某乘用車冷卻系統一維模擬分析

于乾一，王永華，程文，許風玉

（長春理工大學 機電工程學院，長春 130022）

冷卻系統是車輛的主要系統之一，車輛運行中燃料總熱量的20%～30%通過車輛冷卻系統進行散熱[1]。各支路中冷卻液的流量直接影響冷卻系統的散熱效果。然而，冷卻系統中的各部件水套形狀非常復雜，各管路走向尺寸多樣，各部件管路相互連通錯綜復雜，導致在車輛總布置階段正確估計各支路流量非常困難[2]。為了滿足嚴格的排放法規和經濟性，對發動機冷卻系統提出了更高的要求[3]。因此管理熱負荷已經成為現代渦輪增壓發動機在設計上的一大挑戰。

傳統方法只能依靠經驗進行估計，導致冷卻系統的設計裕度偏大。也就意味著車輛可能使用了過大的散熱器，發動機選擇了過大的水泵，最終導致車輛機艙布置困難、車輛制造成本上升、發動機油耗上升等問題。現代CFD技術伴隨著計算機技術、數值計算技術的提高得到了迅速的發展。基本原理是根據數值求解控制流體流動的微分方程，得到流體流動的流場在連續區域上的離散分布，從而近似模擬流體流動情況。目前已經成為企業產品研發和相關科研院所進行科研實踐的重要手段[4]。其在汽車工程中的應用越來越廣泛，包括汽車產品的整車設計，汽車濾清器濾材仿真參數研究，汽車散熱器仿真研究，汽車空調系統除霜性能模擬分析等。通過使用一維流動分析，可以在乘用車設計前期就進行有效的冷卻系統的功能部件選型，有效的縮短設計周期、降低開發成本和風險[5]。為此，論文中以一款搭載某型增壓發動機的某乘用車冷卻系統為研究對象，利用KULI軟件建立冷卻系統的一維流動分析模型，對該乘用車冷卻系統中各支路的流量分配進行了分析[6-7]。

1 冷卻系統的一維流動分析過程

1.1 車輛冷卻系統概述

車輛的冷卻系統大致包括散熱器、空調暖風機換熱水套、發動機水套、發動機水泵、發動機恒溫器、發動機增壓器冷卻水套、發動機機油冷卻器冷卻水套及相應連接管路，各部分的連接示意圖，即冷卻系統一維模擬原理圖，如圖1所示。一維流動分析模型簡圖如圖2所示。

圖1 一維模擬原理圖

圖2 一維模擬布置圖

1.2 模型的簡化及邊界條件

管路布置及相關參數參考整車開發目標及布置方案給定；發動機及節溫器冷卻液側的流阻特性通過發動機水流臺架試驗獲得；水泵、散熱器、暖風、DCT變速箱、機冷器及增壓器的特性數據由廠家提供的參數及相關專項試驗確定；發動機、機冷器的散熱量通過發動機熱平衡試驗數據獲得，變速箱的散熱量由變速箱生產廠提供；模擬計算中冷卻液采用的是50%的乙二醇水溶液；計算了熱機及冷機工況，冷卻系統各部件的流動情況；同時計算了在各個熱平衡工況下的換熱情況。

由于本文重點關注的是指定整車工況下冷卻系統各支路中的流量分配，因此選擇穩態計算。當恒溫器開啟和關閉時，使用不同的模型，并將相應模型中沒有冷卻液流動的部件和管路省略以節約軟件運行時間。由于各工況點的冷卻液溫度是明確的，且各部件、管路中冷卻液溫差對冷卻液的密度、黏度影響非常小，為簡小模型規模、減少輸入數據、節約軟件運行時間，本文的模型中，不考慮冷卻液與其他部件的換熱，即冷卻液溫度為常數。由于發動機水泵為離心泵，其物理特性難以在一維模型中體現。作為替代，本文使用生產廠提供的水泵揚程-流量曲線數據作為輸入邊界條件，如圖3所示。

圖3 水泵流量-揚程特性曲線

發動機水套內部結構復雜，有一個入口、三個出口，且三個出口之間距離較遠，不適宜采用一條流量-壓力曲線配合一個四通的方法來進行簡化。但將水套離散為若干個相互連通的空腔的方法過于復雜，且精度不高。

表1 整車熱平衡試驗工況說明

本文采用了一維流動分析與CFD分析配合的方法，來解決上述問題。即將發動機水套簡化為一個容積腔，此腔有一個入口、三個出口，三個出口處各設置一個節流口，其節流特性各由一條流量-壓力曲線表示。三條流量-壓力曲線通過CFD分析與一維流動分析相互將結果作為輸入，反復迭代計算獲得。散熱器、發動機及節溫器冷卻液側的流阻特性如圖4所示。機器、暖風、變速箱和增壓器水側阻力特性曲線如圖5所示。

圖4 散熱器、發動機和節溫器冷卻液側阻力特性曲線

圖5 機器、暖風、變速箱和增壓器水側阻力特性曲線

模擬中所用工況說明如表1所示，水套散熱量及機冷器散熱量根據發動機的性能試驗結果決定。散熱器風側邊界情況說明如表2所示，環境溫度為35度，散熱器風側邊界條件通過機艙CFD計算獲得。

表2 散熱器風側邊界說明（環境溫度為35度）

表3 冷卻系統流動分析結果

表4 冷卻系統傳熱分析結果

2 結果和分析

2.1 流動分析結果

流動分析結果如表3所示，其中熱機為大循環回路全開，冷機工況為大循環回路全關。在額定工況下，發動機水套水流設計目標值為145L/min。對于空調專業，在怠速工況下（發動機轉速650rpm以上），暖風分水至少6L/min，40km/h車速下（發動機轉速1200rpm以上），暖風分水至少12L/min。從計算結果可以看出發動機的分水量滿足目標要求，但對于暖風需水量均不滿足要求。

2.2 傳熱分析結果

冷卻系統傳熱分析結果如表4所示，計算環境溫度為35℃。從模擬結果來看，2擋9%坡，40km/h以及6擋5.5%坡，90km/h這兩個工況下冷卻不滿足要求。

3 結論

本文利用KULI軟件對某乘用車冷卻系統中各支路的流量分配進行了分析，并根據其結果得出如下結論：

額定工況（發動機轉速5500rpm），水泵泵水量為181.8L/min，發動機分水量為181.8L/min，遠高于目標值145L/min的要求；怠速情況，熱機工況和冷機工況暖風分水量不滿足目標6L/min的要求40km/h，熱機工況和冷機工況暖風分水量不滿足目標12L/min的要求。

由于發動機采用了集成式排氣岐管，發動機的散熱量相對較高，2擋9%坡，40km/h以及6擋5.5%坡，90km/h這兩個工況下許用環境溫度低于許用環境溫度限值，不滿足系統的冷卻要求。

綜合來看，通過阻力對比，變速箱阻力高于機冷器及暖風，建議變速箱單獨一路，然后與機冷器和暖風并聯，增加暖風的分水量；由于發動機的散熱量較大，建議增加散熱器風側的進風量，并適當增強散熱器的能力。