2016SAE世界汽车舞台上最闪亮的发动机CFD之星

"SLIMcool"系统节省了40%的空间，以及3%左右的燃油消耗。 一、复合换热器"SLIMcool"介绍 康奈可公司，自25年前其生产的铝热交换器首次投入市场，到目前已开发出散热器、冷凝器，以及风扇驱动组件等高效的车辆前端模块化产品。近年来，作为乘用车的动力系统，涡轮增压汽油机、清洁柴油机，以及备受瞩目的混合动力系统，这些动力系统的散热与自然吸气发动机一样都需要散热器，此外还需要如空调系统的冷凝器及其他额外的散热器。例如，机械增压汽油机、清洁柴油机的中冷器，混合动力汽车中还需要电机和热交换器的散热器等。如果简单的旧散热系统中增加一个散热器，占用的空间增大、重量增加，还会由于风扇和压缩机尺寸增加导致燃油消耗增大。因此康奈可公司开发了首创的"SLIM cool"系统。"SLIM cool"不仅适用于汽油机、柴油机，同样适用与混合动力、纯电动汽车。图一 SLIM cool 机构四示意图SLIM cool是世界上第一个部分水冷冷凝器的制造商，已获得专利，它实现了散热效率提高、布局合理，并且降低了风扇及压缩机的功率消耗从而提高了燃油经济性。在本例中，康奈可公司进行了实车测试，散热器部分厚度减少到常规的40%，节省了空间，在JC08循环模式下燃油消耗降低了3%。在典型的JC08循环模式下是不使用空调的，但是为了进行对比，对SLIM cool还进行在空调开启状态下的JC08循环，下面是燃油消耗的情况对比。如果从事过发动机和车辆开发的工作，应该知道要将燃油经济性提高1%，其实是非常困难的。在提高燃油经济性的冷却系统技术方面，如空调、CAC、散热器，电动风扇，及前端风侧的流动优化等，多方面技术的组合已经取得一定的效果。在夏季使用空调可以改善燃油消耗，在其他季节基于空间节省及需要散热的时间缩短，使用小型化的风扇更有优势。SLIM cool使用的技术涵盖了多方面的知识，同时为了便于了解它的效果，进行了整车试验，包括风洞试验等，但是由于其中诸多的困难，难以进行全部的测试，康奈可公司考虑使用仿真工具进行探索。图二CAC及水冷COND的冷却 “未来对前端机舱的设计将空前严格。”考虑到放热的交替，同理散热器也可以根据不同的运行工况切换冷却的目标值，而不需要再安装一个专门的散热器。因此我们建立了一个水冷CAC和水冷冷凝器的组合冷却系统。而且，水冷冷凝器的水可以被外界夜间降温的空气所冷却，即蓄冷现象。由于这种蓄冷的效果，发动机在启动时，水冷冷凝器的性能提高，空调循环的效率提高，最终改善燃油消耗。不是通过简单的追加设备，而是通过对现象的理解，同时达到与环境的友好，来改善系统的工作状态，这是SLIM cool设计的出发点。 不仅是单个空调系统模型，还可以进行整车的模拟 为了验证SLIM cool提高燃油经济性的效果，我们使用了GT-SUITE软件，原因如下： 可以建立空调系统在内的整车级别的模型具有丰富的发动机模型库，我们因此可以将计算模型推介给不同的汽车制造商能够考虑负荷变化时，各辅助部件的响应，以及燃油消耗的变化散热器的建模简便，可以使用COOL3D进行快速的三维建模，计算风速的分布等具有一定精度可已经模型及数据的封装加密，便于与汽车制造商之间的信息交流 目前，整车级别的仿真已经成为一项必不可少的技术。使用GT-SUITE，我们完成了多样化的分析研究，且易于使用。 下面将介绍BMW 530D车型搭配SLIM cool系统的计算案例。模型计算了两种方案，两种方案采用了不同配置的散热器。已有数据包括：热交换器的单体性能数据、实车相关的测试数据，但是样本车辆的详细参数未知，通过将GT-SUITE中与BMW 530D相似规格的模型进行修改后使用。样机模型，包括排量3.14L，直列四缸柴油机的FRM模型，传动系统，润滑油路，冷却水路、空调系统、控制逻辑、整车模型，以及包含发动机机体部分的COOL3D模型。首先在此基础上，根据BMW 530D车的参数修改变速箱传动比及轮胎直径。除了修改一些常规的参数外，散热器部分使用COOL3D修改为SLIM cool系统，我们已同IDAJ公司一起完成了对比方案的计算。这次我们独立进行了燃油消耗的验证计算，这也是我们关心的重点。 图三基础样机模型 图四将常规形式修改为SLIM cool 图五循环工况下的燃油消耗比较 在本算例中，我们保持机舱温度等于或低于常规配置情况下的机舱温度，在SCO3循环工况下，燃油经济性提高了6.8%。在改善燃油消耗的效果方面，本例使用的样机模型有一定的偏高，但是对电动风扇入口和压缩机出口的压力降低效果等方面，除了怠速的情况以外均与试验接近。造成计算的燃油消耗与测试结果的差异的主要原因，在于辅助装置的负载的差异。对于汽车制造商，则可以很方便的根据实际情况进行修正。总之，GT-SUITE可用于考察研究SLIM cool的效果，减少试验次数。并且，使用GT-SUITE可以进一步的用于研究性能的提升，还便于与汽车制造商进行交流。来源：艾迪捷