許翔 伊虎城 趙豐 張藝倫

摘要：為解決某型SUV乘用車在中、低速爬坡和高速行駛工況下發(fā)動機(jī)水溫過高的問題，利用一維和三維聯(lián)合仿真工具建立整車?yán)鋮s系統(tǒng)的仿真模型，采用試驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方法，分析單回路和雙回路冷卻系統(tǒng)、不同冷卻管路布置、不同散熱器選型，以及不同前端冷卻模塊結(jié)構(gòu)等對冷卻系統(tǒng)熱平衡性能的影響。結(jié)果表明：變速箱和發(fā)動機(jī)相互獨(dú)立的雙回路冷卻系統(tǒng)可以明顯降低發(fā)動機(jī)的出水溫度;冷卻系統(tǒng)管路的布置對冷卻液流量分配有一定影響，但對冷卻液溫度影響較小;通過散熱器優(yōu)化選型并改進(jìn)機(jī)艙前端冷卻模塊的結(jié)構(gòu)，可以改善機(jī)艙流場特性，增大冷卻系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量，進(jìn)而提升冷卻系統(tǒng)的散熱性能。

關(guān)鍵詞：乘用車;冷卻系統(tǒng);熱平衡;聯(lián)合仿真;流量分配;流場優(yōu)化

中圖分類號：TP391.99;U464.138

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1006-0871（2021）03-0038-06

DOI：10.13340/j.cae.2021.03.007

Abstract：To?solve?the?problem?that?the?engine?water?temperature?of?an?SUV?passenger?vehicle?is?too?high?when?climbing?at?medium?and?low?speed?and?driving?at?high?speed，?the?simulation?model?of?vehicle?cooling?system?is?established?using?1D?and?3D?co-simulation.?Combining?test?and?simulation，?the?effects?of?single?loop?and?double?loop?cooling?system，?different?cooling?pipeline?layout，?different?radiator?selection，?and?different?front?cooling?module?structure?on?the?heat?balance?performance?of?the?cooling?system?are?analyzed.?The?results?show?that?the?double?loop?cooling?system?with?independent?transmission?and?engine?can?significantly?reduce?the?water?outlet?temperature?of?the?engine;the?layout?of?the?cooling?system?pipeline?has?a?certain?impact?on?the?coolant?flow?distribution，?but?has?little?impact?on?the?coolant?temperature;optimizing?the?radiator?selection?and?improving?the?structure?of?the?front?cooling?module?of?the?engine?room，?the?flow?field?characteristics?of?the?engine?room?can?be?improved，?and?the?inlet?air?volume?of?the?cooling?system?can?be?increased，?and?then?the?heat?dissipation?performance?of?the?cooling?system?can?be?improved.

Key?words：passenger?vehicle;cooling?system;thermal?balance;co-simulation;flow?distribution;flow?field?optimization

0?引?言

冷卻系統(tǒng)的性能對汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性、尾氣排放，以及環(huán)境適應(yīng)性等有直接影響。[1-2]隨著國家排放和油耗法規(guī)要求的提高，小排量、大功率渦輪增壓直噴等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的熱負(fù)荷越來越高。[3]汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的性能受環(huán)境溫度和氣壓、車速、發(fā)動機(jī)負(fù)荷、前端冷卻模塊配置、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速以及空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)等多因素的綜合影響[4-7]，其精準(zhǔn)設(shè)計成為一個亟待解決的重要技術(shù)問題。傳統(tǒng)燃油汽車一般采用機(jī)械驅(qū)動的冷卻系統(tǒng)，不能根據(jù)發(fā)動機(jī)等發(fā)熱部件的熱負(fù)荷自動調(diào)節(jié)冷卻強(qiáng)度，導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)效率低、功耗大。[8]在長時間低速爬坡行駛時，汽車發(fā)動機(jī)的熱負(fù)荷大，冷卻液流量和散熱器進(jìn)風(fēng)量小，使冷卻系統(tǒng)的冷卻能力變差，嚴(yán)重的導(dǎo)致發(fā)動機(jī)冷卻水溫超標(biāo)，進(jìn)而影響汽車的正常使用。提升汽車?yán)鋮s系統(tǒng)性能的主要方法，一是優(yōu)化冷卻系統(tǒng)內(nèi)部冷卻介質(zhì)的流動和傳熱過程，二是提高外部冷卻空氣的流通與散熱能力。在汽車?yán)鋮s系統(tǒng)仿真分析中，一維仿真和三維仿真使用較為廣泛，這2種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。一維和三維聯(lián)合仿真是汽車?yán)鋮s系統(tǒng)參數(shù)選型匹配、性能影響定量分析、散熱模塊優(yōu)化等研究的重要手段。[9-13]

針對某型SUV乘用汽車在部分惡劣工況出現(xiàn)水溫過高的問題，采用一維和三維聯(lián)合仿真的方法，對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行仿真與優(yōu)化，分析無級變速箱（continuously?variable?transmission，?CVT）與發(fā)動機(jī)集成冷卻（單回路）和變速箱獨(dú)立冷卻（雙回路）、冷卻管路布局、散熱器類型、機(jī)艙前端布置等對冷卻系統(tǒng)冷卻液的流量分配和溫度分布等的影響，確定冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方案。研究方法和結(jié)論可為汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1?冷卻系統(tǒng)仿真建模

某SUV車型冷卻系統(tǒng)的組成和工作原理見圖1，主要包括發(fā)動機(jī)水套、水散熱器、變速箱油冷器、暖風(fēng)芯體、水泵和節(jié)溫器等部件，渦輪增壓器和機(jī)油冷卻器也集成在發(fā)動機(jī)冷卻回路中。變速箱采用2種備選冷卻方案：一種是變速箱油冷器集成在發(fā)動機(jī)冷卻回路中的單回路冷卻系統(tǒng)，變速箱的熱量通過變速箱油冷器傳遞給冷卻液，再通過水散熱器散熱;另一種是變速箱冷卻與發(fā)動機(jī)冷卻相互獨(dú)立的雙回路冷卻系統(tǒng)，即變速箱的熱量先通過變速箱油冷器傳給冷卻液，然后通過安裝在機(jī)艙前端的變速箱水散熱器進(jìn)行散熱。

1.2?一維仿真模型

一維仿真方法適合研究整個汽車?yán)鋮s系統(tǒng)內(nèi)部冷卻介質(zhì)的流動與傳熱特性，通過分析冷卻系統(tǒng)內(nèi)部冷卻液的流量分配和溫度分布，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的水泵、散熱器、節(jié)溫器等部件的選型匹配和管路結(jié)構(gòu)?；贏MESim軟件建立整車?yán)鋮s系統(tǒng)一維仿真模型，見圖2。發(fā)動機(jī)水套、水泵、節(jié)溫器、油冷器、水散熱器等關(guān)鍵部件的流阻特性和傳熱特性根據(jù)零部件單體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定;發(fā)動機(jī)、變速箱、增壓器等發(fā)熱部件傳給冷卻液的熱量由臺架熱平衡模擬試驗(yàn)測得;前端冷卻模塊的進(jìn)氣溫度和風(fēng)速等邊界參數(shù)通過冷卻系統(tǒng)一維仿真模型和機(jī)艙三維CFD仿真聯(lián)合計算設(shè)置。

1.3?模型驗(yàn)證

選取低速爬坡（60?km/h、10.0%坡度）、高速爬坡（90?km/h、7.2%坡度）和高速行駛（150?km/h）等3種發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷和散熱功率最大的極端工況，在汽車環(huán)境艙內(nèi)40?℃模擬環(huán)境條件下進(jìn)行整車熱平衡模擬試驗(yàn)。冷卻液流量仿真值與整車試驗(yàn)值的曲線對比見圖3，兩者最大相對誤差約6%，平均相對誤差小于5%。

發(fā)動機(jī)進(jìn)出口冷卻液溫度仿真值與試驗(yàn)值對比見表1。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果整體吻合較好，平均相對誤差約5%，表明冷卻系統(tǒng)仿真模型的精度較高，可用于冷卻系統(tǒng)的仿真與優(yōu)化分析。由表1可以看出，低速和高速爬坡工況時發(fā)動機(jī)出口的冷卻液溫度偏高，冷卻液溫度超過最高允許溫度值（115?℃），主要原因是機(jī)艙前端冷卻空氣的流量不足且散熱器本身的散熱能力偏小。

2?冷卻系統(tǒng)優(yōu)化分析

2.1?冷卻系統(tǒng)管路優(yōu)化

為研究不同冷卻系統(tǒng)管路方案對冷卻液流量分配的影響，利用實(shí)車?yán)鋮s系統(tǒng)部件和管路，搭建整車?yán)鋮s系統(tǒng)臺架試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)方案包括3種：

方案一是變速箱冷卻器集成在發(fā)動機(jī)冷卻回路中，變速箱回水接到散熱器出口;方案二是變速箱回水接到散熱器進(jìn)水管路;

方案三是變速箱采用單獨(dú)冷卻方式，與發(fā)動機(jī)冷卻回路獨(dú)立。不同冷卻方案中冷卻部件的冷卻液流量對比見圖4。

變速箱回水接到散熱器進(jìn)水管路，使流經(jīng)散熱器的冷卻液流量增大，尤其是在高轉(zhuǎn)速區(qū)更明顯。變速箱冷卻回路接到散熱器前或后，對暖風(fēng)芯體的冷卻液流量幾乎沒有影響，主要原因是暖風(fēng)芯體冷卻液回路相對獨(dú)立，受機(jī)油和變速箱冷卻回路的影響很小。在發(fā)動機(jī)中、高轉(zhuǎn)速時，采用變速箱獨(dú)立冷卻方式時暖風(fēng)芯體的流量降低。變速箱冷卻回路接到散熱器進(jìn)水管路時，變速箱冷卻液流量顯著下降。冷卻管路的不同布置方案對各冷卻支路的冷卻液流量分配和溫度分布有一定影響，但對整個冷卻系統(tǒng)的冷卻液總流量和散熱量影響有限，因此冷卻系統(tǒng)管路優(yōu)化不能從根本上解決冷卻系統(tǒng)散熱能力不足的問題。

2.2?散熱器優(yōu)化選型

散熱器是冷卻系統(tǒng)的主要散熱部件，散熱器的通風(fēng)和散熱能力是影響冷卻系統(tǒng)熱平衡性能的關(guān)鍵因素。[14]選取滿足機(jī)艙空間布置要求且結(jié)構(gòu)尺寸非常相近的5種不同型號散熱器，結(jié)合5種散熱器的單體性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于整車?yán)鋮s系統(tǒng)一維仿真模型，分析不同散熱器對冷卻性能的影響。5種不同散熱器的結(jié)構(gòu)尺寸見表2。

5種散熱器的散熱量隨冷卻風(fēng)量和冷卻液流量的變化對比見圖5。散熱器的芯體結(jié)構(gòu)、扁管，以及翅片流動與傳熱特性等是影響散熱器通風(fēng)和散熱能力的主要因素。由表2和圖5可知，雖然5種散熱器的芯體尺寸非常接近，但是散熱能力差異很明顯，其中R-1散熱器的散熱能力最強(qiáng)，R-5散熱器的散熱能力最差，其他3種散熱器的散熱能力比較接近。以散熱器R-1為例，冷卻液流量和冷卻風(fēng)量均增大1倍時，散熱量分別增大26.6%和70.7%，由此可知冷卻風(fēng)量對散熱器散熱性能的影響比冷卻液流量更顯著。

散熱器選型匹配仿真分析主要以發(fā)動機(jī)出口水溫為評價指標(biāo)。在變速箱非獨(dú)立冷卻方案中，5種型號散熱器對應(yīng)的發(fā)動機(jī)出水溫度仿真結(jié)果見表3。此時，R-1的冷卻能力最優(yōu)，R-5的冷卻能力最差，只有R-1散熱器滿足所有極端工況的冷卻要求（發(fā)動機(jī)出水溫度≤115?℃），其他4種散熱器均不符合選型要求。

當(dāng)變速箱采用獨(dú)立冷卻方案時，5種型號散熱器對應(yīng)的發(fā)動機(jī)出水溫度仿真結(jié)果見表4。此時，R-1、R-2、R-3和R-4散熱器的冷卻能力滿足所有極限工況的冷卻要求，只有R-5散熱器不符合選型要求。

通過以上分析可知，冷卻系統(tǒng)采用變速箱獨(dú)立冷卻方案的安全性最高，但會增加冷卻系統(tǒng)設(shè)計制造成本。在5種散熱器中，R-1散熱器的散熱效果最好，芯體體積相對較小，迎風(fēng)面積較大，與冷卻系統(tǒng)匹配性更好。

2.3?前端模塊布置優(yōu)化

汽車前端模塊和機(jī)艙內(nèi)布置優(yōu)化是提升冷卻系統(tǒng)性能的關(guān)鍵措施之一，優(yōu)化的主要目的是改善機(jī)艙流場特性、增大冷卻系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量、抑制機(jī)艙內(nèi)的有害傳熱、降低熱害風(fēng)險[15]。研究表明，增大冷卻系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量比增大冷卻液循環(huán)流量對提升冷卻系統(tǒng)性能更有效。前端模塊中冷器下方增加擋風(fēng)板前、后的三維模型見圖6。

前端模塊增加擋風(fēng)板后，在車速為110?km/h時中冷器表面的風(fēng)速分布云圖見圖7。由于增加的擋風(fēng)板阻擋機(jī)艙前端模塊右側(cè)的空氣回流，使中冷器進(jìn)風(fēng)量由原來的0.292?kg/s增大到0.330?kg/s。增加擋風(fēng)板后中冷器表面空氣流速分布更加均勻，對中冷器的散熱性能發(fā)揮更加有利。

格柵開度增大后水散熱器表面的風(fēng)速分布云圖見圖8。進(jìn)風(fēng)量從1.070?kg/s增大到1.170?kg/s，平均風(fēng)速從3.32?m/s增大到3.62?m/s。增大格柵開度之后，不僅水散熱器的進(jìn)風(fēng)量增大了，而且水散熱器表面的空氣速度分布更加均勻。散熱器表面風(fēng)速均勻度的改善對提高散熱器的散熱效率效果明顯。

汽車機(jī)艙前端模塊的結(jié)構(gòu)優(yōu)化可知，在機(jī)艙前端模塊增加擋風(fēng)板并增大格柵開度，可阻擋機(jī)艙側(cè)面的空氣回流和漏風(fēng)量，阻斷熱回流，提升進(jìn)氣效率，使冷卻系統(tǒng)的風(fēng)速和進(jìn)風(fēng)量均增大，流場分布更均勻，有利于提高冷卻系統(tǒng)的散熱能力。

2.4?優(yōu)化方案驗(yàn)證

針對原來的單回路冷卻方案和改進(jìn)后的雙回路冷卻方案，驗(yàn)證冷卻系統(tǒng)優(yōu)化方案的效果，3種典型工況下發(fā)動機(jī)出口冷卻液的溫度對比見表5，其中雙回路冷卻方案采用第2.2節(jié)中驗(yàn)證過的散熱性能更好的R-1水散熱器。當(dāng)變速箱冷卻從發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)中獨(dú)立出來后，發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱功率下降約3～6?kW，冷卻液的流量略有增大，綜合影響使發(fā)動機(jī)出口冷卻液的溫度下降約5?℃，滿足整車熱平衡性能的要求。

3?結(jié)束語

一維仿真方法適合研究整車?yán)鋮s系統(tǒng)內(nèi)部冷卻介質(zhì)的流動與傳熱特性，但無法獲取汽車前端模塊和機(jī)艙內(nèi)的冷熱流場細(xì)節(jié);三維仿真方法計算過程復(fù)雜，計算量大且耗時長，但可以準(zhǔn)確獲取冷卻系統(tǒng)空氣的流動與散熱特性。一維仿真與三維仿真聯(lián)合的方法，可以在新車型開發(fā)中快速對冷卻系統(tǒng)的性能進(jìn)行有效預(yù)測和評估，實(shí)現(xiàn)整車?yán)鋮s系統(tǒng)各部件之間的匹配和優(yōu)化，使冷卻系統(tǒng)的流量得到更合理的分配，在開發(fā)前期得到水溫偏高問題的解決方案，進(jìn)而降低樣車試制費(fèi)用和試驗(yàn)次數(shù)，提高開發(fā)效率、節(jié)省開發(fā)成本。

汽車?yán)鋮s系統(tǒng)發(fā)動機(jī)出水溫度過高的根源在于冷卻液回路和冷卻空氣流通回路的設(shè)計不合理，保證足夠多的冷卻液流量和冷卻風(fēng)量才能把冷卻系統(tǒng)的熱量散發(fā)出去。冷卻系統(tǒng)管路布局調(diào)整可以優(yōu)化冷卻液的流量分配和溫度分布，但不能從根本上解決發(fā)動機(jī)出水溫度過高的問題。散熱器優(yōu)化選型、機(jī)艙前端模塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化等才是解決汽車?yán)鋮s系統(tǒng)水溫過高的有效措施。通過散熱器優(yōu)化選型、采用新導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)或增大格柵開度等措施，可以改善機(jī)艙流場特性，增大冷卻系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量，提高冷卻系統(tǒng)的散熱性能。

隨著汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的散熱功率和集成度越來越高，采用變速箱獨(dú)立冷卻方案的雙回路冷卻系統(tǒng)可以顯著減少發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱功率，進(jìn)而降低發(fā)動機(jī)的出水溫度。由于雙回路冷卻系統(tǒng)增加水泵、管路和變速箱油冷器等冷卻部件，使得整車?yán)鋮s系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計更復(fù)雜，質(zhì)量、體積和成本也會增加。因此，采用何種冷卻方案需要結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行綜合評估。

參考文獻(xiàn)：

[1]?HAGHIGHAT?A?K，?ROUMI?S，?MADANI?N，?et?al.?An?intelligent?cooling?system?and?control?model?for?improved?engine?thermal?management[J].?Applied?Thermal?Engineering，?2018，?128：253-263.?DOI：10.1016/j.applthermaleng.2017.08.102.

[2]?SHIN?Y?H，?KIM?S?C，?KIM?M?S.?Use?of?electromagnetic?clutch?water?pumps?in?vehicle?engine?cooling?systems?to?reduce?fuel?consumption[J].?Energy，?2013，?57：624-631.?DOI：10.1016/j.energy.2013.04.073.

[3]?LI?X，?ZHU?L，?ZHU?Y?C，?et?al.?Performance?simulation?study?of?vehicle?engine?cooling?system[C]//?Proceedings?of?China?SAE?Congress?2018.?Shanghai：Society?of?Automotive?Engineers，?2018.

[4]?KHALED?M，?RAMADAN?M，?EL-HAGE?H，?et?al.?Review?of?underhood?aerothermal?management：Towards?vehicle?simplified?models[J].?Applied?Thermal?Engineering，?2014，?73（1）：842-858.?DOI：10.1016/j.applthermaleng.2014.08.037.

[5]?PARK?S，?WOO?S，?KIM?M，?et?al.?Thermal?modeling?in?an?engine?cooling?system?to?control?coolant?flow?for?fuel?consumption?improvement[J].?Heat?and?Mass?Transfer，?2017，?53：1479-1489.?DOI：10.1007/s00231-016-1909-z.

[6]?LI?W?S，?LONG?Y?H，?LIU?J?L，?et?al.?Simulation?and?optimization?for?cooling?system?of?heavy?vehicle?engine[J].?Applied?Mechanics?and?Materials，?2014，?599-601：455-459.?DOI：10.4028/www.scientific.net/AMM.599-601.455.

[7]?徐玉梁，?陳利國，?白楊，?等.?汽油發(fā)動機(jī)雙回路冷卻系統(tǒng)的研究[J].?工程設(shè)計學(xué)報，?2020，?27（5）：671-680.?DOI：10.3785/j.issn.1006-754X.2020.00.065.

[8]?張釗，?張揚(yáng)軍，?諸葛偉林.?發(fā)動機(jī)電控冷卻系統(tǒng)性能仿真研究[J].?汽車工程，?2005，?27（3）：296-299.

[9]?WANG?G?H，?GAO?Q，?ZHANG?T?S，?et?al.?A?simulation?approach?of?under-hood?thermal?management[J].?Advances?in?Engineering?Software，?2016，?100：43-52.?DOI：10.1016/j.advengsoft.2016.06.010.

[10]?LU?P?Y，?GAO?Q，?WANG?Y.?Simulation?methods?based?on?1D/3D?collaborative?computing?for?vehicle?integrated?thermal?management[J].?Applied?Thermal?Engineering，?2016，?104：42-53.?DOI：10.1016/j.applthermaleng.2016.05.047.

[11]?郭健忠，?羅仁宏，?王之豐，?等.?商用車發(fā)動機(jī)艙熱管理一維/三維聯(lián)合仿真與試驗(yàn)[J].?中國機(jī)械工程，?2016，?27（4）：526-530.?DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.04.018.

[12]?梁小波，?袁俠義，?谷正氣，?等.?運(yùn)用一維/三維聯(lián)合仿真的汽車熱管理分析[J].?汽車工程，?2010，?32（9）：793-798.?DOI：10.19562/j.chinasae.qcgc.2010.09.010.

[13]?趙強(qiáng)，?林建平，?閔峻英，?等.?客車發(fā)動機(jī)艙熱管理系統(tǒng)的數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].?計算輔助工程，?2017，?26（6）：23-29.?DOI：10.13340/?j.cae.2017.06.004.

[14]?張秉坤，?趙津，?甯油江，?等.?發(fā)動機(jī)冷卻散熱器匹配選型優(yōu)化設(shè)計仿真[J].?計算機(jī)仿真，?2017，?34（5）：177-181.?DOI：10.3969/j.issn.1006-9348.2017.05.037.

[15]?KHALED?M，?FARAJ?J，?HARIKA?E，?et?al.?Impact?of?underhood?leakage?zones?on?aerothermal?situation：Experimental?simulations?and?physical?analysis[J].?Applied?Thermal?Engineering，?2018，?145：507-515.?DOI：10.1016/j.applthermaleng.2018.09.077.

（編輯?武曉英）