某乘用车冷却系统一维模拟分析

于乾一，王永华，程文，许风玉

（长春理工大学 机电工程学院，长春 130022）

冷却系统是车辆的主要系统之一，车辆运行中燃料总热量的20%～30%通过车辆冷却系统进行散热[1]。各支路中冷却液的流量直接影响冷却系统的散热效果。然而，冷却系统中的各部件水套形状非常复杂，各管路走向尺寸多样，各部件管路相互连通错综复杂，导致在车辆总布置阶段正确估计各支路流量非常困难[2]。为了满足严格的排放法规和经济性，对发动机冷却系统提出了更高的要求[3]。因此管理热负荷已经成为现代涡轮增压发动机在设计上的一大挑战。

传统方法只能依靠经验进行估计，导致冷却系统的设计裕度偏大。也就意味着车辆可能使用了过大的散热器，发动机选择了过大的水泵，最终导致车辆机舱布置困难、车辆制造成本上升、发动机油耗上升等问题。现代CFD技术伴随着计算机技术、数值计算技术的提高得到了迅速的发展。基本原理是根据数值求解控制流体流动的微分方程，得到流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。目前已经成为企业产品研发和相关科研院所进行科研实践的重要手段[4]。其在汽车工程中的应用越来越广泛，包括汽车产品的整车设计，汽车滤清器滤材仿真参数研究，汽车散热器仿真研究，汽车空调系统除霜性能模拟分析等。通过使用一维流动分析，可以在乘用车设计前期就进行有效的冷却系统的功能部件选型，有效的缩短设计周期、降低开发成本和风险[5]。为此，论文中以一款搭载某型增压发动机的某乘用车冷却系统为研究对象，利用KULI软件建立冷却系统的一维流动分析模型，对该乘用车冷却系统中各支路的流量分配进行了分析[6-7]。

1 冷却系统的一维流动分析过程

1.1 车辆冷却系统概述

车辆的冷却系统大致包括散热器、空调暖风机换热水套、发动机水套、发动机水泵、发动机恒温器、发动机增压器冷却水套、发动机机油冷却器冷却水套及相应连接管路，各部分的连接示意图，即冷却系统一维模拟原理图，如图1所示。一维流动分析模型简图如图2所示。

图1 一维模拟原理图

图2 一维模拟布置图

1.2 模型的简化及边界条件

管路布置及相关参数参考整车开发目标及布置方案给定；发动机及节温器冷却液侧的流阻特性通过发动机水流台架试验获得；水泵、散热器、暖风、DCT变速箱、机冷器及增压器的特性数据由厂家提供的参数及相关专项试验确定；发动机、机冷器的散热量通过发动机热平衡试验数据获得，变速箱的散热量由变速箱生产厂提供；模拟计算中冷却液采用的是50%的乙二醇水溶液；计算了热机及冷机工况，冷却系统各部件的流动情况；同时计算了在各个热平衡工况下的换热情况。

由于本文重点关注的是指定整车工况下冷却系统各支路中的流量分配，因此选择稳态计算。当恒温器开启和关闭时，使用不同的模型，并将相应模型中没有冷却液流动的部件和管路省略以节约软件运行时间。由于各工况点的冷却液温度是明确的，且各部件、管路中冷却液温差对冷却液的密度、黏度影响非常小，为简小模型规模、减少输入数据、节约软件运行时间，本文的模型中，不考虑冷却液与其他部件的换热，即冷却液温度为常数。由于发动机水泵为离心泵，其物理特性难以在一维模型中体现。作为替代，本文使用生产厂提供的水泵扬程-流量曲线数据作为输入边界条件，如图3所示。

图3 水泵流量-扬程特性曲线

发动机水套内部结构复杂，有一个入口、三个出口，且三个出口之间距离较远，不适宜采用一条流量-压力曲线配合一个四通的方法来进行简化。但将水套离散为若干个相互连通的空腔的方法过于复杂，且精度不高。

表1 整车热平衡试验工况说明

本文采用了一维流动分析与CFD分析配合的方法，来解决上述问题。即将发动机水套简化为一个容积腔，此腔有一个入口、三个出口，三个出口处各设置一个节流口，其节流特性各由一条流量-压力曲线表示。三条流量-压力曲线通过CFD分析与一维流动分析相互将结果作为输入，反复迭代计算获得。散热器、发动机及节温器冷却液侧的流阻特性如图4所示。机器、暖风、变速箱和增压器水侧阻力特性曲线如图5所示。

图4 散热器、发动机和节温器冷却液侧阻力特性曲线

图5 机器、暖风、变速箱和增压器水侧阻力特性曲线

模拟中所用工况说明如表1所示，水套散热量及机冷器散热量根据发动机的性能试验结果决定。散热器风侧边界情况说明如表2所示，环境温度为35度，散热器风侧边界条件通过机舱CFD计算获得。

表2 散热器风侧边界说明（环境温度为35度）

表3 冷却系统流动分析结果

表4 冷却系统传热分析结果

2 结果和分析

2.1 流动分析结果

流动分析结果如表3所示，其中热机为大循环回路全开，冷机工况为大循环回路全关。在额定工况下，发动机水套水流设计目标值为145L/min。对于空调专业，在怠速工况下（发动机转速650rpm以上），暖风分水至少6L/min，40km/h车速下（发动机转速1200rpm以上），暖风分水至少12L/min。从计算结果可以看出发动机的分水量满足目标要求，但对于暖风需水量均不满足要求。

2.2 传热分析结果

冷却系统传热分析结果如表4所示，计算环境温度为35℃。从模拟结果来看，2挡9%坡，40km/h以及6挡5.5%坡，90km/h这两个工况下冷却不满足要求。

3 结论

本文利用KULI软件对某乘用车冷却系统中各支路的流量分配进行了分析，并根据其结果得出如下结论：

额定工况（发动机转速5500rpm），水泵泵水量为181.8L/min，发动机分水量为181.8L/min，远高于目标值145L/min的要求；怠速情况，热机工况和冷机工况暖风分水量不满足目标6L/min的要求40km/h，热机工况和冷机工况暖风分水量不满足目标12L/min的要求。

由于发动机采用了集成式排气岐管，发动机的散热量相对较高，2挡9%坡，40km/h以及6挡5.5%坡，90km/h这两个工况下许用环境温度低于许用环境温度限值，不满足系统的冷却要求。

综合来看，通过阻力对比，变速箱阻力高于机冷器及暖风，建议变速箱单独一路，然后与机冷器和暖风并联，增加暖风的分水量；由于发动机的散热量较大，建议增加散热器风侧的进风量，并适当增强散热器的能力。