陈健，刘俊红，陈浩



某皮卡冷却系统优化分析

陈健1，刘俊红1，陈浩2

（1.安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601； 2.中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司，天津 300000）

为解决某皮卡车型水温过热问题，使用流体一维分析软件分析特定恶劣工况下冷却系统的状态，计算在此工况下的冷却系统极限温度，对不满足性能指标要求的冷却系统进行优化，通过三维仿真与一维计算相结合的手段，对冷却系统提出优化方案，最后，在环境舱进行了整车热平衡试验，验证了计算精度。

冷却系统；皮卡；三维耦合；优化分析

前言

一维性能匹配，优化前端冷却模块，使之能够满足发动机的散热需求；三维流场和温度场仿真及优化，对发动机舱内流场进行CFD仿真，获得流量分配、流动平顺性、温度分布等信息，评估舱内风险区域并进行优化，预测舱内可能存在的热害风险部件，并提出优化意见。通过整车环境舱热平衡试验以及空调相关试验，验证冷却系统和空调系统仿真计算的精度，以及最终的优化效果，作为项目达成的重要依据[1-3]。

1 初始状态分析

1.1 Mule车热平衡试验

仿真分析工作开始之前，完成Mule车的热平衡试验，试验目的是采集相关的试验数据，也是对目前状态的一次摸底。

表1 试验工况

试验共采集了112组数据，试验状态分别为电子风扇和硅油风扇，试验工况如表1，高速5档130km/h和爬坡3档8.7%坡60km/h。

试验结果，工况1，发动机水温、油温都能平衡，散热器进水温度94.9℃，散热器出水温度86.4℃，发动机油温123.5℃；工况2，空调发生了切断，取三个空调吸合阶段的平均值，散热器进水105.5℃，散热器出水95.6℃，发动机油温136.7℃；工况3，试验进行10min后散热器进水温度超标，试验终止，未平衡；工况4，试验进行6min后散热器进水温度超标，试验终止，未平衡。

通过Mule车的热平衡试验得出，硅油风扇在爬坡工况下水温过高，空调切断不合格，电子风扇的冷却系统散热能力满足不了要求。舍弃电子风扇方案，后续工作中根据整车热平衡数据，加载一维冷却系统模型，针对硅油风扇爬坡工况水温过高提出满足热平衡要求的冷却系统方案。

1.2 一维冷却系统仿真分析

根据车型冷却模块的实际布置情况，建立包含冷凝器、中冷器、散热器和风扇的一维热管理模型，进行冷却系统匹配计算。针对整车热平衡试验数据，硅油风扇爬坡工况水温过高的情况，将模拟数据与试验数据对比，优化冷却系统方案，建立一维模型如图1。

图1 冷却系统一维模型

计算工况：环境温度35℃，满载空调全开，三档56km/h，爬坡8.7%；环境温度40℃，满载空调全开，最高档，车速130km/h。

计算结果如表2所示，同样反应出爬坡工况水温过高，存在以下3点原因：

（1）机舱内部分布问题，较多的气流没有通过前端冷却模块，而是从四周泄漏；

（2）中冷器性能过剩，过大的压力损失降低了通过散热器的表面风速，散热器没有充分发挥散热性能；

（3）散热器本身散热能力不足。

表2 初始计算结果

2 冷却系统优化分析

针对爬坡工况下水温过高问题，制定以下几种优化方案：（1）机舱布置的优化；（2）中冷器结构优化；3散热器结构优化。对这三种优化方案分别进行了计算，并对结果进行了评价。

在冷却模块的四周以及冷凝器的前端增加导流板，目的是尽量让更多的空气进入到冷却系统内部，参与冷却系统冷却，如图2所示，并且可以减少冷凝器前端涡流的产生。

图2 优化后的冷却模块矢量流场

将中冷器的翅片波长调整至5mm，相应的中冷器的阻力会减小，调整后通过中冷器的风速由原来的3.1m/s提高至3.2m/s，计算此时的散热器进水温度，如表3所示。

表3 中冷器优化后结果

将散热器尺寸加大50mm，如表4，在其它参数不变的情况下，计算散热器进水温度如表5所示。

表4 散热器尺寸变化

表5 散热器优化后结果

综合以上几种方案，在发动机舱内加导流板的方案已确定的情况下，散热器高度增加，中冷器翅片波长加长的方案可选择一种，发动机出水温度可满足要求，如表6。

表6 优化方案计算结果

方案1：发舱流场优化及中冷器翅片波长增加，发动机出水温度为106.9℃；

方案2：发舱流场优化及散热器尺寸增加，发动机出水温度为106.0℃。

③ 王燕晶.“中国风”歌曲流行现状及其在对外汉语教学中的应用[J].四川:四川理工学院学报社会科学版第26卷第5期,2011.

考虑到改进难度，发舱内部布置，以及成本因素，推荐选择发舱导流板优化和中冷器优化方案。

3 发动机舱热害分析

建立整车流体计算模型，并生成计算域，如图3，建立trim网格2500万个。

图3 整车流体计算模型

车速边界条件130km/h，环境温度40℃，发动机舱内部热源部件参照热平衡试验结果设置温度边界，如表7。

省交通运输厅聚焦高质量发展的时代要求，深刻认识“最迫切”的内涵，深刻认识到江苏交通运输发展不仅要走在全国前列，而且要为全省高质量发展当好先行，真正把江苏的区位优势转化为交通优势、提升为竞争优势。为落实省委省政府提出的“以我为主、系统谋划综合交通运输体系”的要求，省交通运输厅党组制定印发了《关于加快建设综合交通运输体系、支撑和引领全省高质量发展的意见》，重点围绕“体制改革、规划研究、工程建设、运输服务”方面加快推进，现代综合交通运输体系建设实现良好开局，特别是补短板工程取得突破性进展。

表7 温度边界

为了标定计算结果与试验结果之间的误差，对比了散热器背部的四个温度点，参见图4，从表8对比结果来看，误差控制在10%范围内，验证了计算分析方法的正确性和可行性。 1.2 材料 选择山东威海洁瑞医用有限公司提供的24G×19 mm针管回缩式静脉留置针，6 cm×7 cm 3M含碘敷贴。 图4 散热器背部四个温度点

表8 各点温度对比

重点分析排气歧管以及涡轮增压器的高温对其附近部件的影响，主要关注压缩机表面、发电机表面、空滤器以及空调管路表面温度情况，如图5所示。 图5 发动机舱内部表面温度

排气歧管以及涡轮增压器隔热罩的包覆程度较低，会对压缩机、发电机、空滤器、空调管路等部件直接进行高温辐射，易产生热害风险，可以对排气歧管和涡轮增压器隔热罩进行优化，加大隔热面积。

不久前，笔者与朋友相约（1970年代，朋友的父亲曾在天津手表厂工作）来到天津空港经济区海鸥表博物馆参观。该博物馆坐落于海鸥表业集团新厂区内，是天津市著名博物馆和青少年爱国主义教育基地之一，常年以团体预约方式为参观者免费开放（图01）。

表9 发动机舱内部热害点

针对可能出现的热害问题，做进一步的优化，如图6所示，针对排气歧管和催化器增加隔热罩，阻止此部位的对流换热和热辐射。 图6 有无隔热罩对比模型

分别分析以上几种状态下的发动机舱温度场，计算模拟爬坡工况，车速50km/h，环境温度40℃，发动机舱内部温度边界如图7所示。

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图7 发动机温度边界

图8中新的改进方案，由于涡轮增压器与排气歧管连接区域仍然是外露的，此部位正对着真空筒、空滤器以及线束，真空筒与空滤器的部分区域高于120℃，超过允许温度，线束温度在125℃，也在危险区域。可以通过增加隔热挡板的方案来降低热辐射，排除热害风险。

图8 各状态下温度场分布

4 试验验证

按照相应的企业标准进行整车热平衡试验，分析在各工况下冷却系统的散热能力，从而对冷却系统、发动机舱布置、零部件耐温性进行评价，通过样车试验来验证整车冷却系统的性能是否满足之前优化设计的要求。

广西在对市县专项转移支付管理办法中明确要求专项转移支付分配以因素法为主，但在实际分配过程中，除了与人口挂钩的资金以外，其他大部分资金都采取项目分配法，分配的主观随意性较大，分配过程的公开、透明度仍有待提高。近年来，广西各级纪检监察机关查处了多起涉及专项转移支付的腐败案件，反映了资金分配过程中随意性较大、权力寻租等问题仍很突出。

试验工况如表10所示。

表10 热平衡试验工况

达到平衡时高速行驶工况各测点数据如表11和图9所示；达到平衡时模拟爬坡工况各测点数据如表12和图10所示。

表11 高速工况各测点数据

表12 爬坡工况各测点数据

图9 高速工况各点平衡历程

图10 爬坡工况各点平衡历程

经过试验验证，硅油风扇在爬坡和高速两个工况下水温都能保持平衡，且空调未切断，证明热平衡能力合格，优化效果显著，达成整车设计要求。

5 小结

冷却系统方面从一开始的电子风扇和硅油风扇的选择，通过Mule车的摸底试验，以及初步的一维仿真，选取电子风扇的风险较大，排除电子风扇的方案，着重对硅油风扇方案进行优化，在分析仿真中发现，目前状态下的中冷器性能有富余，但散热器的性能不足，从这方面入手，将中冷器的性能稍微调差，这样中冷器的阻力下降，给后面散热器的通风就能够保证，这样的优化方案不但能达到性能目标的要求，还能最大程度的降低成本[4-5]。

发动机舱的热害主要集中在排气歧管和涡轮增压器附近，通过计算仿真发现在这周围还是存在热害的风险，局部温度过高，对排气歧管裸露的部分有针对性的增加隔热罩，并进行对比分析，很好的解决了热害的问题。另外，在三维发动机舱温度场计算中，发现前端模型的热风回流现象比较严重，这样的问题会导致冷凝器的性能下降，特别是怠速时，会影响空调系统性能[6]。

参考文献

[1] 盛嘉文.基于一维/三维及耦合传热的某商用车机舱热管理研究与改进[D].重庆大学,2017.

[2] 齐斌,倪计民,顾宁,仲韵.发动机热管理系统试验和仿真研究[J].车用发动机;2008(4).

[3] 于海群,魏琪.汽车发动机冷却系统动态特性仿真[J].内燃机与动力装置;2006(5).

[4] 唐沛祥.整车热管理系统联合仿真及多目标优化研究[D].华中科技大学,2016.

[5] 沈宏丽.轿车发动机舱热管理仿真分析及优化[D].重庆交通大学,2016.

[6] 徐喆轩,张俊红,胡欢,等.发动机热管理系统及部件研究进展[J].汽车技术,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

中图分类号：U462

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2019)03-37-04

CLC NO.: U462

作者简介：陈健，男，（1980.5-），安徽合肥人，研究生学历，高级工程师。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.010