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    某型SUV乘用車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)性能仿真與優(yōu)化

    2021-11-28 13:10許翔伊虎城趙豐張藝倫
    計(jì)算機(jī)輔助工程 2021年3期
    關(guān)鍵詞:冷卻系統(tǒng)乘用車(chē)

    許翔 伊虎城 趙豐 張藝倫

    摘要:為解決某型SUV乘用車(chē)在中、低速爬坡和高速行駛工況下發(fā)動(dòng)機(jī)水溫過(guò)高的問(wèn)題,利用一維和三維聯(lián)合仿真工具建立整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的仿真模型,采用試驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方法,分析單回路和雙回路冷卻系統(tǒng)、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(jié)構(gòu)等對(duì)冷卻系統(tǒng)熱平衡性能的影響。結(jié)果表明:變速箱和發(fā)動(dòng)機(jī)相互獨(dú)立的雙回路冷卻系統(tǒng)可以明顯降低發(fā)動(dòng)機(jī)的出水溫度;冷卻系統(tǒng)管路的布置對(duì)冷卻液流量分配有一定影響,但對(duì)冷卻液溫度影響較小;通過(guò)散熱器優(yōu)化選型并改進(jìn)機(jī)艙前端冷卻模塊的結(jié)構(gòu),可以改善機(jī)艙流場(chǎng)特性,增大冷卻系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量,進(jìn)而提升冷卻系統(tǒng)的散熱性能。

    關(guān)鍵詞:乘用車(chē);冷卻系統(tǒng);熱平衡;聯(lián)合仿真;流量分配;流場(chǎng)優(yōu)化

    中圖分類號(hào):TP391.99;U464.138

    文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B

    文章編號(hào):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(tǒng)的性能對(duì)汽車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、尾氣排放,以及環(huán)境適應(yīng)性等有直接影響。[1-2]隨著國(guó)家排放和油耗法規(guī)要求的提高,小排量、大功率渦輪增壓直噴等技術(shù)的廣泛應(yīng)用,汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的熱負(fù)荷越來(lái)越高。[3]汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的性能受環(huán)境溫度和氣壓、車(chē)速、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、前端冷卻模塊配置、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速以及空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)等多因素的綜合影響[4-7],其精準(zhǔn)設(shè)計(jì)成為一個(gè)亟待解決的重要技術(shù)問(wèn)題。傳統(tǒng)燃油汽車(chē)一般采用機(jī)械驅(qū)動(dòng)的冷卻系統(tǒng),不能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)等發(fā)熱部件的熱負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻強(qiáng)度,導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)效率低、功耗大。[8]在長(zhǎng)時(shí)間低速爬坡行駛時(shí),汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷大,冷卻液流量和散熱器進(jìn)風(fēng)量小,使冷卻系統(tǒng)的冷卻能力變差,嚴(yán)重的導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫超標(biāo),進(jìn)而影響汽車(chē)的正常使用。提升汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)性能的主要方法,一是優(yōu)化冷卻系統(tǒng)內(nèi)部冷卻介質(zhì)的流動(dòng)和傳熱過(guò)程,二是提高外部冷卻空氣的流通與散熱能力。在汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)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(yōu)缺點(diǎn)。一維和三維聯(lián)合仿真是汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)參數(shù)選型匹配、性能影響定量分析、散熱模塊優(yōu)化等研究的重要手段。[9-13]

    針對(duì)某型SUV乘用汽車(chē)在部分惡劣工況出現(xiàn)水溫過(guò)高的問(wèn)題,采用一維和三維聯(lián)合仿真的方法,對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行仿真與優(yōu)化,分析無(wú)級(jí)變速箱(continuously?variable?transmission,?CVT)與發(fā)動(dòng)機(jī)集成冷卻(單回路)和變速箱獨(dú)立冷卻(雙回路)、冷卻管路布局、散熱器類型、機(jī)艙前端布置等對(duì)冷卻系統(tǒng)冷卻液的流量分配和溫度分布等的影響,確定冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。研究方法和結(jié)論可為汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

    1?冷卻系統(tǒng)仿真建模

    某SUV車(chē)型冷卻系統(tǒng)的組成和工作原理見(jiàn)圖1,主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)水套、水散熱器、變速箱油冷器、暖風(fēng)芯體、水泵和節(jié)溫器等部件,渦輪增壓器和機(jī)油冷卻器也集成在發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)冷卻回路中的單回路冷卻系統(tǒng),變速箱的熱量通過(guò)變速箱油冷器傳遞給冷卻液,再通過(guò)水散熱器散熱;另一種是變速箱冷卻與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻相互獨(dú)立的雙回路冷卻系統(tǒng),即變速箱的熱量先通過(guò)變速箱油冷器傳給冷卻液,然后通過(guò)安裝在機(jī)艙前端的變速箱水散熱器進(jìn)行散熱。

    1.2?一維仿真模型

    一維仿真方法適合研究整個(gè)汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)內(nèi)部冷卻介質(zhì)的流動(dòng)與傳熱特性,通過(guò)分析冷卻系統(tǒng)內(nèi)部冷卻液的流量分配和溫度分布,優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的水泵、散熱器、節(jié)溫器等部件的選型匹配和管路結(jié)構(gòu)?;贏MESim軟件建立整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)一維仿真模型,見(jiàn)圖2。發(fā)動(dòng)機(jī)水套、水泵、節(jié)溫器、油冷器、水散熱器等關(guān)鍵部件的流阻特性和傳熱特性根據(jù)零部件單體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定;發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、增壓器等發(fā)熱部件傳給冷卻液的熱量由臺(tái)架熱平衡模擬試驗(yàn)測(cè)得;前端冷卻模塊的進(jìn)氣溫度和風(fēng)速等邊界參數(shù)通過(guò)冷卻系統(tǒng)一維仿真模型和機(jī)艙三維CFD仿真聯(lián)合計(jì)算設(shè)置。

    1.3?模型驗(yàn)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(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷和散熱功率最大的極端工況,在汽車(chē)環(huán)境艙內(nèi)40?℃模擬環(huán)境條件下進(jìn)行整車(chē)熱平衡模擬試驗(yàn)。冷卻液流量仿真值與整車(chē)試驗(yàn)值的曲線對(duì)比見(jiàn)圖3,兩者最大相對(duì)誤差約6%,平均相對(duì)誤差小于5%。

    發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出口冷卻液溫度仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比見(jiàn)表1。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果整體吻合較好,平均相對(duì)誤差約5%,表明冷卻系統(tǒng)仿真模型的精度較高,可用于冷卻系統(tǒng)的仿真與優(yōu)化分析。由表1可以看出,低速和高速爬坡工況時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)出口的冷卻液溫度偏高,冷卻液溫度超過(guò)最高允許溫度值(115?℃),主要原因是機(jī)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(tǒng)優(yōu)化分析

    2.1?冷卻系統(tǒng)管路優(yōu)化

    為研究不同冷卻系統(tǒng)管路方案對(duì)冷卻液流量分配的影響,利用實(shí)車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)部件和管路,搭建整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)方案包括3種:

    方案一是變速箱冷卻器集成在發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)水管路;

    方案三是變速箱采用單獨(dú)冷卻方式,與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻回路獨(dú)立。不同冷卻方案中冷卻部件的冷卻液流量對(duì)比見(jiàn)圖4。

    變速箱回水接到散熱器進(jìn)水管路,使流經(jīng)散熱器的冷卻液流量增大,尤其是在高轉(zhuǎn)速區(qū)更明顯。變速箱冷卻回路接到散熱器前或后,對(duì)暖風(fēng)芯體的冷卻液流量幾乎沒(méi)有影響,主要原因是暖風(fēng)芯體冷卻液回路相對(duì)獨(dú)立,受機(jī)油和變速箱冷卻回路的影響很小。在發(fā)動(dòng)機(jī)中、高轉(zhuǎn)速時(shí),采用變速箱獨(dú)立冷卻方式時(shí)暖風(fēng)芯體的流量降低。變速箱冷卻回路接到散熱器進(jìn)水管路時(shí),變速箱冷卻液流量顯著下降。冷卻管路的不同布置方案對(duì)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(duì)整個(gè)冷卻系統(tǒng)的冷卻液總流量和散熱量影響有限,因此冷卻系統(tǒng)管路優(yōu)化不能從根本上解決冷卻系統(tǒng)散熱能力不足的問(wèn)題。

    2.2?散熱器優(yōu)化選型

    散熱器是冷卻系統(tǒng)的主要散熱部件,散熱器的通風(fēng)和散熱能力是影響冷卻系統(tǒng)熱平衡性能的關(guān)鍵因素。[14]選取滿足機(jī)艙空間布置要求且結(jié)構(gòu)尺寸非常相近的5種不同型號(hào)散熱器,結(jié)合5種散熱器的單體性能試驗(yàn)數(shù)據(jù),基于整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)一維仿真模型,分析不同散熱器對(duì)冷卻性能的影響。5種不同散熱器的結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表2。

    5種散熱器的散熱量隨冷卻風(fēng)量和冷卻液流量的變化對(duì)比見(jiàn)圖5。散熱器的芯體結(jié)構(gòu)、扁管,以及翅片流動(dòng)與傳熱特性等是影響散熱器通風(fēng)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(qiáng),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(fēng)量均增大1倍時(shí),散熱量分別增大26.6%和70.7%,由此可知冷卻風(fēng)量對(duì)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(fā)動(dòng)機(jī)出口水溫為評(píng)價(jià)指標(biāo)。在變速箱非獨(dú)立冷卻方案中,5種型號(hào)散熱器對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度仿真結(jié)果見(jiàn)表3。此時(shí),R-1的冷卻能力最優(yōu),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(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度≤115?℃),其他4種散熱器均不符合選型要求。

    當(dāng)變速箱采用獨(dú)立冷卻方案時(shí),5種型號(hào)散熱器對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度仿真結(jié)果見(jiàn)表4。此時(shí),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(guò)以上分析可知,冷卻系統(tǒng)采用變速箱獨(dú)立冷卻方案的安全性最高,但會(huì)增加冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)較小,迎風(fēng)面積較大,與冷卻系統(tǒng)匹配性更好。

    2.3?前端模塊布置優(yōu)化

    汽車(chē)前端模塊和機(jī)艙內(nèi)布置優(yōu)化是提升冷卻系統(tǒng)性能的關(guān)鍵措施之一,優(yōu)化的主要目的是改善機(jī)艙流場(chǎng)特性、增大冷卻系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量、抑制機(jī)艙內(nèi)的有害傳熱、降低熱害風(fēng)險(xiǎn)[15]。研究表明,增大冷卻系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量比增大冷卻液循環(huán)流量對(duì)提升冷卻系統(tǒng)性能更有效。前端模塊中冷器下方增加擋風(fēng)板前、后的三維模型見(jiàn)圖6。

    前端模塊增加擋風(fēng)板后,在車(chē)速為110?km/h時(shí)中冷器表面的風(fēng)速分布云圖見(jiàn)圖7。由于增加的擋風(fēng)板阻擋機(jī)艙前端模塊右側(cè)的空氣回流,使中冷器進(jìn)風(fēng)量由原來(lái)的0.292?kg/s增大到0.330?kg/s。增加擋風(fēng)板后中冷器表面空氣流速分布更加均勻,對(duì)中冷器的散熱性能發(fā)揮更加有利。

    格柵開(kāi)度增大后水散熱器表面的風(fēng)速分布云圖見(jiàn)圖8。進(jìn)風(fēng)量從1.070?kg/s增大到1.170?kg/s,平均風(fēng)速?gòu)?.32?m/s增大到3.62?m/s。增大格柵開(kāi)度之后,不僅水散熱器的進(jìn)風(fēng)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(fēng)速均勻度的改善對(duì)提高散熱器的散熱效率效果明顯。

    汽車(chē)機(jī)艙前端模塊的結(jié)構(gòu)優(yōu)化可知,在機(jī)艙前端模塊增加擋風(fēng)板并增大格柵開(kāi)度,可阻擋機(jī)艙側(cè)面的空氣回流和漏風(fēng)量,阻斷熱回流,提升進(jìn)氣效率,使冷卻系統(tǒng)的風(fēng)速和進(jìn)風(fēng)量均增大,流場(chǎng)分布更均勻,有利于提高冷卻系統(tǒng)的散熱能力。

    2.4?優(yōu)化方案驗(yàn)證

    針對(duì)原來(lái)的單回路冷卻方案和改進(jìn)后的雙回路冷卻方案,驗(yàn)證冷卻系統(tǒng)優(yōu)化方案的效果,3種典型工況下發(fā)動(dòng)機(jī)出口冷卻液的溫度對(duì)比見(jiàn)表5,其中雙回路冷卻方案采用第2.2節(jié)中驗(yàn)證過(guò)的散熱性能更好的R-1水散熱器。當(dāng)變速箱冷卻從發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中獨(dú)立出來(lái)后,發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)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(fā)動(dòng)機(jī)出口冷卻液的溫度下降約5?℃,滿足整車(chē)熱平衡性能的要求。

    3?結(jié)束語(yǔ)

    一維仿真方法適合研究整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)內(nèi)部冷卻介質(zhì)的流動(dòng)與傳熱特性,但無(wú)法獲取汽車(chē)前端模塊和機(jī)艙內(nèi)的冷熱流場(chǎng)細(xì)節(jié);三維仿真方法計(jì)算過(guò)程復(fù)雜,計(jì)算量大且耗時(shí)長(zhǎng),但可以準(zhǔn)確獲取冷卻系統(tǒng)空氣的流動(dòng)與散熱特性。一維仿真與三維仿真聯(lián)合的方法,可以在新車(chē)型開(kāi)發(fā)中快速對(duì)冷卻系統(tǒng)的性能進(jìn)行有效預(yù)測(cè)和評(píng)估,實(shí)現(xiàn)整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)各部件之間的匹配和優(yōu)化,使冷卻系統(tǒng)的流量得到更合理的分配,在開(kāi)發(fā)前期得到水溫偏高問(wèn)題的解決方案,進(jìn)而降低樣車(chē)試制費(fèi)用和試驗(yàn)次數(shù),提高開(kāi)發(fā)效率、節(jié)省開(kāi)發(fā)成本。

    汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度過(guò)高的根源在于冷卻液回路和冷卻空氣流通回路的設(shè)計(jì)不合理,保證足夠多的冷卻液流量和冷卻風(fēng)量才能把冷卻系統(tǒng)的熱量散發(fā)出去。冷卻系統(tǒng)管路布局調(diào)整可以優(yōu)化冷卻液的流量分配和溫度分布,但不能從根本上解決發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度過(guò)高的問(wèn)題。散熱器優(yōu)化選型、機(jī)艙前端模塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化等才是解決汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)水溫過(guò)高的有效措施。通過(guò)散熱器優(yōu)化選型、采用新導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)或增大格柵開(kāi)度等措施,可以改善機(jī)艙流場(chǎng)特性,增大冷卻系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量,提高冷卻系統(tǒng)的散熱性能。

    隨著汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的散熱功率和集成度越來(lái)越高,采用變速箱獨(dú)立冷卻方案的雙回路冷卻系統(tǒng)可以顯著減少發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱功率,進(jìn)而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的出水溫度。由于雙回路冷卻系統(tǒng)增加水泵、管路和變速箱油冷器等冷卻部件,使得整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)更復(fù)雜,質(zhì)量、體積和成本也會(huì)增加。因此,采用何種冷卻方案需要結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行綜合評(píng)估。

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    (編輯?武曉英)

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