某车型冷却系统优化设计

方明壮，蓝志宝，张帆，王伟

摘 要：为了解决某车型开发过程中电子扇怠速长转问题，通过故障模型树和一维流体软件对问题原因进行了详细分析，发现暖风回路流阻过大是引起了电子扇的常转的原因。最后制定了改制加长5cm感温元件的节温器优化方案，并在20台实车上进行验证，验证结果表明该车型怠速恢复正常，节温器感温元件部位温度从83℃上升到85℃，温度波动范围从8℃降为3℃，达到了预期的结果。

关键词：冷却系统;风扇常转;设计优化;CFD分析

中图分类号：TK414.2  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）23-69-04

Optimization Design for a Vehicle Cooling System

Fang Mingzhuang， Lan Zhibao， Zhang Fan， Wang Wei

（ SAIC-GM-Wuling Automobile Co.， Ltd， Guangxi Liuzhou 545007 ）

Abstract： For some vehicle models have electronic fan long idle problem in the development process， through the fault model tree and one-dimensional fluid software to analyze the problem， after the analysis found that loop flow resistance is too large， so the electronic fan in a long-term working. Finally the restructuring method is thermal components increase 5 cm in the thermostat and validated on 20 vehicles. Verification results show that the vehicle electronic fan returned to normal， thermal components in thermostat temperature from 83°C to 85°C， the temperature fluctuation range from 8°C reduced to 3°C， achieve the desired results.

Keywords： Cooling system; Electronic fan in a long-term working; Optimization design; CFD analysis

CLC NO.： TK414.2  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2019）23-69-04

引言

随着节能减排法规越来越严，发动机趋向小型化发展，强化程度越来越高，发动机的散热条件越来越苛刻和恶劣;同时，基于节能的目的，水泵等附件驱动功耗要求尽可能的少。这些都给传统的冷却系统匹配带来了严峻的挑战，为此，我们需要对传统的冷却系统设计进行优化，对整车散热系统进行更精确的匹配，以满足整车在各个工况下的运行要求。

以前，冷却系统的设计研究，主要通过在特定工况下（一般最大扭矩和最大功率）的简单的换热理论计算以及相关的经验和类似机型的对比试验，确定相关的冷却系统性能参数，如流量，扬程，节温器开启温度等。该方法设计出来的冷却系统虽然能基本满足大部分工况的要求，但存在着成本高，耗时长，匹配精度差等缺点。并存在特定工况下，因匹配不良产生水温高等现象。

近年来随着CFD计算的进步，借助于计算机强大的计算能力。在设计阶段，通过在计算机中搭建虚拟冷却系统模型。利用三维和一维的CFD联合仿真，模拟发动机运行的各个工况，综合考虑与整车的匹配。已经能设计开发出优良的整车冷却系统。同时，通过搭建现有车型的冷却系统模型，为现有车型的冷却系统故障解决和优化改进提供了一条很好的途徑。下面就以某一款车型开发过程中怠速电子扇长转问题的解决过程，探讨计算机模拟技术在冷却系统设计优化中的应用。

1 某车型故障现象和初步原因分析

根据试验工程师反馈，在怠速工况下，某车型水温较正常状态高出约5度以上，电子扇常转，非怠速工况，无该故障。故障比例在10%左右。

经现场对故障车的确认，该车子在原地怠速时，水温一直维持在98°，电子扇一直转动，检查大循环，大循环没有打开的迹象。

该车型节温器开启温度为83℃，95℃全开;电子扇的控制策略：低速扇93℃开，90℃关 ，高速扇高于96℃开，低于93℃关。

针对该故障现象，我们进行了故障逐一排查，如下图的故障模型分析树所示，我们首先对整车冷却系统零件状态进行确认，发现所有的零件均无安装质量问题;其次对系统故障因素进行排查，发现导致循环未打开，并不是漏水或者冷却系统进空气引起的。接着对故障车关键零件（水温传感器、节温器）进行性能检测，也没发现问题;最后我们在节温器感温体部位进行了温度测试，发现顶部水温达到了85℃左右（达到了节温器开启的条件），并在感温元件迎风面和顶部发生了较大的温度波动（8℃），在排除温度传感器触壁的影响下，有可能是因为水流不足引起的。

图1  故障模型分析树

经故障树分析怀疑该车型（下文称为A车型）冷却系统在怠速时流量（暖风回路）达不到节温器开启的流量要求。为此，我们对比了同为一基础机型，同样的冷却系统回路设计（如图2所示），没有该故障的另一车型（下文称为B车型），发现该A车型暖风回路异常曲折（如图中红色圈中所示），存在着暖风回路的流动阻力过大，导致该回路在某些工况流量不足的潜在风险。

图2  某车型冷却系统示意图

图3  两个车型冷却系统三维模型

2 一维流体仿真分析

2.1 一维流体模型

为了验证初步分析结果，搭建A，B车型冷却系统的一维CFD模型，并对结果进行分析比较。首先收集各个元件的流阻搭建好两个车型的flowmaster模型，分别分析在发动机转速800rpm，环境温度40℃的怠速工况下，这两个车型暖风回路的流量和压力分布。分析结果如图4，图5所示。

图4  怠速时冷却系统流量分布

图5  怠速时冷却系统压力分布

2.2 分析及结果

由上面的流量压力的分布图，可以看出，在怠速工况下：

从压力分布上看，暖风回路（从发动机出水口到膨胀箱回水三通），A车型压降为2.4kPa（142.9-140.5），B车型压降为1.24kPa（142.02-140.78），故障车型（A车型）的流阻是B车型的近2倍。其中因管路（除去暖风芯子的影响）产生的流阻，A车型为1.9kPa（2.4-0.5），B车型为0.59kPa（1.24-0.59），故障车型（A车型）更是达到了B车型的近3倍。由此可判断，之所以产生两个车型怠速工况的流量差异，主要的原因是因为故障车暖风管路流阻过大所致。

从流量分布上看，暖风回路A车型的流量为1.5L/min，B车型为4.4L/min。水泵总流量，A车型的流量为3.9L/min，B车型为6.1L/min。因暖风回路流阻的增加和其他回路的长度增加，导致A车型的总流阻大于B车型。所以产生了不同的流量分布结果。在暖风回路流量减少的情况下，发动机排气回路和散热器排气回路的流量都有相应的增加。

由上面的分析可以看出，怠速工况下，导致A车型产生怠速电子扇长转的原因是因为暖风回路流阻过大，使流经节温器感温元件的流量不足，以致引起节温器没法打开。

3 冷却系统优化设计

3.1 优化设计方案

针对流量冲击不足产生的问题，我们拟对冷却系统进行以下的优化：1）优化暖风管路，降低该回路的流阻;2）优化水泵在怠速转速下的性能;3）优化节温器感温元件。

通过各方面的综合比较，因为水泵为借用件，重新开发的成本过高，而暖风相关管路受限于发动机舱的空间限制，很难进行有效的优化，所以在此选择最经济的改进方案，在不改变冷却系统的管路布置的前提下，优化节温器，将感溫元件后移5cm，增加来流冷却液对感温体的冲击，以改进节温器的响应效果。

3.2 优化方案建模及分析

针对节温器感温元件后移5cm的方案进行节温器流场三维CFD建模和分析，应用一维CFD分析得到的流量压力结果，作为三位CFD分析的输入和边界，用三维CFD软件模拟节温器感温部位怠速时的流场情况。

图6  节温器感温部位怠速工况流动情况

上图6为A车型新节温器怠速工况（节温器关闭时）流场速度和温度分布的情况。可以看出，节温器未开启时，流动高速区主要分布在节温器进水口和水泵进水口的连线范围内。从温度分布结果来看，感温元件壁面温度在来流方向的最高温度在85℃左右，底部的温度接近83℃（温度边界：入口温度85℃，壁温82℃）。由CFD分析结果可知，在85℃的进水水温下，延长后的节温器感温体处于来流的覆盖范围内，同时感温体表面的温度波动范围减小（2℃）。达到了预计的效果。

3.3 试验验证

针对改进方案，分别在冷却系统回路上布置7个温度测量点，其中节温器感温体迎水面、背水面和顶端各布置3个测量点（如图7所示）。先在某一故障车上测试原状态的怠速工况水温分布状态，然后切换改进方案中的节温器，再测试其怠速工况的水温分布。

图7  节温器感温部位怠速工况流动情况

图8  试验验证结果

测试结果如图8所示，从图上可以看出，在关空调后怠速时，节温器内侧（迎水面）在故障车中，温度都<85℃，并且与节温器顶端的温差>8℃。一直在节温器开启温度（83℃）附近徘徊。同时风扇一直转动的影响，故障车的进水管温度一直呈下降趋势，恶化了节温器的温度响应。在改进方案中这两个位置的水温都不差过3℃，并且在关闭空调后，节温器两个位置水温迅速趋向于一致（且都大于85℃），节温器和电子扇能正常开启和关闭。

这说明冲击节温器正面的水流量增加了。达到了预期改进的效果。

由上可知，试验验证达到了预期的效果，在此基础上随机抽取20台故障车，并进行相关的故障工况温度分布对比验证试验，试验结果表明，在20台样车的试验结果均有效。经改进以来，从开发到批产，该车型冷却系统并未再出现该故障，故该改进方案是确实有效的，并验证了原先CFD分析的结果。

4 结论

（1）通过对某车型电子扇长转故障的排查，利用一维和三维CFD软件进行相关分析，找到了新车型怠速工况电子扇常转的原因是暖风回路流阻过大。

（2）加长节温器感温元件的优化方案，经实车验证，怠速工况下，节温器感温元件表面平均温度从83℃提高到了85℃，温度波动范围也有8℃降低到了3℃。水温恢复正常，电子扇常转的故障消失。优化了冷却系统的设计。（3）在冷却

系统的优化设计和开发中，CFD发挥越来越重要的作用，在前期开发中通过CFD仿真与与验证试验的结合，可以减轻开发阶段的成本和时间。

参考文献

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