德國MTU發動機冷卻系統維修資料

2016/11/1 23:23:11

德國 MTU發動機冷卻系統

1.引言在大功率履帶車輛動力領域，德國 MTU公司多年來一直處于無可爭議的地位。該公司研發的 890系列柴油機單位功率質量小于1kg/kW,是世界上在研發系列柴油機中最好的。其 6缸機型高590mm,寬 700mm,長 760mm,質量僅為520kg,功率高達550kW。本文基于熱力學和傳熱學的理論，在 GT—COOL軟件環境中建立了 MTU890系列發動機中 6缸機冷卻系統的一維仿真模型，通過分析計算來研究發動機冷卻系統的流動與傳熱狀況，預測其冷卻系統的技術參數，以期對我國高功率密度發動機冷卻系統的研發提供參考。

2.發動機冷卻系統的結構發動機冷卻系統的主要任務是保障發動機在最適宜的溫度狀態下工作，維持最佳的冷卻水溫。該發動機冷卻系統簡圖如圖1所示，該冷卻系統是一種全新設計，主要是采用了高低溫雙循環冷卻技術和高溫冷卻技術。系統的最高冷卻液溫度比以前的裝甲車輛發動機的高出 20℃，為130℃。該冷卻系統由一個高溫回路和一個低溫回路組成，采用高、低溫雙循環回

路可以將高溫熱源負載與低溫熱源負載分開，低溫回路可以實現某些零部件（如二級增壓中冷器、發動機機油換熱器以及主傳動箱機油換熱器）的低溫冷卻需求，高溫回路主要為核心

發動機（即缸套、缸蓋等零部件）以及一級增壓中冷器提供冷卻。采用高溫冷卻技術則可以

滿足在較小的空間內實現極高的冷卻能力，因此流入發動機冷卻液的熱量非常少，可以大幅度地縮小冷卻系統的質量和體積，提高冷卻系統效率。

3.發動機冷卻系統仿真計算通過試驗設計發動機的冷卻系統，使之滿足規定的要求，耗時、耗力、耗材，并非易事。

作為替代方案，數值仿真的方法，在計算機技術高速發展的今天，已被越來越多的人所采用。這種數值試驗的方法，不但可以節省大量的試驗費用，而且還可以進行大量的預測研究。

GT-COOL軟件是專門用于發動機冷卻系統仿真分析的軟件，廣泛應用于發動機冷卻系統的設計、開發等工作。該軟件具有豐富的物理模型和分析功能，使得它能夠對發動機冷卻系統進行專業權威性分析。該軟件基于流體及熱力學計算理論，所采用的隱式格式流動求解器，使得求解快速、穩定、可靠。

GT-COOL分為前、后處理兩個模塊。前處理模塊包括搭建冷卻系統所需的所有模型，可以模擬空氣側、冷卻水側、發動機機油 /傳動箱機油冷卻器，以及其它流體系統。主要作用是搭建冷卻系統一維仿真模型，根據冷卻系各組成部件的結構參數和運行參數進行參數設置，并對冷卻系統進行模擬計算。GT-COOL的后處理由 GT-POST完成， GT-POST是一個功能強大的數據分析工具，可以顯示、查看、處理由前處理模塊計算的數據結果，可以對冷

文本框: 部件高溫回路低溫回路
機油主傳動輔助
一級中主散熱二級中
發動機管路換熱箱油換管路散熱
冷器器冷器
參數器熱器器
散熱量
-246.86 -44.1 -1.22 292.29 -58.8 -70 -36 -0.02 165.5
（kW）
阻力
1.05 0.86 0.44 0.48 0.315 0.2 0.136 0.69 0.5
（bar）卻介質的壓力分布、溫度分布、流量分配以及換熱量的變化進行分析，進而對發動機冷卻系

統的各個部件以及總體性能指標進行全面分析。

3.1發動機冷卻系統計算模型的建立

構成發動機冷卻系統基本部件為：發動機、散熱器和水泵。在模擬計算中根據發動機冷卻系統原理圖，模型中除了考慮上述三類部件外，還將各類油水熱交換器、節溫器、膨脹水箱考慮在內。這樣高溫回路冷卻系統的主要部件有發動機、一級中冷器、散熱器、水泵；低溫回路冷卻系統的主要部件有水泵、散熱器、二級中冷器、主傳動箱機油換熱器、發動機潤滑油換熱器。模擬計算工作主要針對發動機額定工況下工作時冷卻系統的情況進行。所建立的發動機冷卻系統計算模型如圖2所示。

圖 2 HPD發動機冷卻系統模型圖

3.2模擬計算結果

應用軟件可以方便的計算出該冷卻系統中各個部件的集總參數以及整個系統的溫度、壓力、流量等分布圖，其主要計算結果見下表 1。

表1 高、低溫回路各部件主要計算結果

通過熱量平衡方程、壓力平衡方程和質量守恒方程來驗證模擬計算結果的合理性。

（1）高溫回路能量平衡方程：

^∆Q主散熱器^{=∆ Q}發動機^{+∆ Q}一級中冷器^{−∆ Q}管路^{+∆ Q}水泵^≈^292.29kW

從上面方程可以看出，主散熱器的散熱量大于高溫回路各部件散熱量之和，產生這種現象的原因，考慮是由于水泵的部分功率轉化成熱量，增加了主散熱器散熱負荷。高溫回路水泵功率為2.5kW，加上水泵功率，系統能量正好平衡。

壓力平衡方程：

^∆p水泵^{=∆ p}發動機^{+∆ p}主散熱器^{+∆ p}管路^{=1.05 + 0.48 + 0.44 =1.97bar}

（2）低溫回路能量平衡方程：

^∆q輔散熱器^{=∆ q}機油換熱器^{+∆ q}主傳動箱^{+∆ q}二級中冷器^{−∆ q}管路^{+∆ q}水泵^=165.5kW

壓力平衡方程：

^∆p水泵^{=∆ p}機油換熱器^{+∆ p}主傳動箱^{+∆ p}二級中冷器^{+∆ p}輔散熱器^{+∆ p}管路^=1.85bar

從上分析可以看出，高、低溫回路的壓力和能量方程均守恒，說明所搭建的一維仿真計算模型是合理的。

3.3冷卻系統參數的優化方法

GT—Suite軟件帶有優化工具，對一些參數我們可以用優化工具箱來進行確定。如對管路直徑的優化，優化后的結果應使冷卻系統管路內流速在合理的范圍內。發動機冷卻系統管路中水流速度一般在 4~6m/s。影響水流速度的因素有冷卻水流量和冷卻系統的管路直徑，在發動機冷卻系統散熱量確定的情況下，冷卻水的流量也基本確定，因此，可以將管路直徑設為變量，將水流速度設為目標值，這樣就可以找到合適的管路直徑。在優化計算中，我們取管內水流速度為5m/s,通過計算可以確定冷卻系統各段管路的具體尺寸。同理，我們可以用同樣的方法來確定其它的參數。

3.4發動機冷卻系統多參數多方案優化匹配仿真與分析研究

對于不同的環境條件，冷卻系統的熱負荷變化很大，在發動機額定工況下，對應不同的環境溫度，散熱器所需的空氣流量是不同的。當環境溫度從-35℃～45℃，散熱器所需空氣流量如圖3所示。

在發動機額定工況下，對應不同的環境溫度，散熱器所需的空氣流量是不同的，對應的發動機的出口溫度也是變化的。當環境溫度從-35℃～55℃，對應發動機出口溫度的變化如圖 4所示，無論對散熱器的哪一種布置方式，當環境溫度小于 45℃時，發動機出口水溫均小于 130℃，滿足要求。但當環境溫度達到 55℃時，散熱器兩種布置方式發動機出口溫度均大于 130℃，因此，當環境溫度過高時，發動機要降負荷運行，以免冷卻系統水溫過高。