基于系统模型的整车热管理研究.pdf

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1、基于系统模型的整车热管理研究*121朱亮,康睿,李鑫(1.广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广州市511434；2.西门子工业软件（北京）有限公司,北京市100102；[摘要]本文建立了发动机、整车动力性、冷却系统、发动机本体热容、润滑系统、机舱的耦合系统模型，在能量守恒定律的基础上实现了各系统耦合模型在同平台下的共同实时仿真计算。此系统模型可以在车辆瞬态工况下，准确计算发动机的指示功率，排温及冷却换热量，并在此基础上对冷却系统及润滑系统进行仿真计算，最后对发动机的性能表现及油耗进行评估。

2、开展了专项试验，包括发动机台架试验，散热器性能试验，整车油耗试验，为仿真模型提供边界条件及试验数据校准。最后建立了能量流图，可以描述从燃料燃烧放热到最终的轮边、排气、冷却耗散这样一个完成过程；并在一个经过校准的系统模型基础上进行了电子水泵，PWM调速风扇，电子调温器的方案验证及策略优化。关键词：系统模型；能量流；冷却系统；策略优化；实时仿真的仿真效率需要选取合适的时间尺度及模型细[1]前言化程度，例如发动机一般是以曲轴转角作为时间尺度，而流体系统往往是直接以秒，或者秒的日益严苛的油耗及排放法规对

3、汽车各系统整数倍作为时间尺度。设计提出了更高的要求。热管理的的重要性近年为应对以上第一个问题，本文的研究内容基来受到了越来越多的重视，一般的，通过良好的于最基本的能量守恒定律，实现子系统能量的传热管理设计，可以从零部件减重、降低运行功耗递。以及保证发动机更加良好的工作环境，这两个主要方面来实现节能和减排。本文通过建立热管理系统模型，可以准确计算和分析能量在整车各零部件，介质内的流动情况，并为可控零部件（电子水泵，电子调温器，PWM调速风扇）提供了控制策略优化设计的虚拟平台。1系统模型建立1.1子

4、系统实时仿真的实现本文的研究内容设计多个系统，包括发动机、整车动力性、冷却系统、发动机本体热容、图1：元件的能量流原理图润滑系统、机舱，涉及到的物理过程也包括牛顿以上能量流可以用下式表述：力学，流体力学，热力学等多个学科，这为系统实时仿真带来了第一个挑战。另外为了提高系统11.2系统模型的搭建EINESEIECERi为确定系统建模的范围，首先需要对能量来式中：EIN为元件与周边件的能量交互；ES源及能量传递路径进行分析，确定系统建模的物i理结构，再考虑软件层面的建模。为能量源与

5、元件的能量交互；E为元件（或元常规动力发动机的能量来源是缸内燃料燃I烧放热，通过发动机的曲柄连杆机构将部分热能件内介质）惯性能量转化；E为元件（或元件转化成机械能（指示功），剩余能量通过排气系C统进入大气以及燃烧室表面对流换热进入发动内介质）容性能量转化；E为元件（或元件内机本体。进入发动机本体的热能一部分通过冷却R系统进入大气，一部分直接通过发动机表面对流介质）因为阻力损失耗散到环境中。换热进入大气，还有部分通过发动机缸体缸盖油为提升系统模型的计算效率，需要考虑以下道进入润滑系统。因发动机本体

6、摩擦副的存在，两个方面，1）系统的细化程度；2）计算步长选例如曲柄连杆机构，正时机构，会将摩擦功通过取。润滑油的作为介质传递回发动机本体。可用下图一般的，发动机缸内过程一维仿真计算以曲2描述：轴转角作为时间轴，计算结果包括燃烧放热率，缸压，指示效率等缸内过程，本文的最终的研究对象是温度，油耗等累计值，关注的是发动机产生的最终影响，因此本文采用了发动机均值模型，仅考虑发动机的指示效率，排气效率，充气效率和冷却换热的能量平衡；另外对于发动机本体的换热研究，本文仅将发动机本体分成了9块。本文采用了Im

7、agine.LabAmesimSolver(s)求解器，该求解器可自动选择和切换积分步长与算法。在系统模型搭建完成后进了部分元件的控图2：系统能量传递路径制逻辑调整，以提高积分步长，降低计算时间，基于以上物理分析，本文的系统模型构架如下图后文有详细介绍。3图3：系统模型构架2dhexhaustdhintakedhinjection1.3子模型的搭建exhdQ1.3.1发动机模型comb如上文所述，为了在满足本文研究内容的基础上简化模型，发动机模型选择了均质模型。该式中：Tind为指示扭矩

8、；hexhaust为排气总模型基于的时间尺度是一个完成的缸内循环过程（对于四冲程发动机，发动机两转为一个循焓值；hintake为进气总焓值；hinjectiont为燃油焓环），基于充气效率，指示效率，和排气效率（或值（不包括化学能）。温度）的MAP数表，可以计算不同发动机工况点本文的发动机模型的关键MAP数表均来自的实时指示扭矩，排温，进气量及喷油等内容。于发动机试验数据，但是发动机台架试验数据均并且可以与进/排气系统，传动系统相互进行质是在稳态下的试验结果，往往不能准确的反映瞬量和能量交换。态