某車型冷卻系統(tǒng)針對(duì)中東工況的仿真與試驗(yàn)

林卉 林鐵平 萬星榮

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院）

隨著國內(nèi)車企的壯大，越來越注重海外市場(chǎng)。中東地區(qū)氣候、地形及客戶用車習(xí)慣與國內(nèi)存在區(qū)別，若整車出口中東地區(qū)，則需要對(duì)其進(jìn)行新的驗(yàn)證或改善。其中，中東地區(qū)高溫、多沙及低坡等特點(diǎn)，對(duì)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)提出了較高的要求。文章基于某車型出口中東地區(qū)的需求，對(duì)其冷卻系統(tǒng)在中東地區(qū)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果顯示不符合要求，故根據(jù)仿真分析的結(jié)果篩選出5個(gè)優(yōu)化方案，并在環(huán)境試驗(yàn)室里進(jìn)行優(yōu)化方案驗(yàn)證，結(jié)果表明，優(yōu)化方案能有效解決冷卻系統(tǒng)存在的風(fēng)險(xiǎn)，滿足出口中東地區(qū)的要求。

1 中東地區(qū)工況和目標(biāo)值的設(shè)定

1）通過世界氣象信息服務(wù)網(wǎng)對(duì)中東地區(qū)多個(gè)城市和中國多個(gè)城市的對(duì)比得到，近30年來，中東城市平均最高氣溫在42～47℃，中國城市平均氣溫在30～35℃，中東最高氣溫比中國平均氣溫高12℃。除了資料記錄的氣候地形信息，選擇科威特和伊朗進(jìn)行了實(shí)地考察，最高氣溫為D，坡度為B±3%，濕度為10%。鑒于以上描述，設(shè)定中東工況為40 km/h，空調(diào)開，環(huán)境溫度為E+12℃=D，坡度為B，濕度為10%，日照強(qiáng)度為1 000 W/m2。（注：工況設(shè)定屬于公司機(jī)密，具體數(shù)值由字母替代。）

2）國內(nèi)設(shè)定的最嚴(yán)苛工況為中低速，空調(diào)溫度為E，坡度為B（不帶拖車）和C（帶拖車），濕度為50%，日照強(qiáng)度為1 000 W/m2。

3）目標(biāo)值設(shè)定采用ATB方法，導(dǎo)致冷卻液沸騰的環(huán)境氣體溫度（ATB）：式中：Tv——系統(tǒng)最大壓力下的冷卻液沸點(diǎn)溫度，℃；

Tu——發(fā)動(dòng)機(jī)出口處冷卻液溫度，℃；

Ta——環(huán)境氣體溫度，℃。

故針對(duì)中東地區(qū)工況的環(huán)境溫度（D），車型冷卻液沸點(diǎn)為130℃，ATB≥F，目標(biāo)Tu≤122℃。

2 仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 仿真分析

仿真分析分為三維整車流場(chǎng)溫度場(chǎng)計(jì)算和一維冷卻系統(tǒng)匹配計(jì)算兩部分[1-2]。其中，三維整車流場(chǎng)溫度場(chǎng)計(jì)算采用整車模型，運(yùn)用軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和仿真計(jì)算。計(jì)算域加密后，體網(wǎng)格數(shù)量約1 000萬個(gè)。模型進(jìn)口邊界設(shè)置為40 km/h，地面無滑移；介質(zhì)為空氣，溫度為D，穩(wěn)態(tài)，常密度；湍流模型選擇Real i zabl ek-ε，冷凝器、發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器及中冷器選擇多孔介質(zhì)模型；風(fēng)扇選擇M RF模型，溫度場(chǎng)計(jì)算只考慮空氣對(duì)流換熱，不考慮熱輻射和固體熱傳導(dǎo)。

原方案三維流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，如圖1所示；散熱器迎面的法向風(fēng)速計(jì)算結(jié)果，如圖2所示。

圖1 整車原始方案的速度云圖

圖2 散熱器迎風(fēng)面速度分布云圖

根據(jù)三維整車流場(chǎng)溫度場(chǎng)計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器的迎面風(fēng)速和風(fēng)溫，將風(fēng)速和風(fēng)溫輸入一維冷卻系統(tǒng)匹配模型里進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器水溫計(jì)算[3-4]。

一維冷卻系統(tǒng)計(jì)算主要輸入?yún)?shù)為：發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器迎面風(fēng)速為2.58 m/s，散熱量為30.64 kW，冷卻液流量為58 L/min，散熱器尺寸為720 mm×420 mm×26 mm。

通過以上的三維耦合一維計(jì)算，得到在中東地區(qū)工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器進(jìn)水溫度為128.6℃，大于目標(biāo)值122℃，故得出結(jié)論，該狀態(tài)下的車型若出口中東地區(qū)，冷卻系統(tǒng)不合格。水溫優(yōu)化至少要降低7℃。

文章提出5種優(yōu)化方案，每種方案在進(jìn)行試驗(yàn)前都進(jìn)行了仿真分析，預(yù)估其水溫降低效果。

2.2 優(yōu)化方案及仿真效果

2.2.1 增大格柵開口（方案1）

增大格柵開口[5]，即增大散熱器進(jìn)風(fēng)量。該方案的三維速度場(chǎng)仿真結(jié)果，如圖3所示。再耦合一維進(jìn)行結(jié)算，結(jié)果顯示，增大格柵開口后，散熱器前空氣溫度降低2℃，風(fēng)速增大5%，水溫降低4℃。

圖3 增大格柵開口方案的速度圖對(duì)比

2.2.2 液力變矩器鎖止（方案2）

液力變矩器在低車速時(shí)，用于增大扭矩，處于非鎖止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)液力變矩器非鎖止時(shí)，傳動(dòng)效率降低。

傳動(dòng)效率：η=η1η2

其中，η1根據(jù)變速箱轉(zhuǎn)速、變速箱扭矩及擋位3個(gè)要素確定；η2根據(jù)e（e=渦輪轉(zhuǎn)速/泵輪轉(zhuǎn)速）的大小從該變矩器特性曲線插值得到。

通過仿真計(jì)算得到鎖止和非鎖止的效率相差14.5%，鎖止后的大循環(huán)散熱量（即通過散熱器冷卻的散熱量）降低了5.46 kW，則散熱器進(jìn)水溫度降低了9℃。

2.2.3 冷卻模塊上下密封（方案3）

對(duì)于冷卻系統(tǒng)來說，做好冷卻模塊四周密封，阻止怠速和低速狀況下的熱氣回流帶來的空調(diào)壓力升高，以及散熱器進(jìn)水溫度升高是一件必要的工作。該車型由于前期關(guān)注點(diǎn)在低速工況的熱氣回流，而忽略了怠速時(shí)熱氣回流更加嚴(yán)重的情況，故在本次優(yōu)化方案中，提出對(duì)怠速工況進(jìn)行空調(diào)及散熱器水溫的驗(yàn)證。對(duì)于在中東地區(qū)使用，用戶更關(guān)注在高溫和汽車長(zhǎng)時(shí)間怠速的直觀感受[6]。

2.2.4 提高散熱器單品散熱能力和風(fēng)扇功率（方案4）

散熱器換熱為強(qiáng)制對(duì)流換熱，換熱系數(shù)（h）用公式表示如下：

式中：Pr——普朗特?cái)?shù)，常數(shù)；

Re——雷諾數(shù)，常數(shù)；

Nu——努賽爾數(shù)，常數(shù)；

A——迎風(fēng)面積，m2。

所以，為了提高散熱器單品散熱能力，也就是提高其翅片和扁管的Pr和Re。其中采取的具體措施是：扁管增加凹點(diǎn)擾流，提高水側(cè)湍流強(qiáng)度，提高Re；扁管和翅片排列進(jìn)行優(yōu)化，增大A。由于散熱器單品風(fēng)側(cè)阻抗增加，通過散熱器壓降和風(fēng)扇壓升的匹配，增大風(fēng)扇功率，保證散熱器優(yōu)化前后的風(fēng)速一致[7-9]。表1示出散熱器單品能力提高的效果對(duì)比。

表1散熱器單品散熱能力提高效果（固定風(fēng)速）

2.2.5 減少中冷器排數(shù)（方案5）

該車型原有布置中，考慮離地角、防撞梁及性能預(yù)留，中冷器布置偏高，與冷凝器重疊面積大，理論上減小了處于它后方的冷凝器和散熱器的進(jìn)風(fēng)量。通過仿真分析，得到減少中冷器內(nèi)部1排散熱片后，散熱器的進(jìn)風(fēng)風(fēng)速和風(fēng)溫仿真結(jié)果，如圖4和圖5所示。表2示出相對(duì)應(yīng)的風(fēng)溫風(fēng)量具體變化值。由于減少中冷器內(nèi)部1排散熱片后的風(fēng)量和風(fēng)溫變化在3%和1℃以內(nèi)，故判斷中冷器減少這個(gè)方案不可行。但后續(xù)試驗(yàn)出于驗(yàn)證考慮，仍然加上了這個(gè)驗(yàn)證方案。

圖4 中冷器減少1排方案的速度分布圖

圖5 中冷器減少1排方案的溫度場(chǎng)分布圖

表2 中冷器減少1排散熱片后的風(fēng)量和風(fēng)溫變化數(shù)值

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證效果

對(duì)于冷卻系統(tǒng)的驗(yàn)證試驗(yàn)優(yōu)先考慮在風(fēng)洞進(jìn)行，但出于時(shí)間和地點(diǎn)考慮，本次驗(yàn)證試驗(yàn)地點(diǎn)選擇了佛山檢測(cè)中心（環(huán)境試驗(yàn)艙，非風(fēng)洞）。該檢測(cè)中心的環(huán)境試驗(yàn)室缺少光照，且最高環(huán)境溫度設(shè)置為45℃，故驗(yàn)證試驗(yàn)只能得到優(yōu)化方案的效果，非絕對(duì)值。試驗(yàn)條件設(shè)置如下[10]：試驗(yàn)室環(huán)境溫度為45℃，車速為40 km/h和怠速，坡度為B，空調(diào)設(shè)置至最大風(fēng)量，外循環(huán)，無光照。

試驗(yàn)結(jié)果表明，加大格柵開孔和液力變矩器鎖止對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器進(jìn)水溫度影響最大，但仍需考慮對(duì)其他系統(tǒng)影響。液力變矩器在低速工況鎖止造成汽車抖動(dòng)，駕駛性劣化，考慮駕駛調(diào)教的周期和成本，故不考慮鎖止液力變矩器方案。而中冷器減少1排方案無優(yōu)化作用，故也不采取。采取方案1，3，4組合后的發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器水溫可優(yōu)化10℃，基本滿足目標(biāo)值降低7℃需求。

中東地區(qū)工況中，除了低速行駛工況的水溫需要考察，怠速工況的空調(diào)舒適性也需要重點(diǎn)考察。而在原始狀態(tài)試驗(yàn)中，低速行駛結(jié)束進(jìn)入怠速階段，冷凝器前空氣溫度由于熱氣回流升高，導(dǎo)致空調(diào)壓縮機(jī)高壓升高，超過切斷壓力（該車型為3.14 M Pa），且無法恢復(fù)，嚴(yán)重影響了乘坐的舒適性。而采取冷卻模塊上下密封后，冷凝器前進(jìn)氣溫度較原始狀態(tài)降低18℃，怠速空調(diào)壓力降低至少0.3 M Pa，避免了空調(diào)切斷。其他工況也有降低空調(diào)壓力，改善空調(diào)舒適性的作用。表3示出發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水溫度降低后的仿真和試驗(yàn)結(jié)果。

表3 5種優(yōu)化方案發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水溫度仿真和試驗(yàn)結(jié)果 ℃

3 結(jié)論

綜上所述，因方案3使進(jìn)水溫度只降低0～1℃，所以忽略不計(jì)，故采用方案1和方案4組合后即可降低發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器進(jìn)水溫度10℃，基本滿足降低7℃的目標(biāo)。同時(shí)采取冷卻模塊密封方案，可解決在怠速時(shí)由于熱氣回流帶來的空調(diào)切斷問題。文章的思路從工況選取、仿真分析、優(yōu)化方案篩選及試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化方案的效果，并最后結(jié)合每個(gè)優(yōu)化方案帶來的設(shè)計(jì)變更來確定最終的方案，體現(xiàn)了完整解決問題的流程。