基于KULI的某車型冷卻性能優(yōu)化設(shè)計

郭全寶 孫玉 岳建藝 王博

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心；河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

1 問題分析

1.1 設(shè)計與驗證要求

某款SUV車型為6MT車型，面向全球銷售，其中熱帶和酷熱帶地區(qū)對冷卻系統(tǒng)要求極為苛刻，在產(chǎn)品投放市場前，特對整車的冷卻系統(tǒng)能力水平進行設(shè)計驗證。驗證的設(shè)計要求為發(fā)動機水溫≤110℃。驗證的試驗標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

表1 整車的冷卻系統(tǒng)驗證試驗標(biāo)準(zhǔn)

1.2 現(xiàn)狀態(tài)試驗結(jié)果

按照上述驗證標(biāo)準(zhǔn)，進行整車風(fēng)洞摸底驗證，試驗結(jié)果，分別如圖1，2和表2所示。通過圖1，2的過程數(shù)據(jù)和表2風(fēng)洞試驗結(jié)果可知，按照上述試驗標(biāo)準(zhǔn)，在爬坡工況，發(fā)動機溫度過高，且出現(xiàn)空調(diào)切斷現(xiàn)象，爬坡工況在試驗進行4～5 min時空調(diào)切斷，在后續(xù)的5 min時間內(nèi)一直無法吸合，直至試驗結(jié)束。故此SUV車型不能滿足設(shè)計，需要進行系統(tǒng)優(yōu)化，所以決定從系統(tǒng)分析入手進行問題查找，認(rèn)真分析并針對性的設(shè)計，從而提升動力系統(tǒng)的冷卻能力。

表2 原整車風(fēng)洞試驗結(jié)果 ℃

2 仿真與方案設(shè)計

2.1 KULI模型參數(shù)輸入

1）發(fā)動機參數(shù)。發(fā)動機為強制水冷式冷卻，冷卻液補償箱限壓閥開啟壓力為（108±14.7）kPa，，發(fā)動機排量為1 497 mL、額定功率/轉(zhuǎn)速為110 kW/5 600 r/min。

2）變速器參數(shù)。變速器為6擋、手動及橫置式變速器，變速器主減速比為4.5。1～6擋及倒擋的速比分別為：3.471，1.92，1.324，0.977，1.054，0.884，3.882。

3）整車前端模塊冷卻系統(tǒng)參數(shù)。整車前端模塊冷卻系統(tǒng)包括散熱器、冷凝器、中冷器、風(fēng)扇及護風(fēng)罩等。其中各換熱器的風(fēng)阻、水阻、散熱量數(shù)據(jù)和風(fēng)扇的P-Q曲線數(shù)據(jù)均由零部件生產(chǎn)廠家提供。散熱器、中冷器及冷凝器的幾何尺寸分別為：620 mm×478 mm×18 mm；585 mm×348 mm×30 mm；556 mm×490 mm×16 mm。風(fēng)扇直徑為430 mm，轉(zhuǎn)速為2 600 r/min。

2.2 KULI仿真工況

仿真工況的設(shè)定，按照表1試驗標(biāo)準(zhǔn)中的要求，其中車輛的載荷按照如下公式進行計算。

式中：T——發(fā)動機扭矩，N·m；

F——驅(qū)動力，N；

首先，采用透水性良好的砂礫石進行路基的填筑，設(shè)計路基排水結(jié)構(gòu)物，在路基中設(shè)置隔離層，防止路面水下滲，提高路基高度等。如圖1所示為路基設(shè)計時增加排水暗溝，用于排出地下水，其次，對于施工中經(jīng)常遇到的裂縫水、層間水、淺層水等，可以采用切斷、攔截等技術(shù)進行改善，例如，加深邊溝，設(shè)置滲溝、滲管及滲井，來降低地下水位。在土質(zhì)邊坡，易受到流水沖刷時，可以增設(shè)涵洞、漿砌片石或混凝土邊溝、急流槽等排水設(shè)施。此外，對于路基當(dāng)中的積水可以采取在路肩上開挖橫溝的方式來排出，橫溝間距盡量不要太長，一般在10m左右，對于路面積水時，采用人工或者路肩橫溝的方式來清除。

i——變速器總減速比（主減速比×速比）；

n——動力傳遞效率（MT車型為98%）；

r——車輪的有效半徑，通過輪胎規(guī)格尺寸（215/60 R17 96H）計算得到，m。

2.3 KULI模型搭建

1）一維模型。一維模型中包括散熱循環(huán)（流動介質(zhì)為40%的乙二醇）和中冷循環(huán)（流動介質(zhì)為熱空氣）。

2）3D模型。3D模型中零件布置位置和整車保持一致，冷凝器、中冷器和散熱器建立Block，循環(huán)通道，如圖3所示。

3）BIR的標(biāo)定。首先，將一維模型中發(fā)動機、冷凝器及中冷器熱量輸入0，設(shè)置成冷流場狀態(tài)；然后，將STAR-CCM+機艙冷流場讀取Block后的風(fēng)速，導(dǎo)入到KULI模型中，轉(zhuǎn)化成KULI矩陣，從而標(biāo)定BIR[1]。

2.4 KULI計算結(jié)果

將發(fā)動機、冷凝器和中冷器熱量參數(shù)設(shè)置到模型中，進行仿真計算，結(jié)果如表3所示。

表3 冷卻系統(tǒng)KULI仿真計算結(jié)果 ℃

2.5 KULI冷卻系統(tǒng)優(yōu)化

通過仿真結(jié)果可以看到，在爬坡工況發(fā)動機水溫高于設(shè)計值，應(yīng)用KULI軟件進行參數(shù)優(yōu)化，為保證系統(tǒng)的安全性，此次發(fā)動機水溫目標(biāo)設(shè)定為108℃。

2.5.1 風(fēng)扇性能提升

此車型風(fēng)扇為電子風(fēng)扇，高速運轉(zhuǎn)（靜壓100 Pa）時最大風(fēng)量為3 650 m3/h，在KULI模型中調(diào)整風(fēng)扇風(fēng)量，計算結(jié)果為：爬坡工況時，風(fēng)扇風(fēng)量為4 062 m3/h，發(fā)動機水溫為108℃。通過計算結(jié)果可知，風(fēng)扇風(fēng)量需要增加412 m3/h，才能滿足發(fā)動機散熱要求。因此如提升風(fēng)扇性能，可以通過增大扇葉直徑、提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、優(yōu)化扇葉及護風(fēng)罩結(jié)構(gòu)等方式來增大風(fēng)扇風(fēng)量。

2.5.2 散熱器性能提升

考慮零件的平臺化，散熱器現(xiàn)有芯體高度和長度不變，厚度增厚6 mm，并帶入到模型中，計算結(jié)果，如表4所示。

表4 散熱器優(yōu)化計算結(jié)果 ℃

通過仿真計算得到，厚度增加6 mm的散熱器可以滿足發(fā)動機冷卻的要求。

3 試驗驗證

通過KULI軟件分析結(jié)果，提高風(fēng)扇風(fēng)量和更換散熱器均能滿足發(fā)動機冷卻要求。根據(jù)更改方案，進行更換散熱器的實車驗證，準(zhǔn)備樣件進行物理搭載和整車風(fēng)洞試驗，試驗標(biāo)準(zhǔn)按照表1執(zhí)行，試驗結(jié)果要求滿足發(fā)動機水溫設(shè)計要求（≤110℃），具體試驗結(jié)果，如圖4，5和表5所示。

表5 優(yōu)化方案整車風(fēng)洞試驗驗證結(jié)果 ℃

4 結(jié)論

在熱帶及酷熱帶地區(qū)，其惡劣的環(huán)境使很多汽車?yán)鋮s性能出現(xiàn)問題，文章通過KULI軟件對冷卻系統(tǒng)進行了分析，通過將散熱器芯體增加6 mm后，滿足了發(fā)動機冷卻的要求，最終通過了風(fēng)洞實驗驗證，滿足市場銷售，為冷卻系統(tǒng)優(yōu)化提供了可行的方案。