摘要：針對(duì)一種新型電源車在駐車發(fā)電時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)溫度過高的問題，利用軟件FLUENT對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程進(jìn)行模擬仿真，通過分析仿真結(jié)果得出發(fā)動(dòng)機(jī)在駐車發(fā)電工況下的散熱情況，并且通過與廠家提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間的誤差在合理范圍之內(nèi)，驗(yàn)證了仿真模型建立的準(zhǔn)確性，為新型電源車的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：新型電源車;發(fā)動(dòng)機(jī);散熱

　　0引言

　　目前，我國(guó)通用移動(dòng)電站廣泛用于維修保障、工程作業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域[1]，但是由于該電站體積過大，成本較高，逐漸被具有自發(fā)電系統(tǒng)的車載式移動(dòng)電站所取代，這種移動(dòng)電站充分利用底盤上的剩余空間，具有體積小、重量輕的特點(diǎn)，簡(jiǎn)化了發(fā)電裝備的結(jié)構(gòu)，降低了成本[2]。但是由于駐車發(fā)電時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的熱環(huán)境比較差，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無法正常工作，所以發(fā)動(dòng)機(jī)艙的散熱問題顯得尤為重要。

　　推薦期刊：《機(jī)車車輛工藝》由鐵道部主管、中國(guó)南車集團(tuán)戚墅堰機(jī)車車輛研究所主辦的、全國(guó)公開發(fā)行的科技類期刊，是我國(guó)創(chuàng)辦最早的機(jī)車車輛工藝雜志。其宗旨是緊跟我國(guó)鐵路運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，以鐵路高速、重載，及城市軌道交通制造業(yè)的新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備為報(bào)道重點(diǎn);及時(shí)反映機(jī)車車輛運(yùn)用檢修中的熱點(diǎn)、難點(diǎn)問題。

　　本文研究的是一種新型的電源車，該電源車通過在車輛離合器與變速器之間增加ISG電機(jī)等配套改進(jìn)措施實(shí)現(xiàn)了車輛啟動(dòng)發(fā)電一體化，其駐車發(fā)電時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)ISG電機(jī)向外發(fā)出一定功率的電力供給其它設(shè)備。由于是駐車發(fā)電，沒有運(yùn)動(dòng)速度產(chǎn)生對(duì)流，而且此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷要比車輛正常怠速工況下高很多，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱提出了更高的要求。對(duì)于這種特殊工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)艙的散熱問題，國(guó)內(nèi)外還少有人研究，鑒于此，本文利用GT-POWER仿真軟件對(duì)發(fā)動(dòng)的工作狀態(tài)進(jìn)行仿真模擬，分析其在駐車發(fā)電時(shí)散出的熱量與車輛的散熱能力之間的關(guān)系，為新型電源車的設(shè)計(jì)提供根據(jù)。

　　1發(fā)動(dòng)機(jī)艙流動(dòng)與傳熱數(shù)值模型

　　1.1發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程建模與仿真

　　發(fā)動(dòng)機(jī)艙的散熱問題其本質(zhì)在于是否能夠利用空氣流動(dòng)將發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的熱量帶出機(jī)艙，為發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作提供適宜的工作環(huán)境，所以首先應(yīng)該了解和分析發(fā)動(dòng)機(jī)在特定工況下的散熱情況。由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)散出的熱量很難用測(cè)量工具測(cè)量，經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果不夠精確，為了更準(zhǔn)確更快地掌握發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱情況，并與冷卻系統(tǒng)模型進(jìn)行耦合計(jì)算，本文采用數(shù)值模擬的方法模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在駐車發(fā)電下的工作狀態(tài)。

　　1.2基于GT-Power的發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程模型

　　本文使用一維模擬軟件GT-Power建立發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程計(jì)算模型，這是一款由GammaTechnologies公司開發(fā)的，具有發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的模擬仿真軟件，GT-Power在一維仿真方面功能很強(qiáng)大，自帶有優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，能進(jìn)行直接優(yōu)化、DOE設(shè)計(jì)/優(yōu)化，可以對(duì)內(nèi)燃機(jī)的工作過程進(jìn)行模擬。GT-Power軟件可以與三維軟件耦合計(jì)算，同時(shí)計(jì)算步長(zhǎng)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，其計(jì)算速度相對(duì)較快，廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、開發(fā)等。發(fā)動(dòng)機(jī)的部分參數(shù)如表1所示。

　　該發(fā)動(dòng)機(jī)模型主要模塊包括進(jìn)出口模塊、進(jìn)排氣管道模塊、氣缸模塊、進(jìn)排氣閥模塊、曲軸箱模塊等。一維模型搭建過程主要步驟如下：

　　①構(gòu)建子模塊。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何模型參數(shù)，使用GT-Power軟件搭建各個(gè)子模塊(進(jìn)出口、進(jìn)排氣門、氣缸、進(jìn)排氣道、曲軸箱)，根據(jù)提供的實(shí)驗(yàn)參數(shù)定義邊界條件，同時(shí)定義合適的初始條件，完成汽油機(jī)物理模型的搭建。

　　②選擇計(jì)算模型。根據(jù)研究要求，選擇合適的燃燒模型(韋伯燃燒模型)、缸內(nèi)傳熱模型(Woschni傳熱模型)等，定義指針參量，完成計(jì)算模型的搭建。

　　③DOE優(yōu)化計(jì)算。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果(扭矩、燃油消耗率等)，對(duì)模型行中可調(diào)節(jié)參量進(jìn)行DOE優(yōu)化計(jì)算，最終得到合適的參數(shù)設(shè)置，使得模型計(jì)算結(jié)果在合理的誤差范圍內(nèi)。

　　1.3模塊設(shè)置

　　①邊界模塊設(shè)置。

　　發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出口直接與大氣連通，根據(jù)實(shí)際工作過程的周圍環(huán)境，定義進(jìn)出口模塊的壓力和溫度條件，此處設(shè)置進(jìn)出口壓力為1bar，溫度為308K，成分為air(氮?dú)馀c氧氣質(zhì)量比為0.767比0.233)。

　　②氣缸模塊設(shè)置。氣缸模塊的設(shè)置主要有缸內(nèi)初始條件設(shè)置、缸內(nèi)壁面溫度設(shè)置、傳熱模型選取、燃燒模型選取。根據(jù)計(jì)算初始時(shí)刻，定義缸內(nèi)初始?jí)毫��?0bar，初始溫度為1000K;缸內(nèi)壁面溫度主要包括缸蓋、活塞、缸壁溫度，溫度值參考軟件中的推薦值(分別為500K、550K、400K);傳熱模型采用Woschni模型，其中重要的設(shè)置有氣缸蓋與缸徑的面積比，根據(jù)實(shí)際模型的幾何參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其余參數(shù)設(shè)置為軟件默認(rèn)值;燃燒模型采用韋伯燃燒模型，韋伯燃燒模型計(jì)算速度快，通過定義相關(guān)參數(shù)來模擬缸內(nèi)燃燒過程。

　　③氣門參數(shù)設(shè)置。汽油機(jī)配氣正時(shí)如表2所示。

　　④進(jìn)排氣管模塊設(shè)置。GT-Power模型的進(jìn)排氣系統(tǒng)由管路和接頭組成，進(jìn)排氣歧管采用Piperound模塊，采用理想的圓管設(shè)計(jì);進(jìn)氣集管采用FlowSplitTRight模塊，排氣集管采用FlowSpitGeneral模塊，根據(jù)該汽油機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)相應(yīng)管道進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

　　⑤曲軸箱模塊。曲軸箱模塊參數(shù)設(shè)置主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(試驗(yàn)給定)、結(jié)構(gòu)參數(shù)(缸徑、沖程、連桿長(zhǎng)度、壓縮比、余隙高度)、點(diǎn)火順序(1-3-4-2)、仿真初始時(shí)刻、摩擦參數(shù)等，其中最主要的參數(shù)是摩擦模型的設(shè)置。經(jīng)過上述步驟，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行模塊搭建，并進(jìn)行參數(shù)分析及設(shè)計(jì)，本文建立了發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)一維模型，如圖1所示。

　　2發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程模型驗(yàn)證

　　圖2、圖3分別為發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩的仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。由圖可知，仿真結(jié)果與廠家提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合程度較好，進(jìn)而驗(yàn)證了本文建立的發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程仿真模型具有較好的仿真精度和準(zhǔn)確性。

　　本文研究的車輛需要在駐車時(shí)通過發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)一起工作，車輛在駐車發(fā)電時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在2100r/min，為外界用電設(shè)備提供穩(wěn)定安全的16kW電力。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的工作效率，計(jì)算得到車輛駐車發(fā)電時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率為18kW。通過GT-Power仿真計(jì)算，得到發(fā)動(dòng)機(jī)在該工況下冷卻液帶走的熱功率為19.6kW，將這一數(shù)值作為邊界條件輸入發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)模型，進(jìn)行冷卻系統(tǒng)工作過程的仿真計(jì)算[4]。

　　3結(jié)論

　　①使用GT-POWER仿真軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)新型電源車發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的模擬，艙流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的模擬。通過對(duì)仿真結(jié)果的分析，得出發(fā)動(dòng)機(jī)駐車發(fā)電時(shí)的散熱量，為下一步機(jī)艙結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供有價(jià)值的參考。②通過與廠家提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的誤差在合理的范圍之內(nèi)，驗(yàn)證了仿真模型建立的準(zhǔn)確性。③在建立仿真模型時(shí)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，對(duì)仿真結(jié)果有一定的影響，在今后更深入的研究中可適當(dāng)提高仿真模型的準(zhǔn)確性。

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