案例研究 - 寒冷环境预热

寒冷环境下预热性能预测

使用精确、集成的一维建模方法获得结果

使用 WAVE 和 流量大师， 计算科学专家组 (CSEG) 建立了 2L 汽油涡轮增压直喷发动机模型，以便预测和量化冷环境热量排放。

挑战

车辆快速高效的预热对乘客舒适度、车辆性能和尾气排放有重大影响。在制造车辆之前，热系统开发团队一直面临着预测和实现车辆理想环境启动性能的挑战，尤其是在寒冷气候下运行。

困难包括：

• 对发动机散热和摩擦的了解不完整
• 频繁改变校准
• 与气候控制测试相关的高昂成本

验证

计算 1D 模型对于量化关键参数的影响对于工程师实现目标性能和效率至关重要。使用这种方法，CSEG 使用 WAVE（Realis Simulation，前身为 Ricardo Software 的 1D 模拟包）和 Flowmaster（Mentor Graphics 的 1D 计算流体动力学 (CFD) 工具）进行了实验验证测试。首先，使用 WAVE 创建并验证了一个热力学发动机模型，该模型适用于 2 升、4 缸汽油涡轮增压直喷发动机，配有冷却废气再循环 (EGR)。该模型用于模拟和预测发动机散热，并量化定义的校准参数的影响，例如火花正时、空燃比、歧管压力和气缸壁温度，环境温度低至 -20 摄氏度/-4 华氏度。

然后将定义的校准参数应用于在 Flowmaster 中开发的冷却系统，其中考虑了发动机和冷却剂热惯性以及组件性能下降的影响，以量化各种关键参数对座舱空气温度的最终影响。组合的 WAVE-Flowmaster 1D 模型提供了以下分析并显示了对 HVAC 性能的影响：

• 火花计时 – 15 度曲轴角延迟火花正时使达到 50 摄氏度所需的时间缩短了 110 秒（23%），25 度曲轴角延迟火花正时使达到 50 摄氏度所需的时间缩短了 160 秒（33%）。同样，冷却液温度分别上升了 4 摄氏度和 6 摄氏度。
• 空燃比 – 空燃比过高会对冷却液预热产生不利影响。与化学计量 AFR 相比，在空气流量较大的情况下，AFR-3 的冷却液达到 50 摄氏度所需的时间增加了 220 秒（150%），AFR-5 的冷却液达到 50 摄氏度所需的时间增加了 900 秒（290%）。同样，10 分钟后的冷却液温度分别降低了 10 摄氏度和 20 摄氏度。
• 发动机转速 – 通过将发动机转速从 1500 rpm 提高到 1700 rpm，评估了发动机转速变化对冷却液预热的影响。提高发动机转速可改善冷却液预热，在 1700 rpm 转速下，冷却液达到 50 摄氏度所需的时间减少了 100 秒（21%）。

机会

CSEG 工程师使用 1D 计算模型（发动机和冷却系统）能够预测发动机在寒冷条件下的散热情况以及发动机校准的影响。这种完全计算的预测方法对于理解发动机在寒冷环境预热时运行的复杂相互作用和机制以及 HVAC 工程师在设计早期阶段实现目标所需的水平至关重要。