1106C型发动机冷却系统的仿真分析与优化设计

随着农业机械化越来越普遍,农用机械特别是拖拉机经常在田间的恶劣环境下低速高功率大负荷工作,但其散热不像普通轿车那么简单,由于散热条件不好造成水箱开锅的现象也屡见不鲜。若冷却能力过剩,导致热量损失太多,又降低了拖拉机的燃油经济性。针对拖拉机冷却系统实际过程中出现的各种问题,大多都是从农用拖拉机的关键使用要点,及时预防故障采取措施和通过相关实验从局部的关键零部件改善冷却系统的性能,未能显著有效地提高冷却系统的冷却性能。虽然国内外很多专家学者和研究机构针对拖拉机冷却系统进行了大量的研究与改进,但是拖拉机冷却系统还是存在几点常见又难以解决的问题:1.用于满足下一代欧盟和美国严格排放法规要求的发动机技术相对于现在增加了约25%的排热量,同时又受到经济性的制约,因此需要更强大的冷却系统和先进的发动机热管理技术;2.由于拖拉机不同于轿车的行驶路况,经常在各种恶劣环境下工作,对冷却系统提出更大的考验,一般国内拖拉机公司也多从维护保养中对冷却系统采用各种有效措施,但不能从源头上解决根本问题保证冷却系统的可靠性,易出现各种问题且难于检测,需停机检查浪费不少人力物力;3.虽然对轿车的冷却系统有一些实验加仿真计算,但对拖拉机发动机冷却系统的联合仿真和优化计算不多,对拖拉机冷却系统的研究一般都局限在实验上,且一般都限定在某个模块或某个零部件上,未从整体上考虑到多个模块联合仿真,难以得到最优化的部件参数使其与各模块匹配优化。针对以上问题,系统化地研究拖拉机发动机冷却部件参数对冷却性能的影响规律和拖拉机发动机冷却系统的优化匹配是很有必要的。因此系统化地从整体研究冷却系统,采用合理化的冷却模型改善各关键零部件性能,对提高冷却系统冷却效果从而提高发动机的动力性和经济性有着非常重要的意义。本文依托于国家重点开发项目“新型节能环保农用发动机开发”,采用仿真计算的方法进行了拖拉机冷却系统冷却性能的研究,通过拖拉机道路行驶试验和田间作业试验验证冷却系统的冷却性能,完成拖拉机冷却系统的优化设计。主要研究内容如下:1.进行拖拉机冷却系统结构分析和评价指标定义。分析散热器、水泵、冷却风扇等构成冷却系统主要部件的结构,定义发动机冷却系统的评价指标并说明评价冷却系统的主要方法。2.进行冷却系统模型搭建和模型校准。基于选定发动机对冷却系统进行主要参数的设置,根据其基本结构搭建AMESim仿真模型,再用已有试验数据验证模型的正确性。3.探索冷却部件参数对冷却性能影响规律的研究。对拖拉机在道路行驶稳态工况和田间作业变速工况下进行冷却系统冷却性能的仿真研究,并通过仿真结果说明有效增大散热器的正面积可以优化散热器的散热效果;然后改变冷却系统模型中冷器、散热器、风扇等核心部件相关参数,通过仿真计算研究相关参数对发动机冷却性能的影响,得出此发动机中冷器、散热器、风扇间的最优化位置关系;其次研究两种冷却风扇在低速高负荷、低速低负荷、高速高负荷、高速低负荷这四种工况下对发动机冷却性能的影响,仿真结果表明使用电磁离合式风扇后拖拉机发动机在高速低负荷下耗功下降明显,减少了13.7%。4.完成发动机冷却系统的优化设计,检验优化后的冷却部件能否满足各苛刻工况(高负荷大功率,高温,怠速)下的冷却性能要求,力求为拖拉机发动机冷却系统的优化和检验提供一种可靠有效的方法。主要在爬坡、高温和低温三种较为典型的环境工况对拖拉机的冷却性能进行了仿真模拟,结果表明优化后的冷却部件能满足各苛刻工况的冷却性能要求。