某皮卡冷卻系統優化分析

陳健，劉俊紅，陳浩

?

某皮卡冷卻系統優化分析

陳健1，劉俊紅1，陳浩2

（1.安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601； 2.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300000）

為解決某皮卡車型水溫過熱問題，使用流體一維分析軟件分析特定惡劣工況下冷卻系統的狀態，計算在此工況下的冷卻系統極限溫度，對不滿足性能指標要求的冷卻系統進行優化，通過三維仿真與一維計算相結合的手段，對冷卻系統提出優化方案，最后，在環境艙進行了整車熱平衡試驗，驗證了計算精度。

冷卻系統；皮卡；三維耦合；優化分析

前言

一維性能匹配，優化前端冷卻模塊，使之能夠滿足發動機的散熱需求；三維流場和溫度場仿真及優化，對發動機艙內流場進行CFD仿真，獲得流量分配、流動平順性、溫度分布等信息，評估艙內風險區域并進行優化，預測艙內可能存在的熱害風險部件，并提出優化意見。通過整車環境艙熱平衡試驗以及空調相關試驗，驗證冷卻系統和空調系統仿真計算的精度，以及最終的優化效果，作為項目達成的重要依據[1-3]。

1 初始狀態分析

1.1 Mule車熱平衡試驗

仿真分析工作開始之前，完成Mule車的熱平衡試驗，試驗目的是采集相關的試驗數據，也是對目前狀態的一次摸底。

表1 試驗工況

試驗共采集了112組數據，試驗狀態分別為電子風扇和硅油風扇，試驗工況如表1，高速5檔130km/h和爬坡3檔8.7%坡60km/h。

試驗結果，工況1，發動機水溫、油溫都能平衡，散熱器進水溫度94.9℃，散熱器出水溫度86.4℃，發動機油溫123.5℃；工況2，空調發生了切斷，取三個空調吸合階段的平均值，散熱器進水105.5℃，散熱器出水95.6℃，發動機油溫136.7℃；工況3，試驗進行10min后散熱器進水溫度超標，試驗終止，未平衡；工況4，試驗進行6min后散熱器進水溫度超標，試驗終止，未平衡。

通過Mule車的熱平衡試驗得出，硅油風扇在爬坡工況下水溫過高，空調切斷不合格，電子風扇的冷卻系統散熱能力滿足不了要求。舍棄電子風扇方案，后續工作中根據整車熱平衡數據，加載一維冷卻系統模型，針對硅油風扇爬坡工況水溫過高提出滿足熱平衡要求的冷卻系統方案。

1.2 一維冷卻系統仿真分析

根據車型冷卻模塊的實際布置情況，建立包含冷凝器、中冷器、散熱器和風扇的一維熱管理模型，進行冷卻系統匹配計算。針對整車熱平衡試驗數據，硅油風扇爬坡工況水溫過高的情況，將模擬數據與試驗數據對比，優化冷卻系統方案，建立一維模型如圖1。

圖1 冷卻系統一維模型

計算工況：環境溫度35℃，滿載空調全開，三檔56km/h，爬坡8.7%；環境溫度40℃，滿載空調全開，最高檔，車速130km/h。

計算結果如表2所示，同樣反應出爬坡工況水溫過高，存在以下3點原因：

（1）機艙內部分布問題，較多的氣流沒有通過前端冷卻模塊，而是從四周泄漏；

（2）中冷器性能過剩，過大的壓力損失降低了通過散熱器的表面風速，散熱器沒有充分發揮散熱性能；

（3）散熱器本身散熱能力不足。

表2 初始計算結果

2 冷卻系統優化分析

針對爬坡工況下水溫過高問題，制定以下幾種優化方案：（1）機艙布置的優化；（2）中冷器結構優化；3散熱器結構優化。對這三種優化方案分別進行了計算，并對結果進行了評價。

在冷卻模塊的四周以及冷凝器的前端增加導流板，目的是盡量讓更多的空氣進入到冷卻系統內部，參與冷卻系統冷卻，如圖2所示，并且可以減少冷凝器前端渦流的產生。

圖2 優化后的冷卻模塊矢量流場

將中冷器的翅片波長調整至5mm，相應的中冷器的阻力會減小，調整后通過中冷器的風速由原來的3.1m/s提高至3.2m/s，計算此時的散熱器進水溫度，如表3所示。

表3 中冷器優化后結果

將散熱器尺寸加大50mm，如表4，在其它參數不變的情況下，計算散熱器進水溫度如表5所示。

表4 散熱器尺寸變化

表5 散熱器優化后結果

綜合以上幾種方案，在發動機艙內加導流板的方案已確定的情況下，散熱器高度增加，中冷器翅片波長加長的方案可選擇一種，發動機出水溫度可滿足要求，如表6。

表6 優化方案計算結果

方案1：發艙流場優化及中冷器翅片波長增加，發動機出水溫度為106.9℃；

方案2：發艙流場優化及散熱器尺寸增加，發動機出水溫度為106.0℃。

③ 王燕晶.“中國風”歌曲流行現狀及其在對外漢語教學中的應用[J].四川:四川理工學院學報社會科學版第26卷第5期,2011.

考慮到改進難度，發艙內部布置，以及成本因素，推薦選擇發艙導流板優化和中冷器優化方案。

3 發動機艙熱害分析

建立整車流體計算模型，并生成計算域，如圖3，建立trim網格2500萬個。

圖3 整車流體計算模型

車速邊界條件130km/h，環境溫度40℃，發動機艙內部熱源部件參照熱平衡試驗結果設置溫度邊界，如表7。

省交通運輸廳聚焦高質量發展的時代要求，深刻認識“最迫切”的內涵，深刻認識到江蘇交通運輸發展不僅要走在全國前列，而且要為全省高質量發展當好先行，真正把江蘇的區位優勢轉化為交通優勢、提升為競爭優勢。為落實省委省政府提出的“以我為主、系統謀劃綜合交通運輸體系”的要求，省交通運輸廳黨組制定印發了《關于加快建設綜合交通運輸體系、支撐和引領全省高質量發展的意見》，重點圍繞“體制改革、規劃研究、工程建設、運輸服務”方面加快推進，現代綜合交通運輸體系建設實現良好開局，特別是補短板工程取得突破性進展。

表7 溫度邊界

為了標定計算結果與試驗結果之間的誤差，對比了散熱器背部的四個溫度點，參見圖4，從表8對比結果來看，誤差控制在10%范圍內，驗證了計算分析方法的正確性和可行性。 1.2 材料 選擇山東威海潔瑞醫用有限公司提供的24G×19 mm針管回縮式靜脈留置針，6 cm×7 cm 3M含碘敷貼。 圖4 散熱器背部四個溫度點

表8 各點溫度對比

重點分析排氣歧管以及渦輪增壓器的高溫對其附近部件的影響，主要關注壓縮機表面、發電機表面、空濾器以及空調管路表面溫度情況，如圖5所示。 圖5 發動機艙內部表面溫度

排氣歧管以及渦輪增壓器隔熱罩的包覆程度較低，會對壓縮機、發電機、空濾器、空調管路等部件直接進行高溫輻射，易產生熱害風險，可以對排氣歧管和渦輪增壓器隔熱罩進行優化，加大隔熱面積。

不久前，筆者與朋友相約（1970年代，朋友的父親曾在天津手表廠工作）來到天津空港經濟區海鷗表博物館參觀。該博物館坐落于海鷗表業集團新廠區內，是天津市著名博物館和青少年愛國主義教育基地之一，常年以團體預約方式為參觀者免費開放（圖01）。

表9 發動機艙內部熱害點

針對可能出現的熱害問題，做進一步的優化，如圖6所示，針對排氣歧管和催化器增加隔熱罩，阻止此部位的對流換熱和熱輻射。 圖6 有無隔熱罩對比模型

分別分析以上幾種狀態下的發動機艙溫度場，計算模擬爬坡工況，車速50km/h，環境溫度40℃，發動機艙內部溫度邊界如圖7所示。

改革開放40年來，我國新聞出版業發展取得了令世人矚目的巨大成就，實現了從單一事業體制向事業與產業并重的華麗轉身。一是構建新體制。從宏觀管理體制、微觀運行機制到流通體制三個維度逐步構建起了完備的社會主義新聞出版管理體制與運行機制。二是展現新活力。新聞出版市場體系與要素市場建設不斷完善，出版市場主體進一步壯大，出版新業態強勢崛起，產業發展展現出全新活力。三是滿足新需求。在滿足人民群眾基本閱讀需求基礎上，進一步提供個性化、體驗性需求和公眾公共文化需求。

圖7 發動機溫度邊界

圖8中新的改進方案，由于渦輪增壓器與排氣歧管連接區域仍然是外露的，此部位正對著真空筒、空濾器以及線束，真空筒與空濾器的部分區域高于120℃，超過允許溫度，線束溫度在125℃，也在危險區域。可以通過增加隔熱擋板的方案來降低熱輻射，排除熱害風險。

圖8 各狀態下溫度場分布

4 試驗驗證

按照相應的企業標準進行整車熱平衡試驗，分析在各工況下冷卻系統的散熱能力，從而對冷卻系統、發動機艙布置、零部件耐溫性進行評價，通過樣車試驗來驗證整車冷卻系統的性能是否滿足之前優化設計的要求。

廣西在對市縣專項轉移支付管理辦法中明確要求專項轉移支付分配以因素法為主，但在實際分配過程中，除了與人口掛鉤的資金以外，其他大部分資金都采取項目分配法，分配的主觀隨意性較大，分配過程的公開、透明度仍有待提高。近年來，廣西各級紀檢監察機關查處了多起涉及專項轉移支付的腐敗案件，反映了資金分配過程中隨意性較大、權力尋租等問題仍很突出。

試驗工況如表10所示。

表10 熱平衡試驗工況

達到平衡時高速行駛工況各測點數據如表11和圖9所示；達到平衡時模擬爬坡工況各測點數據如表12和圖10所示。

表11 高速工況各測點數據

表12 爬坡工況各測點數據

圖9 高速工況各點平衡歷程

圖10 爬坡工況各點平衡歷程

經過試驗驗證，硅油風扇在爬坡和高速兩個工況下水溫都能保持平衡，且空調未切斷，證明熱平衡能力合格，優化效果顯著，達成整車設計要求。

5 小結

冷卻系統方面從一開始的電子風扇和硅油風扇的選擇，通過Mule車的摸底試驗，以及初步的一維仿真，選取電子風扇的風險較大，排除電子風扇的方案，著重對硅油風扇方案進行優化，在分析仿真中發現，目前狀態下的中冷器性能有富余，但散熱器的性能不足，從這方面入手，將中冷器的性能稍微調差，這樣中冷器的阻力下降，給后面散熱器的通風就能夠保證，這樣的優化方案不但能達到性能目標的要求，還能最大程度的降低成本[4-5]。

發動機艙的熱害主要集中在排氣歧管和渦輪增壓器附近，通過計算仿真發現在這周圍還是存在熱害的風險，局部溫度過高，對排氣歧管裸露的部分有針對性的增加隔熱罩，并進行對比分析，很好的解決了熱害的問題。另外，在三維發動機艙溫度場計算中，發現前端模型的熱風回流現象比較嚴重，這樣的問題會導致冷凝器的性能下降，特別是怠速時，會影響空調系統性能[6]。

參考文獻

[1] 盛嘉文.基于一維/三維及耦合傳熱的某商用車機艙熱管理研究與改進[D].重慶大學,2017.

[2] 齊斌,倪計民,顧寧,仲韻.發動機熱管理系統試驗和仿真研究[J].車用發動機;2008(4).

[3] 于海群,魏琪.汽車發動機冷卻系統動態特性仿真[J].內燃機與動力裝置;2006(5).

[4] 唐沛祥.整車熱管理系統聯合仿真及多目標優化研究[D].華中科技大學,2016.

[5] 沈宏麗.轎車發動機艙熱管理仿真分析及優化[D].重慶交通大學,2016.

[6] 徐喆軒,張俊紅,胡歡,等.發動機熱管理系統及部件研究進展[J].汽車技術,2017,(4).

A Pickup Cooling System Optimization Analysis

Chen Jian1, Liu Junhong1, Chen Hao2

( 1.Echnological Center, Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601; 2.CATARC（Tianjin）Automotive Engineering Research Institute Co., Ltd., Tianjin 300000 )

Abstract:In order to solve a problem of overheating temperature pickup models, analyzed specific bad condition of cooling system using one-dimensional fluid cooling system, calculation of the limit temperature under this condition, to meet the performance requirements of the cooling system was optimized by combining the 3D simulation and calculation method of one-dimensional phase, cooling system optimization program finally, the vehicle thermal balance test in the cabin, to verify the accuracy.

Keywords: Cooling System; Pickup; Three-dimensional Coupling; Optimization Analysis

Document Code: A

Article ID: 1671-7988(2019)03-37-04

中圖分類號：U462

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2019)03-37-04

CLC NO.: U462

作者簡介：陳健，男，（1980.5-），安徽合肥人，研究生學歷，高級工程師。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.010