趙熙

摘 要：文章介紹了冷卻系統(tǒng)在整車(chē)開(kāi)發(fā)中的重要性，并使用一維模擬分析軟件 Kuli對(duì)一轎車(chē)的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了模擬分析設(shè)計(jì)。建立了包含冷凝器、散熱器、電動(dòng)風(fēng)扇和內(nèi)部阻抗在內(nèi)的系統(tǒng)仿真模型以及如何設(shè)置部件的性能參數(shù)。并對(duì)整車(chē)熱平衡時(shí)的水溫值進(jìn)行模擬。模擬仿真的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，仿真結(jié)果表明：發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度的模擬分析值與實(shí)車(chē)試驗(yàn)值的誤差在 ±1℃以內(nèi)。因此使用該模擬分析方法可方便的實(shí)現(xiàn)車(chē)輛冷卻系統(tǒng)內(nèi)各部件的匹配與優(yōu)化，同時(shí)可以節(jié)省冷卻系統(tǒng)匹配的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，縮短開(kāi)發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：冷卻系統(tǒng)仿真熱平衡；Kuli

1 前言

隨著汽車(chē)環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，降低排放和提高燃油經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)成為各汽車(chē)廠家的追求目標(biāo)。整車(chē)的排放和油耗與車(chē)輛冷卻系統(tǒng)有著密切的關(guān)系，因此整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的地位顯得越來(lái)越重要。

目前，大多數(shù)汽車(chē)整車(chē)廠對(duì)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)所采用的方法是由整車(chē)廠選擇不同性能散熱器及風(fēng)扇組裝后進(jìn)行實(shí)車(chē)熱平衡試驗(yàn)，以驗(yàn)證冷卻系統(tǒng)是否滿足開(kāi)發(fā)目標(biāo)，這是一個(gè)需要多次試驗(yàn)與改進(jìn)的過(guò)程。為解決以上問(wèn)題，對(duì)汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真分析，預(yù)測(cè)冷卻系統(tǒng)各部件之間的相互匹配性能，縮減試驗(yàn)費(fèi)用和開(kāi)發(fā)周期已經(jīng)成為汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的一個(gè)重點(diǎn)。

Kuli 軟件是由知名零部件供應(yīng)商麥格納開(kāi)發(fā)的專門(mén)用于車(chē)輛熱管理的設(shè)計(jì)和仿真分析軟件，本文主要介紹了應(yīng)用 Kuli軟件設(shè)計(jì)整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的過(guò)程和方法。本文建立包括冷凝器、散熱器、電動(dòng)風(fēng)扇等在內(nèi)的整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)仿真模型，通過(guò)本案例可快速實(shí)現(xiàn)車(chē)用冷卻系統(tǒng)的匹配與優(yōu)化，減少整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期和費(fèi)用。

2 整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的建模

以某轎車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程為例，介紹如何使用 Kuli軟件比較和確定冷卻系統(tǒng)部件的設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.1 整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的模型

根據(jù)整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的構(gòu)成及在機(jī)艙內(nèi)的布置情況，建立了冷凝器、散熱器、電動(dòng)風(fēng)扇、內(nèi)部壓降和進(jìn)出口壓降（在 Kuli軟件中為 CP模塊）的仿真模型，如圖 1所示。通常應(yīng)該根據(jù)車(chē)室熱負(fù)荷及空調(diào)吹出口溫度要求值對(duì)冷凝器放熱量進(jìn)行計(jì)算，但是由于在行駛時(shí)其放熱量變化較大，故在計(jì)算冷卻性能時(shí)輸入固定值。該模擬分析利用散熱器模型替代冷凝器模型并在放熱量中輸入固定值。這些模型主要包括 3類信息：（1）零部件的尺寸和位置；（ 2）流體模型，主要包含內(nèi)部流動(dòng)流體和外部流動(dòng)流體的壓力損失特性；（3）散熱器等熱交換部件的放熱特性。以下以散熱器模型為例介紹整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的建模方法。

2.2

散熱器的模型

2.2.1

散熱器的物理參數(shù)

散熱器尺寸：寬： 549mm 高：395mm 厚： 12mm。散熱器位置（左下角相對(duì)位置）： X： 365mm Y：-10mm Z：1251mm。散熱器內(nèi)冷卻液流動(dòng)方向：橫流式（沿正 y軸流動(dòng)）；散熱器入口位置：右上；散熱器芯體布局：標(biāo)準(zhǔn)；散熱器管路：數(shù)量：61，排數(shù)：1。

2.2.2 散熱器內(nèi)部阻力特性

散熱器內(nèi)部流動(dòng)阻力特性：復(fù)合，另外形式為非復(fù)合。冷卻液介質(zhì)：乙二醇；混合比例為 50% 。散熱器內(nèi)部阻力特性如圖 2所示。

2.2.3 散熱器外部阻力特性

空氣濕度： 50%，參考溫度： 20℃，參考?jí)毫Γ?01.3 kPa。散熱器外部流動(dòng)阻力特性曲線如圖 3所示。

2.2.4 散熱器放熱特性

散熱器放熱特性曲線如圖 4所示。

3 定義流體回路

3.1 內(nèi)部流動(dòng)回路

Kuli 軟件中的內(nèi)部流動(dòng)回路為散熱器冷卻液回路。其定義如圖 5所示。

3.2 外部流動(dòng)回路

Kuli 軟件中的外部流動(dòng)回路是指流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的冷卻空氣回路，它包括冷凝器、散熱器、電動(dòng)風(fēng)扇、內(nèi)部壓降和進(jìn)出口壓降等模塊。其定義如圖 6所示。本文將格柵、冷凝器、散熱器等部件的阻抗設(shè)定為 Bir。其中進(jìn)口 Cp為 0.65，出口 Cp為 0。

4 仿真與分析

在 Kuli 軟件中可以改變環(huán)境參數(shù)和零部件的參數(shù)，同時(shí)可以定義不同的車(chē)輛行駛工況，然后計(jì)算出不同工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度等參數(shù)的仿真結(jié)果，評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)是否滿足開(kāi)發(fā)目標(biāo)。

4.1

部件參數(shù)設(shè)計(jì)

4.1.1

電動(dòng)風(fēng)扇

模擬分析工況：如下表 1所示。

不同功率電動(dòng)風(fēng)扇的仿真結(jié)果如表 2所示。

4.2 實(shí)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)天津一汽整車(chē)熱平衡試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)方法如下所述。

高速工況：環(huán)境溫度： 38 ℃±1.0℃；環(huán)境相對(duì)濕度： 50%±5%；太陽(yáng)輻射強(qiáng)度： 1000W/m2±25W/m2。爬坡工況：環(huán)境溫度： 38℃±1.0℃；環(huán)境相對(duì)濕度： 50%±5%；太陽(yáng)輻射強(qiáng)度：1000W/m2±25W/m2。

試驗(yàn)方法：高速工況：車(chē)輛以 120km/h時(shí)速、最高檔位在平坦路行駛 30min。轉(zhuǎn)轂加載

3.0%坡度，車(chē)輛以能維持 110km/h時(shí)速、最高檔位在坡路行駛 6km。車(chē)輛在 2min內(nèi)將車(chē)速降為 0km/h。車(chē)輛怠速 10min。爬坡工況：轉(zhuǎn)轂加載 11%坡度，車(chē)輛以 3檔 57km/h時(shí)速在坡路行駛 8.5km。車(chē)輛停機(jī) 10min。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在機(jī)油溫度低于 75℃時(shí)開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)。當(dāng)機(jī)溫度達(dá)到 75℃時(shí)，試驗(yàn)正式開(kāi)始。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如下表 4所示。

試驗(yàn)結(jié)果與仿真對(duì)比如下表 3所示：

從實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的對(duì)比看，本文所使用的仿真模型的計(jì)算誤差在 ± 1℃內(nèi)，說(shuō)明本文所使用的仿真模型和模擬分析是可靠的。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了包含冷凝器、散熱器、電動(dòng)風(fēng)扇、機(jī)艙內(nèi)部流動(dòng)阻力以及機(jī)艙進(jìn)出口壓降在內(nèi)的整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)仿真模型，實(shí)現(xiàn)了冷卻系統(tǒng)中散熱器及電動(dòng)風(fēng)扇的快速匹配與優(yōu)化仿真，其主要結(jié)論：通過(guò)搭建整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的仿真模型，可快速有效的實(shí)現(xiàn)整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)各部件之間的匹配與優(yōu)化。

同時(shí)需要指出的是，在整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)仿真模型中，子部件的模型是依賴于各子部件性能數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上的，要獲得更加準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，需要各子部件性能的仿真精度或試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)通常需要在環(huán)境倉(cāng)中進(jìn)行大量的試驗(yàn)，其試驗(yàn)費(fèi)用昂貴，開(kāi)發(fā)周期也長(zhǎng)。應(yīng)用 Kuli軟件對(duì)車(chē)輛的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行匹配分析，可以有效縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳建華汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)原理北京機(jī)械工業(yè)出版社 2005.

[2]劉惟信汽車(chē)設(shè)計(jì)北京清華大學(xué)出版社 2001.

[3]陳家瑞汽車(chē)構(gòu)造北京機(jī)械工業(yè)出版社 2004.

[4]張翔王佳楊建中蔡志標(biāo)仿真技術(shù)在設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用天津天津汽車(chē) 2008.

[5]班中楊愛(ài)軍輕型車(chē)輛冷卻系統(tǒng)仿真河南省汽車(chē)工程學(xué)會(huì)第七屆科研學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集 2011.