某車型冷卻系統優化設計

王次安，王宏大，劉吉林，倪成鑫

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某車型冷卻系統優化設計

王次安，王宏大，劉吉林，倪成鑫

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于某車型在低溫怠速試驗中節溫器不能正常打開問題進行研究，提出相應的優化方案，首先依據冷卻系統原理圖進行冷卻系統一維分析，獲取流量邊界數據，然后對水泵節溫器總成建模，進行CFD分析，得到不同工況下的流速及汽蝕數據，最后通過試驗驗證優化方案的有效性。

1D；汽蝕；冷卻系統；CFD；試驗

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)05-30-03

前言

發動機冷卻系統是保障發動機正常穩定運行 的重要系統之一，其主要功能是保證發動機在各種工況下都有最適宜的工作溫度[1]，冷卻系統對發動機的動力性、經濟性以及可靠性都有很大的影響[2]。而冷卻系統溫度主要由節溫器進行控制，根據發動機水溫的高低自動改變冷卻水的循環路線及流量，使發動機始終工作在最適合的溫度下[3]，所以節溫器的設計也就尤為重要。

本文基于某車型節溫器在低溫怠速工況下不能正常打開的問題進行研究。利用一維和三維聯合仿真分析方法對某車型冷卻系統進行建模獲取典型工況下的水循環流量和壓力邊界[4]，然后對優化前后的水泵節溫器總成進行CFD分析，得到不同工況下的水泵節溫器總成性能表現，確定結構優化實際效果，最后通過低溫怠速試驗驗證優化效果。

1、流量邊界計算

該車型冷卻系統原理如圖1所示，冷卻系統包括高溫循環冷卻系統和低溫循環冷卻系統，分別由機械水泵和電子水泵進行驅動。

圖1 冷卻系統原理圖

以冷卻系統原理圖為基礎，建立該車型冷卻系統分析模型，模型如圖2所示，圖中對冷卻系統各主要部件進行標注。本次計算工況為怠速工況和額定轉速工況，具體計算結果如表1所示，該數據為水泵節溫器閥座CFD分析邊界數據。

圖2 冷卻系統分析模型

表1 不同工況下流量邊界

2、水泵節溫器總成分析

因該車型節溫器不能正常打開，所以制定節溫器閥座優化方案，具體方案如圖3所示，在節溫器閥座腔室與水泵腔室中間增加一個凸臺，其設計意圖為將冷卻液向節溫器蠟包上端引流。為了驗證該方案的有效性及增加凸臺對水泵汽蝕的影響程度，進行CFD分析，本次計算為了考慮水泵攪動對冷卻液流動的影響，同時建立水泵CFD分析模型。

圖3 節溫器閥座優化方案

怠速工況下計算結果如下圖所示，其中圖4為總成流體域壓力分布圖，圖中標注流體域各進出口位置，通過壓力分布圖可以看出，水泵出口壓力大于水泵入口壓力，這與實際工作過程相符。

圖4 總成流體域壓力分布圖

圖5為怠速工況下沿著流動方向截面上的流速分布圖，根據模型中監測點流速數據可知，原結構節溫器蠟包上端流速為0.11m/s，新結構流速為0.17m/s，流速增加約55%，流速增加明顯。圖6為垂直方向截面流速分布圖，根據對比可知，優化方案節溫器蠟包上端流速增加較明顯，說明優化方案有助于提高節溫器蠟包周圍流速。

圖5 流動方向截面流速分布圖

圖6 垂直方向截面流速分布圖

圖7 水泵流體域截面壓力分布圖

額定轉速工況下計算結果如下圖所示，其中圖7為水泵流體域截面壓力分布圖，由圖可知，壓力由中間向外增加，到出口位置壓力最大，出口壓力約為2.5bar，該壓力與冷卻系統一維分析相符，說明冷卻系統及水泵CFD分析的有效性。圖8為水泵葉輪表面汽蝕損害能量分布圖，通常認為當汽蝕損害能量達到5× 108時，水泵會發生汽蝕，根據原結構與新結構對比可知，汽蝕損害能量區域基本一致，汽蝕損害能量沒有明顯增加，節溫器閥座增加凸臺后對水泵汽蝕性能影響較小，優化方案可行。

圖8 水泵葉輪表面汽蝕損害能力分布圖

3、怠速水溫試驗

為驗證節溫器閥座優化實際效果，再次制作節溫器閥座快速成型件，裝配在車輛上，進行低溫怠速試驗，并通過在發動機進出水管安裝水溫傳感器監測溫度變化情況。圖9為低溫怠速試驗中，溫度隨時間變化情況。根據溫度監控曲線可知，發動機出水溫度隨著時間呈線性快速增加，當水溫達到82℃時，節溫器開始打開，水溫增加變緩。因節溫器沒有打開，發動機進水溫度最開始基本沒變化，當時間達到6.5min時，發動機出水溫度達到82℃，節溫器開始打開，發動機進水溫度大幅增加，直至與發動機出水溫度存在一定溫差后隨出水溫度平行變化，最后當水溫達到95℃時節溫器全開，水溫有所降低。

圖9 低溫怠速試驗溫度隨時間變化

4、結論

本文基于某車型開發過程中存在的節溫器不能打開的問題，提出優化方案，并聯合一維和三維分析進行冷卻系統分析與流體域CFD分析，驗證改進方案優化效果及改進方案對水泵汽蝕性能的影響，根據分析結果知，優化方案對蠟包周圍流速提升非常明顯，且對水泵葉輪汽蝕影響較小，最后通過低溫怠速試驗驗證優化效果。

[1] 姚仲鵬,王新國.車輛冷卻傳熱[M ].北京：北京理工大學出版社.2001．

[2] 黃燦，葉寒.某型柴油機冷卻水路的模擬分析 與優化 [J].南昌大學學報（工科版），2016，（1）75-78.

[3] 劉艷莉,董長興等.汽車構造與使用[M ].北京：人民郵電出版社,2011.

[4] 孔祥健,李言等.基于GT—COOL/FLUENT的汽車發動機冷卻系調溫器聯合仿真研究[J].西安理工大學學報，2015，（2）195-200.

Optimization Design of Cooling System for a Vehicle

Wang Ci'an, Wang Hongda, Liu Jilin, Ni ChengXin
(Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

The thermostat of a vehicle can not open during low temperature idling test, the optimization design is proposed. First, the cooling system 1D model is built based on cooling system scheme, so the flow rate and pressure data can be got, then the velocity around thermostat and cavitation of impeller data can be got based on CFD analysis. After that, the accuracy of simulation can be verified according to test.

1D; cavitation; Cooling system; CFD; Test

U467.3

A

1671-7988 (2017)05-30-03

王次安（1986-）男，工程師，就職于江淮汽車技術中心發動機設計研究院，研究方向為發動機冷卻系統分析。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.05.010