某型SUV乘用車冷卻系統性能仿真與優化

許翔 伊虎城 趙豐 張藝倫

摘要：為解決某型SUV乘用車在中、低速爬坡和高速行駛工況下發動機水溫過高的問題，利用一維和三維聯合仿真工具建立整車冷卻系統的仿真模型，采用試驗與仿真相結合的方法，分析單回路和雙回路冷卻系統、不同冷卻管路布置、不同散熱器選型，以及不同前端冷卻模塊結構等對冷卻系統熱平衡性能的影響。結果表明：變速箱和發動機相互獨立的雙回路冷卻系統可以明顯降低發動機的出水溫度;冷卻系統管路的布置對冷卻液流量分配有一定影響，但對冷卻液溫度影響較小;通過散熱器優化選型并改進機艙前端冷卻模塊的結構，可以改善機艙流場特性，增大冷卻系統的進風量，進而提升冷卻系統的散熱性能。

關鍵詞：乘用車;冷卻系統;熱平衡;聯合仿真;流量分配;流場優化

中圖分類號：TP391.99;U464.138

文獻標志碼：B

文章編號：1006-0871（2021）03-0038-06

DOI：10.13340/j.cae.2021.03.007

Abstract：To?solve?the?problem?that?the?engine?water?temperature?of?an?SUV?passenger?vehicle?is?too?high?when?climbing?at?medium?and?low?speed?and?driving?at?high?speed，?the?simulation?model?of?vehicle?cooling?system?is?established?using?1D?and?3D?co-simulation.?Combining?test?and?simulation，?the?effects?of?single?loop?and?double?loop?cooling?system，?different?cooling?pipeline?layout，?different?radiator?selection，?and?different?front?cooling?module?structure?on?the?heat?balance?performance?of?the?cooling?system?are?analyzed.?The?results?show?that?the?double?loop?cooling?system?with?independent?transmission?and?engine?can?significantly?reduce?the?water?outlet?temperature?of?the?engine;the?layout?of?the?cooling?system?pipeline?has?a?certain?impact?on?the?coolant?flow?distribution，?but?has?little?impact?on?the?coolant?temperature;optimizing?the?radiator?selection?and?improving?the?structure?of?the?front?cooling?module?of?the?engine?room，?the?flow?field?characteristics?of?the?engine?room?can?be?improved，?and?the?inlet?air?volume?of?the?cooling?system?can?be?increased，?and?then?the?heat?dissipation?performance?of?the?cooling?system?can?be?improved.

Key?words：passenger?vehicle;cooling?system;thermal?balance;co-simulation;flow?distribution;flow?field?optimization

0?引?言

冷卻系統的性能對汽車的動力性、經濟性、尾氣排放，以及環境適應性等有直接影響。[1-2]隨著國家排放和油耗法規要求的提高，小排量、大功率渦輪增壓直噴等技術的廣泛應用，汽車冷卻系統的熱負荷越來越高。[3]汽車冷卻系統的性能受環境溫度和氣壓、車速、發動機負荷、前端冷卻模塊配置、風扇轉速以及空調運行狀態等多因素的綜合影響[4-7]，其精準設計成為一個亟待解決的重要技術問題。傳統燃油汽車一般采用機械驅動的冷卻系統，不能根據發動機等發熱部件的熱負荷自動調節冷卻強度，導致冷卻系統效率低、功耗大。[8]在長時間低速爬坡行駛時，汽車發動機的熱負荷大，冷卻液流量和散熱器進風量小，使冷卻系統的冷卻能力變差，嚴重的導致發動機冷卻水溫超標，進而影響汽車的正常使用。提升汽車冷卻系統性能的主要方法，一是優化冷卻系統內部冷卻介質的流動和傳熱過程，二是提高外部冷卻空氣的流通與散熱能力。在汽車冷卻系統仿真分析中，一維仿真和三維仿真使用較為廣泛，這2種方法各有優缺點。一維和三維聯合仿真是汽車冷卻系統參數選型匹配、性能影響定量分析、散熱模塊優化等研究的重要手段。[9-13]

針對某型SUV乘用汽車在部分惡劣工況出現水溫過高的問題，采用一維和三維聯合仿真的方法，對冷卻系統進行仿真與優化，分析無級變速箱（continuously?variable?transmission，?CVT）與發動機集成冷卻（單回路）和變速箱獨立冷卻（雙回路）、冷卻管路布局、散熱器類型、機艙前端布置等對冷卻系統冷卻液的流量分配和溫度分布等的影響，確定冷卻系統的優化設計方案。研究方法和結論可為汽車冷卻系統的優化設計提供參考。

1?冷卻系統仿真建模

某SUV車型冷卻系統的組成和工作原理見圖1，主要包括發動機水套、水散熱器、變速箱油冷器、暖風芯體、水泵和節溫器等部件，渦輪增壓器和機油冷卻器也集成在發動機冷卻回路中。變速箱采用2種備選冷卻方案：一種是變速箱油冷器集成在發動機冷卻回路中的單回路冷卻系統，變速箱的熱量通過變速箱油冷器傳遞給冷卻液，再通過水散熱器散熱;另一種是變速箱冷卻與發動機冷卻相互獨立的雙回路冷卻系統，即變速箱的熱量先通過變速箱油冷器傳給冷卻液，然后通過安裝在機艙前端的變速箱水散熱器進行散熱。

1.2?一維仿真模型

一維仿真方法適合研究整個汽車冷卻系統內部冷卻介質的流動與傳熱特性，通過分析冷卻系統內部冷卻液的流量分配和溫度分布，優化冷卻系統的水泵、散熱器、節溫器等部件的選型匹配和管路結構?；贏MESim軟件建立整車冷卻系統一維仿真模型，見圖2。發動機水套、水泵、節溫器、油冷器、水散熱器等關鍵部件的流阻特性和傳熱特性根據零部件單體實驗數據確定;發動機、變速箱、增壓器等發熱部件傳給冷卻液的熱量由臺架熱平衡模擬試驗測得;前端冷卻模塊的進氣溫度和風速等邊界參數通過冷卻系統一維仿真模型和機艙三維CFD仿真聯合計算設置。

1.3?模型驗證

選取低速爬坡（60?km/h、10.0%坡度）、高速爬坡（90?km/h、7.2%坡度）和高速行駛（150?km/h）等3種發動機熱負荷和散熱功率最大的極端工況，在汽車環境艙內40?℃模擬環境條件下進行整車熱平衡模擬試驗。冷卻液流量仿真值與整車試驗值的曲線對比見圖3，兩者最大相對誤差約6%，平均相對誤差小于5%。

發動機進出口冷卻液溫度仿真值與試驗值對比見表1。仿真結果與試驗結果整體吻合較好，平均相對誤差約5%，表明冷卻系統仿真模型的精度較高，可用于冷卻系統的仿真與優化分析。由表1可以看出，低速和高速爬坡工況時發動機出口的冷卻液溫度偏高，冷卻液溫度超過最高允許溫度值（115?℃），主要原因是機艙前端冷卻空氣的流量不足且散熱器本身的散熱能力偏小。

2?冷卻系統優化分析

2.1?冷卻系統管路優化

為研究不同冷卻系統管路方案對冷卻液流量分配的影響，利用實車冷卻系統部件和管路，搭建整車冷卻系統臺架試驗裝置。試驗方案包括3種：

方案一是變速箱冷卻器集成在發動機冷卻回路中，變速箱回水接到散熱器出口;方案二是變速箱回水接到散熱器進水管路;

方案三是變速箱采用單獨冷卻方式，與發動機冷卻回路獨立。不同冷卻方案中冷卻部件的冷卻液流量對比見圖4。

變速箱回水接到散熱器進水管路，使流經散熱器的冷卻液流量增大，尤其是在高轉速區更明顯。變速箱冷卻回路接到散熱器前或后，對暖風芯體的冷卻液流量幾乎沒有影響，主要原因是暖風芯體冷卻液回路相對獨立，受機油和變速箱冷卻回路的影響很小。在發動機中、高轉速時，采用變速箱獨立冷卻方式時暖風芯體的流量降低。變速箱冷卻回路接到散熱器進水管路時，變速箱冷卻液流量顯著下降。冷卻管路的不同布置方案對各冷卻支路的冷卻液流量分配和溫度分布有一定影響，但對整個冷卻系統的冷卻液總流量和散熱量影響有限，因此冷卻系統管路優化不能從根本上解決冷卻系統散熱能力不足的問題。

2.2?散熱器優化選型

散熱器是冷卻系統的主要散熱部件，散熱器的通風和散熱能力是影響冷卻系統熱平衡性能的關鍵因素。[14]選取滿足機艙空間布置要求且結構尺寸非常相近的5種不同型號散熱器，結合5種散熱器的單體性能試驗數據，基于整車冷卻系統一維仿真模型，分析不同散熱器對冷卻性能的影響。5種不同散熱器的結構尺寸見表2。

5種散熱器的散熱量隨冷卻風量和冷卻液流量的變化對比見圖5。散熱器的芯體結構、扁管，以及翅片流動與傳熱特性等是影響散熱器通風和散熱能力的主要因素。由表2和圖5可知，雖然5種散熱器的芯體尺寸非常接近，但是散熱能力差異很明顯，其中R-1散熱器的散熱能力最強，R-5散熱器的散熱能力最差，其他3種散熱器的散熱能力比較接近。以散熱器R-1為例，冷卻液流量和冷卻風量均增大1倍時，散熱量分別增大26.6%和70.7%，由此可知冷卻風量對散熱器散熱性能的影響比冷卻液流量更顯著。

散熱器選型匹配仿真分析主要以發動機出口水溫為評價指標。在變速箱非獨立冷卻方案中，5種型號散熱器對應的發動機出水溫度仿真結果見表3。此時，R-1的冷卻能力最優，R-5的冷卻能力最差，只有R-1散熱器滿足所有極端工況的冷卻要求（發動機出水溫度≤115?℃），其他4種散熱器均不符合選型要求。

當變速箱采用獨立冷卻方案時，5種型號散熱器對應的發動機出水溫度仿真結果見表4。此時，R-1、R-2、R-3和R-4散熱器的冷卻能力滿足所有極限工況的冷卻要求，只有R-5散熱器不符合選型要求。

通過以上分析可知，冷卻系統采用變速箱獨立冷卻方案的安全性最高，但會增加冷卻系統設計制造成本。在5種散熱器中，R-1散熱器的散熱效果最好，芯體體積相對較小，迎風面積較大，與冷卻系統匹配性更好。

2.3?前端模塊布置優化

汽車前端模塊和機艙內布置優化是提升冷卻系統性能的關鍵措施之一，優化的主要目的是改善機艙流場特性、增大冷卻系統的進風量、抑制機艙內的有害傳熱、降低熱害風險[15]。研究表明，增大冷卻系統的進風量比增大冷卻液循環流量對提升冷卻系統性能更有效。前端模塊中冷器下方增加擋風板前、后的三維模型見圖6。

前端模塊增加擋風板后，在車速為110?km/h時中冷器表面的風速分布云圖見圖7。由于增加的擋風板阻擋機艙前端模塊右側的空氣回流，使中冷器進風量由原來的0.292?kg/s增大到0.330?kg/s。增加擋風板后中冷器表面空氣流速分布更加均勻，對中冷器的散熱性能發揮更加有利。

格柵開度增大后水散熱器表面的風速分布云圖見圖8。進風量從1.070?kg/s增大到1.170?kg/s，平均風速從3.32?m/s增大到3.62?m/s。增大格柵開度之后，不僅水散熱器的進風量增大了，而且水散熱器表面的空氣速度分布更加均勻。散熱器表面風速均勻度的改善對提高散熱器的散熱效率效果明顯。

汽車機艙前端模塊的結構優化可知，在機艙前端模塊增加擋風板并增大格柵開度，可阻擋機艙側面的空氣回流和漏風量，阻斷熱回流，提升進氣效率，使冷卻系統的風速和進風量均增大，流場分布更均勻，有利于提高冷卻系統的散熱能力。

2.4?優化方案驗證

針對原來的單回路冷卻方案和改進后的雙回路冷卻方案，驗證冷卻系統優化方案的效果，3種典型工況下發動機出口冷卻液的溫度對比見表5，其中雙回路冷卻方案采用第2.2節中驗證過的散熱性能更好的R-1水散熱器。當變速箱冷卻從發動機冷卻系統中獨立出來后，發動機冷卻系統的散熱功率下降約3～6?kW，冷卻液的流量略有增大，綜合影響使發動機出口冷卻液的溫度下降約5?℃，滿足整車熱平衡性能的要求。

3?結束語

一維仿真方法適合研究整車冷卻系統內部冷卻介質的流動與傳熱特性，但無法獲取汽車前端模塊和機艙內的冷熱流場細節;三維仿真方法計算過程復雜，計算量大且耗時長，但可以準確獲取冷卻系統空氣的流動與散熱特性。一維仿真與三維仿真聯合的方法，可以在新車型開發中快速對冷卻系統的性能進行有效預測和評估，實現整車冷卻系統各部件之間的匹配和優化，使冷卻系統的流量得到更合理的分配，在開發前期得到水溫偏高問題的解決方案，進而降低樣車試制費用和試驗次數，提高開發效率、節省開發成本。

汽車冷卻系統發動機出水溫度過高的根源在于冷卻液回路和冷卻空氣流通回路的設計不合理，保證足夠多的冷卻液流量和冷卻風量才能把冷卻系統的熱量散發出去。冷卻系統管路布局調整可以優化冷卻液的流量分配和溫度分布，但不能從根本上解決發動機出水溫度過高的問題。散熱器優化選型、機艙前端模塊結構優化等才是解決汽車冷卻系統水溫過高的有效措施。通過散熱器優化選型、采用新導風板結構或增大格柵開度等措施，可以改善機艙流場特性，增大冷卻系統的進風量，提高冷卻系統的散熱性能。

隨著汽車冷卻系統的散熱功率和集成度越來越高，采用變速箱獨立冷卻方案的雙回路冷卻系統可以顯著減少發動機冷卻系統的散熱功率，進而降低發動機的出水溫度。由于雙回路冷卻系統增加水泵、管路和變速箱油冷器等冷卻部件，使得整車冷卻系統的結構和設計更復雜，質量、體積和成本也會增加。因此，采用何種冷卻方案需要結合實際項目進行綜合評估。

參考文獻：

[1]?HAGHIGHAT?A?K，?ROUMI?S，?MADANI?N，?et?al.?An?intelligent?cooling?system?and?control?model?for?improved?engine?thermal?management[J].?Applied?Thermal?Engineering，?2018，?128：253-263.?DOI：10.1016/j.applthermaleng.2017.08.102.

[2]?SHIN?Y?H，?KIM?S?C，?KIM?M?S.?Use?of?electromagnetic?clutch?water?pumps?in?vehicle?engine?cooling?systems?to?reduce?fuel?consumption[J].?Energy，?2013，?57：624-631.?DOI：10.1016/j.energy.2013.04.073.

[3]?LI?X，?ZHU?L，?ZHU?Y?C，?et?al.?Performance?simulation?study?of?vehicle?engine?cooling?system[C]//?Proceedings?of?China?SAE?Congress?2018.?Shanghai：Society?of?Automotive?Engineers，?2018.

[4]?KHALED?M，?RAMADAN?M，?EL-HAGE?H，?et?al.?Review?of?underhood?aerothermal?management：Towards?vehicle?simplified?models[J].?Applied?Thermal?Engineering，?2014，?73（1）：842-858.?DOI：10.1016/j.applthermaleng.2014.08.037.

[5]?PARK?S，?WOO?S，?KIM?M，?et?al.?Thermal?modeling?in?an?engine?cooling?system?to?control?coolant?flow?for?fuel?consumption?improvement[J].?Heat?and?Mass?Transfer，?2017，?53：1479-1489.?DOI：10.1007/s00231-016-1909-z.

[6]?LI?W?S，?LONG?Y?H，?LIU?J?L，?et?al.?Simulation?and?optimization?for?cooling?system?of?heavy?vehicle?engine[J].?Applied?Mechanics?and?Materials，?2014，?599-601：455-459.?DOI：10.4028/www.scientific.net/AMM.599-601.455.

[7]?徐玉梁，?陳利國，?白楊，?等.?汽油發動機雙回路冷卻系統的研究[J].?工程設計學報，?2020，?27（5）：671-680.?DOI：10.3785/j.issn.1006-754X.2020.00.065.

[8]?張釗，?張揚軍，?諸葛偉林.?發動機電控冷卻系統性能仿真研究[J].?汽車工程，?2005，?27（3）：296-299.

[9]?WANG?G?H，?GAO?Q，?ZHANG?T?S，?et?al.?A?simulation?approach?of?under-hood?thermal?management[J].?Advances?in?Engineering?Software，?2016，?100：43-52.?DOI：10.1016/j.advengsoft.2016.06.010.

[10]?LU?P?Y，?GAO?Q，?WANG?Y.?Simulation?methods?based?on?1D/3D?collaborative?computing?for?vehicle?integrated?thermal?management[J].?Applied?Thermal?Engineering，?2016，?104：42-53.?DOI：10.1016/j.applthermaleng.2016.05.047.

[11]?郭健忠，?羅仁宏，?王之豐，?等.?商用車發動機艙熱管理一維/三維聯合仿真與試驗[J].?中國機械工程，?2016，?27（4）：526-530.?DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.04.018.

[12]?梁小波，?袁俠義，?谷正氣，?等.?運用一維/三維聯合仿真的汽車熱管理分析[J].?汽車工程，?2010，?32（9）：793-798.?DOI：10.19562/j.chinasae.qcgc.2010.09.010.

[13]?趙強，?林建平，?閔峻英，?等.?客車發動機艙熱管理系統的數值仿真與實驗驗證[J].?計算輔助工程，?2017，?26（6）：23-29.?DOI：10.13340/?j.cae.2017.06.004.

[14]?張秉坤，?趙津，?甯油江，?等.?發動機冷卻散熱器匹配選型優化設計仿真[J].?計算機仿真，?2017，?34（5）：177-181.?DOI：10.3969/j.issn.1006-9348.2017.05.037.

[15]?KHALED?M，?FARAJ?J，?HARIKA?E，?et?al.?Impact?of?underhood?leakage?zones?on?aerothermal?situation：Experimental?simulations?and?physical?analysis[J].?Applied?Thermal?Engineering，?2018，?145：507-515.?DOI：10.1016/j.applthermaleng.2018.09.077.

（編輯?武曉英）