基于CFD分析和試驗的整車熱管理性能研究

崔振偉

（中國第一汽車股份有限公司天津技術開發分公司）

為了滿足日益嚴苛的油耗和排放法規，也為了滿足消費者對美觀性的要求，工程師越來越傾向于將車輛外觀設計的更加流線型，這就導致發動機艙可使用空間減少；而增壓和缸內直噴等新技術的應用，使機艙內部件增多且產生更多的熱量[1]；所以保證發動機艙達到熱平衡是車型開發性能目標之一。隨著各類一維和三維商用仿真軟件的推陳出新，整車熱管理開發越來越倚重于運用各類軟件來驗證方案，以期達到更佳效果的同時減少開發周期和成本，學者們在此方面做了大量的研究和實踐[2-6]。文章采用CFD仿真結合整車環境模擬倉試驗的方法，驗證了一系列優化方案對整車熱管理性能的貢獻，選擇了最優的方案組合進行應用，幫助車型通過熱平衡考核，對其他車型的開發也有很好的借鑒意義。

1 現狀分析

在某新車型項目開發中，出現了整車熱平衡考核無法通過，冷卻性能嚴重不足的情況。主要表現為：爬坡工況和高速工況水溫快速超過118℃的報警限值，儀表報警，整車空調停止工作進入熱保護狀態；在連續爬坡工況中，還出現了發動機工作粗暴，功率和扭矩逐漸下降的現象。

通過采集發動機水溫、進氣溫度、發動機控制單元控制數據等參數并分析后，將問題歸結為3方面：1）散熱系統性能不足，導致水溫超標；2）停機后無法有效降低缸體和增壓器溫度；3）中冷器性能不足，導致連續爬坡工況下發動機進氣溫度超標，爆振增加，功率和扭矩丟失。

2 方案制定

2.1 優化格柵

增大車輛上、下格柵開口面積可以有效增加機艙進風量，但過大的開口會影響整車視覺美觀性，對異物的阻擋效果也會降低，導致散熱器過早的損壞；機艙進風量的增加意味著整車風阻的增大，這也會對整車油耗產生不利影響。因此，選擇合適的格柵開口面積非常重要。

根據格柵造型、格柵與冷卻模塊的位置關系，制定了格柵開口增大方案，如圖1所示。對方案進行了仿真分析，分析結果，如表1所示。

圖1 格柵開口增大方案示意圖

表1 格柵開口增大方案風量仿真結果

從表1可以看出，新方案相比于原方案，散熱器進風量在低速工況下可增加2.99%，高速工況下可增加6.31%，但中冷器進風量在低速工況下無變化，高速工況下有所下降；對比上、下格柵的進風量變化（分別增加21.75%和31.84%），發現風量利用率有所下降。進一步分析流場發現，由于機艙在中冷器下方和散熱器兩側均存在間隙，導致進入格柵的風量利用率不高，如圖2所示。綜上，決定采用新方案格柵，同時修改導風板方案以優化前端模塊密封。

圖2 格柵開口增大方案流場仿真結果

2.2 優化導風板

根據流場仿真結果，決定在導風板周邊與保險杠的接觸位置增加海綿條以優化密封效果，如圖3所示。

鑒于中冷器下方風量泄漏較嚴重，制定了增加下部密封的一體式導風板方案，如圖4所示。CFD仿真風量，如表2所示。

圖3 導風板增加密封

圖4 導風板增加下部密封

低速工況下，新方案相比原方案冷卻模塊進氣量變化不大，其中，冷凝器、散熱器風量均有微小增加，中冷器風量不變。但新方案上、下格柵進氣量均小于原方案，說明格柵進風的利用率更高。高速工況下，新方案的冷凝器、散熱器風量相比原方案均有所增加，但中冷器風量減少。新方案上、下格柵的進氣量均小于原方案，格柵進風的利用率顯著提高，有利于整車風阻系數的減小。

導風板增加下部密封流場仿真結果，如圖5所示。從機艙流場來看，新添加的下導風板不能完全解決格柵進風泄露問題，同時會使得下格柵進風量有所減小，這在高速工況下尤為明顯：在120 km/h的工況下，雖然進風泄露有所減少，但下格柵的進風量減少的更為明顯，導致中冷器風量反而有所減小。

表2 導風板增加下部密封風量仿真結果

圖5 導風板增加下部密封流場仿真結果

綜上，增加下導風板產生的收益并不能抵消其產生的不良影響，因此決定僅采用增加海綿條密封方案，不采用增加下部封堵方案。

2.3 提高風扇轉速

提高整車冷卻能力的最直接手段就是增加冷卻模塊的散熱量，而增大散熱器的迎風面積是最有效的手段。但受限于整車造型，前端框架存在最大邊界，散熱器和中冷器難以增大迎風面積，因此想要增強冷卻模塊的散熱能力，提高風扇風量也是比較好的選擇。綜合考慮風扇性能和噪音，將風扇轉速由當前的2 500 r/min提升至2 600 r/min左右，并進行實車試驗。在試驗中通過外接電源的方式來驅動風扇，通過提升電流來提高風扇轉速，試驗結果，如圖6所示。

圖6 不同風扇轉速試驗結果對比

從試驗結果可以看出，提高風扇轉速對冷卻性能的提升效果明顯，同時主觀感受上風扇噪音并未有明顯增加，因此決定采用此方案。

2.4 優化風扇控制策略

發動機水溫和進氣溫度會直接影響發動機工作狀態，爆振增加的趨勢會促使發動機控制單元推遲點火提前角、增大噴油量等，因此，風扇的提前介入會改善發動機運轉狀態，有益于熱管理。原風扇控制策略中風扇高速檔開啟較晚，無法有效抑制水溫上升速率，并且發動機停機后風扇延時運轉時間較短，無法滿足增壓發動機缸體和增壓器高余熱的散熱要求。因此，分別制定了提前3℃和提前5℃開啟風扇高速擋的方案，并將風扇停機運轉試驗從30 s延長至60 s。采用以上方案進行實車試驗驗證，試驗結果如圖7所示。

圖7 不同風扇控制策略試驗結果對比

從試驗結果可以看出，控制策略中對風扇高速擋的開啟水溫設定越低，對水溫上升速率的抑制效果越好，對整車熱管理性能的貢獻越大。因此最終決定采用100℃開啟風扇高速擋的方案。

3 整車試驗驗證

基于以上方案驗證結果，決定選用增大格柵進風面積、導風板增加海綿條改善密封、提高電動風扇轉速并延長停機運轉時間和優化電動風扇控制策略4個方案進行綜合應用。應用后的整車熱平衡試驗結果，如表3所示。所有熱平衡工況均滿足要求，試驗通過。

表3 熱平衡試驗結果

4 結論

提高整車熱管理的方式有很多，但應用在不同車型上的效果會產生很大差異，有些方案甚至會對整體產生不利影響，如文章所提到的增加下部密封方案。因此，方案的確定必須基于整車具體情況，進行詳細分析后確定，CFD流場仿真可以提供很好的借鑒，并且縮短試驗周期，節約費用。