王次安，王宏大，劉吉林，倪成鑫

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某車型冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王次安，王宏大，劉吉林，倪成鑫

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于某車型在低溫怠速試驗(yàn)中節(jié)溫器不能正常打開問題進(jìn)行研究，提出相應(yīng)的優(yōu)化方案，首先依據(jù)冷卻系統(tǒng)原理圖進(jìn)行冷卻系統(tǒng)一維分析，獲取流量邊界數(shù)據(jù)，然后對(duì)水泵節(jié)溫器總成建模，進(jìn)行CFD分析，得到不同工況下的流速及汽蝕數(shù)據(jù)，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化方案的有效性。

1D；汽蝕；冷卻系統(tǒng)；CFD；試驗(yàn)

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)05-30-03

前言

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)是保障發(fā)動(dòng)機(jī)正常穩(wěn)定運(yùn)行 的重要系統(tǒng)之一，其主要功能是保證發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下都有最適宜的工作溫度[1]，冷卻系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及可靠性都有很大的影響[2]。而冷卻系統(tǒng)溫度主要由節(jié)溫器進(jìn)行控制，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫的高低自動(dòng)改變冷卻水的循環(huán)路線及流量，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在最適合的溫度下[3]，所以節(jié)溫器的設(shè)計(jì)也就尤為重要。

本文基于某車型節(jié)溫器在低溫怠速工況下不能正常打開的問題進(jìn)行研究。利用一維和三維聯(lián)合仿真分析方法對(duì)某車型冷卻系統(tǒng)進(jìn)行建模獲取典型工況下的水循環(huán)流量和壓力邊界[4]，然后對(duì)優(yōu)化前后的水泵節(jié)溫器總成進(jìn)行CFD分析，得到不同工況下的水泵節(jié)溫器總成性能表現(xiàn)，確定結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)際效果，最后通過低溫怠速試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化效果。

1、流量邊界計(jì)算

該車型冷卻系統(tǒng)原理如圖1所示，冷卻系統(tǒng)包括高溫循環(huán)冷卻系統(tǒng)和低溫循環(huán)冷卻系統(tǒng)，分別由機(jī)械水泵和電子水泵進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

圖1 冷卻系統(tǒng)原理圖

以冷卻系統(tǒng)原理圖為基礎(chǔ)，建立該車型冷卻系統(tǒng)分析模型，模型如圖2所示，圖中對(duì)冷卻系統(tǒng)各主要部件進(jìn)行標(biāo)注。本次計(jì)算工況為怠速工況和額定轉(zhuǎn)速工況，具體計(jì)算結(jié)果如表1所示，該數(shù)據(jù)為水泵節(jié)溫器閥座CFD分析邊界數(shù)據(jù)。

圖2 冷卻系統(tǒng)分析模型

表1 不同工況下流量邊界

2、水泵節(jié)溫器總成分析

因該車型節(jié)溫器不能正常打開，所以制定節(jié)溫器閥座優(yōu)化方案，具體方案如圖3所示，在節(jié)溫器閥座腔室與水泵腔室中間增加一個(gè)凸臺(tái)，其設(shè)計(jì)意圖為將冷卻液向節(jié)溫器蠟包上端引流。為了驗(yàn)證該方案的有效性及增加凸臺(tái)對(duì)水泵汽蝕的影響程度，進(jìn)行CFD分析，本次計(jì)算為了考慮水泵攪動(dòng)對(duì)冷卻液流動(dòng)的影響，同時(shí)建立水泵CFD分析模型。

圖3 節(jié)溫器閥座優(yōu)化方案

怠速工況下計(jì)算結(jié)果如下圖所示，其中圖4為總成流體域壓力分布圖，圖中標(biāo)注流體域各進(jìn)出口位置，通過壓力分布圖可以看出，水泵出口壓力大于水泵入口壓力，這與實(shí)際工作過程相符。

圖4 總成流體域壓力分布圖

圖5為怠速工況下沿著流動(dòng)方向截面上的流速分布圖，根據(jù)模型中監(jiān)測(cè)點(diǎn)流速數(shù)據(jù)可知，原結(jié)構(gòu)節(jié)溫器蠟包上端流速為0.11m/s，新結(jié)構(gòu)流速為0.17m/s，流速增加約55%，流速增加明顯。圖6為垂直方向截面流速分布圖，根據(jù)對(duì)比可知，優(yōu)化方案節(jié)溫器蠟包上端流速增加較明顯，說明優(yōu)化方案有助于提高節(jié)溫器蠟包周圍流速。

圖5 流動(dòng)方向截面流速分布圖

圖6 垂直方向截面流速分布圖

圖7 水泵流體域截面壓力分布圖

額定轉(zhuǎn)速工況下計(jì)算結(jié)果如下圖所示，其中圖7為水泵流體域截面壓力分布圖，由圖可知，壓力由中間向外增加，到出口位置壓力最大，出口壓力約為2.5bar，該壓力與冷卻系統(tǒng)一維分析相符，說明冷卻系統(tǒng)及水泵CFD分析的有效性。圖8為水泵葉輪表面汽蝕損害能量分布圖，通常認(rèn)為當(dāng)汽蝕損害能量達(dá)到5× 108時(shí)，水泵會(huì)發(fā)生汽蝕，根據(jù)原結(jié)構(gòu)與新結(jié)構(gòu)對(duì)比可知，汽蝕損害能量區(qū)域基本一致，汽蝕損害能量沒有明顯增加，節(jié)溫器閥座增加凸臺(tái)后對(duì)水泵汽蝕性能影響較小，優(yōu)化方案可行。

圖8 水泵葉輪表面汽蝕損害能力分布圖

3、怠速水溫試驗(yàn)

為驗(yàn)證節(jié)溫器閥座優(yōu)化實(shí)際效果，再次制作節(jié)溫器閥座快速成型件，裝配在車輛上，進(jìn)行低溫怠速試驗(yàn)，并通過在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出水管安裝水溫傳感器監(jiān)測(cè)溫度變化情況。圖9為低溫怠速試驗(yàn)中，溫度隨時(shí)間變化情況。根據(jù)溫度監(jiān)控曲線可知，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度隨著時(shí)間呈線性快速增加，當(dāng)水溫達(dá)到82℃時(shí)，節(jié)溫器開始打開，水溫增加變緩。因節(jié)溫器沒有打開，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水溫度最開始基本沒變化，當(dāng)時(shí)間達(dá)到6.5min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度達(dá)到82℃，節(jié)溫器開始打開，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水溫度大幅增加，直至與發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度存在一定溫差后隨出水溫度平行變化，最后當(dāng)水溫達(dá)到95℃時(shí)節(jié)溫器全開，水溫有所降低。

圖9 低溫怠速試驗(yàn)溫度隨時(shí)間變化

4、結(jié)論

本文基于某車型開發(fā)過程中存在的節(jié)溫器不能打開的問題，提出優(yōu)化方案，并聯(lián)合一維和三維分析進(jìn)行冷卻系統(tǒng)分析與流體域CFD分析，驗(yàn)證改進(jìn)方案優(yōu)化效果及改進(jìn)方案對(duì)水泵汽蝕性能的影響，根據(jù)分析結(jié)果知，優(yōu)化方案對(duì)蠟包周圍流速提升非常明顯，且對(duì)水泵葉輪汽蝕影響較小，最后通過低溫怠速試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化效果。

[1] 姚仲鵬,王新國(guó).車輛冷卻傳熱[M ].北京：北京理工大學(xué)出版社.2001．

[2] 黃燦，葉寒.某型柴油機(jī)冷卻水路的模擬分析 與優(yōu)化 [J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào)（工科版），2016，（1）75-78.

[3] 劉艷莉,董長(zhǎng)興等.汽車構(gòu)造與使用[M ].北京：人民郵電出版社,2011.

[4] 孔祥健,李言等.基于GT—COOL/FLUENT的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系調(diào)溫器聯(lián)合仿真研究[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，（2）195-200.

Optimization Design of Cooling System for a Vehicle

Wang Ci'an, Wang Hongda, Liu Jilin, Ni ChengXin
(Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

The thermostat of a vehicle can not open during low temperature idling test, the optimization design is proposed. First, the cooling system 1D model is built based on cooling system scheme, so the flow rate and pressure data can be got, then the velocity around thermostat and cavitation of impeller data can be got based on CFD analysis. After that, the accuracy of simulation can be verified according to test.

1D; cavitation; Cooling system; CFD; Test

U467.3

A

1671-7988 (2017)05-30-03

王次安（1986-）男，工程師，就職于江淮汽車技術(shù)中心發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究院，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)分析。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.05.010