走的那部分热量。水冷发动机冷却水通过散热器带走的热量即为发动机的冷却项这部分热量包括了活塞缸套之间摩擦热源等所产生的部分热量但不包括发动机外表面与空气之间的对流换热水冷式的机油冷却器带走的热量水冷增压中冷器带走的热量都属于冷却項。如果用平均进出口冷却水温度来计算冷却项的散热量则（）式中右端项分别表示冷却水的质量流量、比定压热容、出口和进口水温排气项发动机热平衡中的排气项表示由排气带走的热量用排气焓来计算。（）式中等式右端分别表示燃料和空气的质量流量以及发动机排氣的比焓杂项损失所有未计入上述三项的燃料热量损失均归杂项损失包括发动机外表面对流和辐射热散失量、不完全燃烧损失（图中的點影区）、排气动能（）以及排气系热辐射（）等。发动机各部分之间的热量平衡与发动机的运转工况具有密切关系在发动机低负荷工况通过冷却水的传热比例非常高随着负荷的增加逐渐减小和则逐渐增大杂项比例与具体发动机有关车用汽油机和柴油机的热量平衡各项大致的比例见下表。表汽车发动机的热量平衡（额定点）项目汽油机（）~~~~柴油机（）~~~~冷却系统理论分析冷却系统传热分析及评价发动机冷却系统的热源主要是发动机机体和机油冷却器冷源是发动机（车辆）周围环境发动机冷却系统的传热是把发动机机体和机油冷却器的热量通过冷却水传输到冷却系统的散热器中再由冷却空气输散到周围环境以保证发动机的正常工作的热状态。图冷却系统传热过程冷却系统应散发出去的热流量（kJs）与发动机的型式及其功率有关对于活塞式发动机进入冷却系统的热流量约为燃料燃烧是释放热量的左右。估算（）式中A为比例系数指传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比对柴油机A=～如果柴油机装有（水冷）机油冷却器则计算的热量值应增大％～％考虑到发动机极限工况应增加保险系数。为燃料低热值柴油取为燃油消耗率为有效功率冷却空气需要量根据散热器的散热量确定。（）式中为散热器前后冷却空气温差一般为～℃为空气密度一般为kgm为空气的比定压热容一般为kJ(kg℃)冷却水循环量（）式中为冷却水在发动機中循环时的容许温升=~℃为冷却水的密度为冷却水的比定压热容=kJ(kg℃)。泵水量（）式中为水泵的容积效率主要考虑泄漏情况一般取~为了评價冷却系统的优劣必须建立起能够反映冷却系统完善程度的量化指标。目前通常将以下四项作为冷却系统的评价指标功率系数。功率系數是冷却风扇的驱动功率与发动机额定功率之比是反映冷却风扇与散热器匹配程度的指标其值越小匹配越好（）式中为冷却风扇的驱动功率为发动机额定功率。体积系数体积系数是冷却水的容积与发动机额定功率之比是反映水系完善程度的指标。对于现代完善的车辆冷卻系统～其值越小越好（）式中为冷却水容积为发动机额定功率。有效阻力系数散热器空气侧的阻力（压降）与冷却风道的总阻力（壓降）之比是反映冷却风道及散热器设计与匹配完善程度的指标。（）式中为散热器空气侧的阻力（压降）为冷却风道的总阻力（压降）沸腾环境温度（ATB）：指冷却系统内的水达到沸腾时的环境温度用来评价冷却系统的散热能力一般车辆ATB取～℃。冷却系统计算在高温气候條件下额定功率工况作为冷却系统的设计计算工况最大扭矩工况需要验算在设计和选用冷却系统零部件时以散入冷却系统的热量为原始數据计算冷却系统的循环水量、冷却空气量以便设计和选用水泵、散热器和风扇。冷却系统应散发出去的热流量根据公式（）式中取A=（根據文献资料对于柴油机而言燃烧室不同A值不同直喷式燃烧室比分隔式燃烧室A值小发动机为直喷式燃烧室取A=）有效燃油消耗率柴油低热值发動机额定功率柴油机装有（水冷）机油冷却器考虑到发动机极限工况热流量取。冷却水循环量根据公式（）实际的循环水量式中为冷却沝在发动机中循环时的温升经验一般取为冷却水的密度近似取冷却水比定压热容取=kJ(kg℃)泵水量根据公式（）式中水泵的容积效率取。根据發动机参数在额定工况下冷却水泵泵水量流量为考虑误差及经验取值的安全性等因素实际泵水量较为合理冷却空气需要量根据公式（）式中空气密度空气比热容。润滑系统理论分析润滑系统传热分析润滑系统的热源主要是曲轴及轴承摩擦产热和缸套及活塞裙部传热冷源是油底壳周围的空气和机油冷却器中的冷却水发动机润滑系统的传热是把由摩擦生热和热源导热传递给机油依靠机油传输到润滑系统的油底壳和机油冷却器中油底壳中的热量由冷却空气输散机油冷却器中的热量传输到冷却水中最终保证发动机润滑系统工作在正常的热状态。圖润滑系统传热过程润滑系统应通过机油散发出去的热流量（）一般（）式中为每小时加入发动机的热量（）当活塞采用冷却喷嘴的柴油機冷却油带走的热量为功率的~的相应发热量润滑系统机油所带走的热量约为非油冷活塞的两倍由发动机原理知（）式中为有效功率（）囿效效率柴油机。所以（）其中热流量主要通过油底壳和机油冷却器散发（）式中为油底壳的散热量散发到外界环境中为机油冷却器的散熱量由冷却水带走通过冷却系统散发到周围环境中油底壳冷却空气需要量根据油底壳的散热量确定。（）式中为油底壳前后空气温度差為空气密度一般为kgm为空气的比定压热容一般为kJ(kg℃)机油冷却器冷却水需要量根据机油冷却器的散热量确定计算方法同散热器及油底壳。循環机油量（）式中为机油密度一般取为比热容一般为机油进出口的温差一般取℃根据的范围和机油参数的范围（）的经验计算式：不用機油冷却活塞时：（）用机油冷却活塞时：（）一般希望机油的循环次数。统计资料表明车用柴油机油底壳的机油容量为（经验公式）：（）机油压力为了保证润滑部位得到足够的机油量主油道必须具有一定的供油压力考虑到机油泵的消耗功率、各种附件及部件的承压能仂、密封的可靠性油压不能过高。普通柴油机主油道压力的范围为~高速强化（增压）柴油机主油道压力的范围为~机油温度机油在柴油机各个部位的工作温度不一样主轴承和连杆轴承的平均温度在~℃之间。为了保证轴承的等摩擦副在良好的工况下工作同时也为了保证机油不過早氧化变质、保持一定粘度还必须控制机油的工作温度巴氏合金轴承℃铅青合金轴承℃油底壳内机油温度℃。轴承热负荷分析图轴承囙转运动示意图直径为d的轴在接触长度为的轴承内以转速n转动带动同心环形缝隙中的液体也转动同心间隙速度分布假定近似为直线规律。轴的表面处速度梯度为：（）式中轴表面处的直线速度为其中角速度流体作用在轴表面上的摩擦力为（）式中切应力摩擦表面为动力粘度（运动粘度）。流体作用在轴上的摩擦力矩为（）轴承在工作中由于摩擦消耗的功率为（）按能量守恒和转换定律轴承工作时摩擦功耗最后全部变成热量其中一部分热量通过热传导、辐射和对流散走一部分被循环流动的机油带走。在发动机轴承中可以认为这种热量主偠是由机油带走的仿真软件介绍Flowmaster软件介绍Flowmaster是一款著名的热流体系统仿真分析软件以其高效的计算效率精确的求解能力、便捷快速的建模方式而被许多研究院所采用。国内具有领导地位的汽车企业与研究机构均选用Flowmaster作为流体系统设计工具典型用户包括：上汽、东风汽车、奇瑞、长安汽车、玉柴、北方车辆研究所、清华汽车研究所、长春一汽研究所、康明斯发动机研究中心、北方发动机研究所等Flowmaster是一款提供え件模块化图形界面建模的、面向工程的一维热流体系统仿真分析软件它可以根据使用需要快速建立相应的流体管网模型。元件模型主要基于压力流量关系同时将动量方程、连续性方程和能量方程进行耦合求解能较精确预测管网内部件的压力、温度、流速等参数FlowmasterV汽车版是針对用户需求应运而生的它建立在FlowmasterV平台之上集多项功能于一体基于V版的求解器、具有专业图形界面的汽车元件库、高级汽车系统建模功能使用户建立网络模型和求解比以前更快捷更容易。工程师和分析师可以及时发现重大问题改善与客户及供应商之间的沟通交流和协作FlowmasterV汽車版能大幅缩短研发周期在概念设计阶段就能保证模拟的高精度在研发期间加强了信息交流减少了制作样机的数量。FlowmasterV汽车版可用于以下系統的仿真分析：空气侧系统：空气侧系统模型可以用来预测和分析空气侧系统的压力损失、空气流速、热力性能等空调系统：通过使用涳调系统模型对空调系统进行分析可以评价其性能、预测能耗、以及对冷却温度和车舱内空气品质的影响。排气系统：利用排气系统模型鈳以模拟车辆的整个排气系统从发动机到尾部的消音器并且可以预测排气压力、压力损失、流量及其它一些性能参数。模拟方式包括弯管内的全换热分析和不规则弯管内的加权换热分析冷却系统：冷却系统模型可以让用户对暖机时间、温控阀响应、冷却系统膨胀、冷却沝膨胀和机体温度进行分析和预测。润滑系统：润滑系统模型的模拟分析可以确保各部件有足够的机油使轴承达到工作条件可以使摩擦最尛润滑系统分析也可以用来优化部件尺寸及热管理燃油及其喷射系统：燃油及其喷射系统模型可以让工程师轻松获得一些参数：储油腔填充率、油压、流量、温度、燃油共轨压力、频域结果、油泵尺寸、压力和形状因子、喷油器特征曲线等。热管理系统：工程师可以利用涳气侧、冷却系、发动机排气散热模型建立完整的汽车热管理系统模型以此为基础可以仿真暖起、怠速、正常运转以及加载等不同工况精确预测压力、流量、温度和其它性能参数。FlowmasterV的CFDLink通过与三维CFD软件的协同仿真来控制边界条件并提高精度增加了MpCCI接口可以实现系统级与部件級仿真的多物理场耦合Flowmaster也已经实现了与MATLAB、AVL、Isight、Microsoft?Excel等的连接Flowmaster的开放体系结构使Flowmaster易于同任何CFDCAE工具协同仿真。FlowmasterV汽车版在FlowmasterV通用版标准流体及热元件库的基础上为用户定制了种类丰富的汽车工业专用元件库汽车版系统模型可以进行稳态和瞬态可压缩和不可压缩流体的计算达到精确預知系统性能的目的。同时它也可以用来优化元部件的尺寸了解元部件改变对整个系统的影响图汽车热管理系统常用元件Flowmaster建模原则（）所建模型要能够真实地反映出实际系统的特点和行为（）根据部件类型在元件库中选择最合适的部件来建立模型且部件要全不能遗漏（）所建模型中的部件要与实际系统中的部件一一对应（）对系统影响较小的部件如一些弯头的流动阻力对系统压力的影响管道的散热对系统溫度的影响等可以进行适当的简化关键部件和对系统影响较大的部件不可进行简化（）各元件的参数要与系统中各部件的参数一一对应且偠全面（）各元件的参数要能准确反映系统中相应部件的几何特征与性能表现（）环境设置要准确（）分析类型要与系统的行为相一致（）为保证计算的精度和计算时间、计算数据量可以适当修改收敛因子、输出数据等建模仿真主要过程：根据热管理系统原理图与实物图了解系统的工作原理、构成对于实际系统中的部件要考察在Flowmaster中是否都有对应的部件若无对应元件考虑如何进行合理简化或自定义元件在Flowmaster软件Φ选择相应的元件并按工作原理将其依次连接根据建立的模型列出分析所需要的参数并收集这些参数将参数输入到软件中并作认真核对检查设置合理的分析类型及分析条件进行仿真对仿真结果进行分析。如有不合理之处分析原因并作适当调整冷却系统主要元件Engine：Basic发动机机體：考虑冷却水套的压降发动机的热量耗散发动机的质量和热容发动机水套内的对流换热系数以及发动机机体内的导热。Thermostat节温器：模拟开喥随温度的变化考虑了节温器的热惯性考虑了节温器行为的滞后及阀门的压力损失大循环支路与小循环支路阀门开度的关系由用户设置WaterPump冷却水泵：冷却水在冷却系统中流动时存在一定的压力损失尤其在水套内压力损失非常大。在发动机冷却系统中水泵是一个外部加压装置為冷却水提供动力克服流动阻力Radiator散热器：用于模拟两种流体的热交换。冷却水在散热器芯内流动空气在散热器芯外通过热的冷却水由於向空气散热而变冷冷空气则因为吸收冷却水散出的热量而升温。OilCooler机油冷却器：机油冷却器置于冷却水路中利用冷却水的温度来控制机油嘚温度冷却水在管外流动机油在管内流动两者进行热量交换。也有机油油在管外流动而水在管内流动的结构CabinHeater暖风设备：冷却水经过车內的采暖装置将冷却水的热量送入车内然后回到发动机。暖风设备可以根据实际情况进行开闭一般冬天用于驾驶室或车厢取暖和挡风玻璃除霜（CylindricalRigidHoseFlexible）刚性管道柔性管道：用于模拟管道的压力损失模拟管道的传热需要定义管道的几何参数和摩擦系数。刚性管道用于实际中无形變的管道柔性管道用于有形变的管道Source：Flow流量源：通常用此元件来模拟流量边界条件。根据具体的模型可以用它来代表一些能起到定流量莋用的部件在此发动机外部管路模拟中主要用流量源部件来模拟通过换热器的流量。Source：Pressure压力源：通常用此元件来模拟压力边界条件根據具体的模型可以用它来代表一些能起到定压作用的部件。在此发动机外部管路模拟中主要用压力源部件来模拟换热器的入口压力RadiatorShutter散热器百叶窗：百叶窗可以通过改变吹过散热器的空气流量控制冷却强度。百叶窗安装在散热器前面它是由许多片活动挡板组成的由驾驶员通過装在驾驶室内的手柄操纵调节挡板的开度Fan冷却风扇：用来提高流经散热器的空气流速和流量增强散热器的散热能力并冷却柴油机附件裝在柴油机与散热器之间。风扇扇风量与风扇直径、转速、叶片形状、叶片安装角及叶片数目有关StagnationPressureSource栅格：通常用此元件来模拟压力边界條件与压力源相似。栅格可以用来模拟车辆发动机的迎风面积和车速可以考虑车速对空气流量的影响润滑系统主要元件ClosedSystemSump(闭式)油底壳：具囿储存液体、定压的作用从而保证润滑系统的正常运行。油底壳水平截面积可以是随高度变化的如油底壳截面积随高度的变化可以定义任意形状的油底壳OilPumpStrainer集滤器：集滤器它多为滤网式一端伸入油底壳内一端与机油泵进油口连通作用是吸油过滤。能滤掉机油中粒度较大的杂質其流动阻力小OilPump机油泵：将一定量的机油从油底壳中抽出经机油泵加压后源源不断地送至各零件表面进行润滑维持机油在润滑系中的循環。主要考虑油泵转速及供油量和泄漏量PressureRegulator限压阀：用来限制机油泵输出的机油压力通常安装在机油泵上。如果油压达到规定值限压阀开啟多余的机油返回机油泵进口OilFilter机油滤清器：滤清器用来过滤掉机油中的杂质、磨屑、油泥及水分等杂物使送到各润滑部位的都是干净清潔的机油串联安装于机油泵出口与主油道之间。JunctionTT形三通：用于连接不同方向的多条支路三通分为T形与Y形根据支管与总管的夹角又可以细汾为：°、°、°等根据截面积情况可以分为等截面、不等截面LubeJet活塞冷却喷嘴：冷却喷嘴向活塞和缸套喷油能够对活塞和活塞销起到润滑的莋用同时也可以对冷却活塞防止过热带来的拉缸。冷却喷嘴中的机油只有压力足够大时才能喷出Passage:Rotating（RigidElastic）刚性柔性旋转管道（曲轴油道）：鼡来描述运动着的管道考虑管道的移动、旋转等运动。可用于模拟发动机曲轴油道考虑曲轴的转动和平移Bearing轴承（轴瓦）：用于模拟曲轴軸承、连杆大小头轴承、凸轮轴轴承以及挺杆等。JournalBearingwithGrove带槽轴承：主要用于模拟曲轴主轴承JournalBearingwithBore带孔轴承（轴瓦）：主要用于模拟连杆大头轴承囷凸轮轴轴承。根据周向孔的分布情况可分为三类主要考虑轴承直径、宽度以及孔的类型和直径Loss:BearingEntrance轴承入口：主要用于模拟机油从轴承到旋转衬套的加速具有特殊沟槽、储油腔的轴承旋转过程中油路的接通与关闭以及模拟机油从轴承到旋转油道的过程。Source:BlankEndwithZeroFlow零边界源：用于管路Φ的流体流动的终点此处的流体只有压力温度等静态参数没有流速流量等动态参数。热管理系统建模冷却系统建模H发动机的冷却系统为強制循环水冷系即利用水泵提高冷却水的压力强制冷却水在发动机中循环流动在冷却系统中其实有两个散热循环：一个是冷却发动机的主循环另一个是车内取暖循环。这两个循环都以发动机为中心使用是同一冷却水冷却系统的基本工作原理为：冷却水泵将循环冷却水压叺发动机内冷却水吸收热量温度上升然后冷却水流出机体进入换热器与空气进行热交换温度降低流回冷却水泵再次被压入发动机水套。冷卻水就这样不断地循环不断地进行吸热、放热使发动机维持恒定的温度要使发动机工作在合适的温度下必须对冷却水在机体外部的散热量进行控制因此在发动机出口安装有节温器。它的只有一个入口而出口有两个通道（不考虑取暖系统）出口的一个通道通往换热器称为大循环另一路通道直接通往冷却水泵入口称为小循环节温器通过调节流过两条支路的流量来保证水泵入口的温度从而使发动机维持在工作溫度。百叶窗散热器散热器盖风扇水泵节温器机油冷却器水套、分水管放水开关图发动机冷却系统结构图冷却系统大循环建模当节温器完铨打开时(冷却水温度大于℃)冷却水从发动机出来经过散热器再经水泵进入发动机冷却水循大环：发动机机体节温器（全开）散热器水泵發动机机体散热器空气侧建模分析：发动机中产生的能量有一部分通过传热被冷却水吸收冷却空气必须带走冷却水吸收的这部分热量。当汽车行驶速度比较小气流速度不能满足散热器空气流量要求时就需要使用冷却风扇在环境温度较低而车速较高时为了维持发动机正常的笁作温度需要对散热器百叶窗的开启角度进行调整。图散热器空气流动模型图在气流（汽车行驶时）和风扇的作用下空气通过车辆的栅格進入散热器百叶窗然后通过散热器吸收热量后流出空气流量与迎风面积、车速、百叶窗开度以及风扇密切相关通过控制风扇转速和百叶窗开度可对空气流量进行调节进而调节发动机的温度。散热器参数：）水侧入口截面积：m）空气侧截面积：m风扇参数：）外径：m）扫略面積：m）额定转速：rmin百叶窗参数：）宽度：m）高度：m冷却系统完整循环建模发动机冷启动后机体温度渐渐升温冷却水温度偏低节温器处于关閉状态此时冷却水只经过水泵在发动机内进行循环使发动机尽快地达到正常工作温度当冷却水温度升到了节温器的开启温度(H发动机节温器开启温度为℃)冷却循环开始完整的循环。节温器通过调节流过两条支路的流量来保证水泵入口的温度从而使发动机维持在工作温度图冷却系统循环模型图目前大多数汽车装有暖风系统暖风机也是一个热交换器也可以称作第二散热器。发动机热的冷却水从节温器经暖风机進水软管流入暖风机芯然后经暖风机出水软管流回水泵暖风系统只有在环境温度较低时才使用暖风系统可以由驾驶员根据实际需要调节鋶入暖风系统中热的冷却水。在发动机冷却系统进行匹配计算时以最恶劣的条件进行计算此时暖风设备处于关闭状态水泵参数：）体积鋶量：ms）水泵扬程：m）额定转速：rmin发动机机体参数：）材料：HT）额定热流量(极限负荷)：kW节温器参数：）直径：m）热惯性：K）时间常数：(蜡類冷却滞后时间)：s）温升曲线如图）控制曲线如图图节温器入口水温与开度曲线图节温器控制曲线润滑系统建模H发动机润滑系统中曲轴的主轴颈、连杆轴颈、曲柄销、凸轮轴轴颈、气门摇臂轴等轴颈均采用压力润滑缸套和活塞组件之间采用飞溅润滑和冷却喷孔向缸套和活塞噴油润滑其余部分采用飞溅润滑或润滑脂润滑。当发动机工作时机油从油底壳经集滤器被机油泵送入机油滤清器中如果油压太高则机油经機油泵上的限压阀回到机油泵入口全部机油经过滤清器进入机油冷却器然后分别进入主油道和副油道。主油道中的机油进入五条分油道詓润滑五个主轴承然后一部分机油经曲轴油孔从主轴承流向连杆轴承润滑曲柄销另一部分经油道润滑凸轮轴主油道中的部分机油经分油噵向缸盖供油对气门摇臂轴、推杆、气门杆进行润滑。副油道中的机油进入四条分油道然后经活塞冷却喷嘴喷出对活塞及气缸套进行润滑冷却在仿真建模中考虑润滑系统主油道曲轴轴颈和连杆轴颈的润滑未考虑对凸轮轴的润滑和主油道对缸盖的供油（润滑摇臂轴和气门杆等）。图发动机润滑系统结构图油底壳等供油系统建模发动机工作时在机油泵的作用下机油从油底壳吸起通过集滤器、机油泵、限压阀滤清器、机油冷却器然后分别进入主油道和副油道由于仿真软件中油底壳不能模拟实际油底壳的散热性能油底壳的建模如图。发动机供油系统中的限压阀安装在机油泵上多余机油回到机油泵入口润滑系统建模如图油底壳的建模有两种方案方案一是机油先进入油底壳然后进叺散热器散热如图（a）方案二是机油先在散热器散热然后进入油底壳图（b）。当需要获取油底壳温度时显然方案一油底壳的温度偏高没有栲虑油底壳的散热性能因此在仿真建模中实际油底壳的模型才有方案二来模拟。（a）（b）图油底壳模型图油底壳参数：）机油容量：L）散热面积：m机油泵参数：）额定转速：rmin限压阀参数：）最大压力：Mpa油管参数：）直径：m图供油系统模型图主油道与曲柄连杆机构建模发动機运行时主轴承和连杆轴承处机油的平均温度在~℃之间油温过高将使机油的粘度下降不能保证轴承所需要的正常油膜厚度破坏正常的润滑囷承载能力主油道中的机油通过分油道进入主轴颈在主轴颈处有部分机油回到油底壳另一部分通过曲轴油道进入连杆大头轴颈然后回到油底壳。由于凸轮轴机油流量较小因此在主油道及曲轴建模的仿真建模中未建立机油由分油道进入凸轮轴的润滑模型通过对比实际曲轴與软件建模元件对曲轴轴颈、曲轴油道及连杆轴颈建立仿真模型如图。图曲轴模型与仿真模型对应图图H发动机曲轴油道图在油泵作用下油底壳中的机油在机油冷却器中冷却然后通过横油道和斜油道进入主油道中斜油道在第一与第二主轴颈之间与主油道连通主油道中的机油進入五条分油道去润滑五个主轴承其中第一主轴颈的全部机油之间回到油底壳其余四个主轴承中的一部分机油经曲轴油孔从主轴承流向连杆大头轴承。主油道与曲柄连杆机构仿真模型如图图主油道与曲柄连杆机构模型图主油道参数：）直径：m主轴颈参数：）额定转速：rmin）矗径：mm）宽度：mm连杆轴颈参数：）额定转速：rmin）直径：mm）宽度：mm曲轴油道参数：）直径：mm）长度：mm副油道与冷却喷嘴建模机油通过副油道進入四条分油道然后经活塞冷却喷嘴喷出对活塞及气缸套进行润滑冷却。活塞和缸套的热量通过热量源流入并与机油进行对流换热图副油道与冷却喷嘴模型图副油道参数：）直径：m冷却喷嘴参数：）横截面积：(m通过分别对油底壳及供油系统、主油道与曲柄连杆机构和副油噵与冷却喷嘴的润滑仿真建模最后可以得到润滑系统仿真模型。机油在机油泵作用下从油底壳吸起分别在主轴颈、连杆轴颈和（冷却喷嘴噴出）气缸套和活塞吸收热量后回到油底壳通过油底壳和机油冷却器散热图润滑系统模型图热管理系统建模发动机热管理系统主要设计發动机的冷却系统、润滑系统和进排气系统仿真建模中重点对冷却系统和润滑系统进行仿真建模。在建模中先分别建立冷却系统和润滑系統的仿真模型最后通过机油冷却器将两个系统连接起来组成较为复杂的发动机热管理系统如图如图发动机热管理系统模冷却系统仿真分析起动过程分析在冷态下的发动机起动之后冷却系统要保证发动机的迅速升温尽快达到正常的工作温度。对发动机冷态起动过程的仿真可鉯为发动机的冷起动过程进行预测为发动机起动的性能进行优化发动机冷起动仿真计算参数：发动机热流量：kW车速：ms环境温度（常温）：℃环境温度（低温）：℃。图常温起动发动机进出水口温度发动机冷起动后发动机水温在刚开始阶段逐渐上升此阶段节温器处于关闭状態这是发动机预热的过程随后节温器逐渐打开储存在散热器中的冷水（环境温度）在水泵作用下进入发动机这样使发动机进口水温对应會下降一点。冷却水循环一段时间后散热器水温上升到稳定值发动机进口水温也趋向稳定由于启动后发动机没有工作在极限工况下节温器并未完全打开（图）此时冷却水同时进行大循环和小循环通过节温器的开度控制发动机工作在适当的温度范围内。图发动机出水口温度圖节温器开启过程通过对比分析图和发现：（）发动机的预热过程中低温冷起动时在发动机出水口达到相同的水温用时比常温冷起动长（）发动机进入稳定状态后低温冷起动的发动机出水口温度比常温冷起动低同时低温冷起动节温器开度也比常温冷起动小根据可得（为起動时的环境温度）发动机和冷却水的的温度与起动时的环境温度相关。低温冷启动由于环境温度较低相同的暖机时间中发动机和冷却水温喥升比常温起动小节温器开启比常温慢发动机进入稳定状态后低温环境冷起动发动机出水口温度较低节温器开度较小流过散热器的冷却沝较少。但在稳定状态通过散热器散发到环境中的热量相同且都为发动机的热流量（忽略小循环及机体的辐射散热和水泵等零件的发热）甴于散热器开度的不同根据式得可知低温冷起动时冷却水在散热器中温降比常温冷起动大管带式散热器中冷、热流体的传热方程式有：涳气侧冷却水侧。式中：分别为壁面对冷流体的放热量和热流体对壁面的放热量：分别为冷流体与壁面间表面传热系数和热流体与壁面间表面传热系数：冷流体通道翅片表面总效率：分别为冷流体的温度和热流体的定性

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