童元，漆杰，趙少鋒，王文

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

整車?yán)鋮s性能優(yōu)化方案研究

童元，漆杰，趙少鋒，王文

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

整車?yán)鋮s性能是汽車開發(fā)設(shè)計(jì)過程中一項(xiàng)非常重要的性能指標(biāo)。文章從一款車型冷卻性能不合格的現(xiàn)實(shí)情況入手，通過冷卻系統(tǒng)性能的經(jīng)典計(jì)算與CFD分析相結(jié)合的手段，提出了具有針對(duì)性的整改方案并通過風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證確認(rèn)，大大減少了性能整改的周期，為后續(xù)同類型車?yán)鋮s系統(tǒng)的性能設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

冷卻性能；經(jīng)典計(jì)算；CFD分析；風(fēng)洞試驗(yàn)

前言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展與顧客對(duì)汽車舒適性要求的提高，汽車熱性能做為整車重要的基本性能之一，已經(jīng)越來越多的受到各個(gè)主機(jī)廠的關(guān)注與重視。眾所周知，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)為典型的內(nèi)燃機(jī)，由于液體燃料燃燒產(chǎn)生的熱量無法全部轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，需要冷卻系統(tǒng)進(jìn)行散熱，使發(fā)動(dòng)機(jī)維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的工作溫度環(huán)境[1]。受制于整車布置空間、匹配經(jīng)驗(yàn)等因素影響，整車開發(fā)過程中或多或少會(huì)遇到整車?yán)鋮s性能不足的情況，冷卻性能不足會(huì)使整車熱性能惡化，導(dǎo)致艙內(nèi)高溫部件散熱不足，引起艙內(nèi)溫度過高，直接影響汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，且整車熱性能惡化，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性下降、嚴(yán)重的可能會(huì)影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命[2.3]。

本文闡述了某款車型的熱性能優(yōu)化案例，通過經(jīng)典計(jì)算、CFD仿真分析明確了熱性能優(yōu)化的方向，同時(shí)結(jié)合整車風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證[4]，為同類車型熱性能匹配與開發(fā)提供了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與參考依據(jù)。

1 冷卻性能優(yōu)化分析

某車型在開發(fā)路試階段出現(xiàn)熱性能問題，該車型在新疆吐魯番實(shí)地路試（環(huán)境溫度 43℃～49℃，車速 80km/h～100km/h，爬長坡）時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度超過限值，空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)切斷。為了模擬實(shí)際路試情況，同時(shí)候確認(rèn)整車熱性能水平，對(duì)該車型同步進(jìn)行了風(fēng)洞轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)確認(rèn)。驗(yàn)證工況分別為爬坡：在環(huán)境溫度35℃情況下車速60km/h爬7%坡[5]，在該模擬工況下，車輛在試驗(yàn)進(jìn)行到7分鐘左右，空調(diào)保護(hù)切斷，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度超過限值；高速爬坡：在環(huán)境溫度40℃情況下車速120km/h爬3%坡，在此工況下，車輛在10分鐘左右，空調(diào)切斷。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)論，該車型熱性能不能滿足實(shí)際使用要求，在極端地理?xiàng)l件下，諸如高溫爬較大坡度時(shí)，整車會(huì)出現(xiàn)空調(diào)切斷的情況，會(huì)對(duì)顧客用車造成一定的恐慌，有很大的性能隱患，需對(duì)其熱性能進(jìn)行優(yōu)化。

1.1 冷卻性能經(jīng)典計(jì)算分析

冷卻系統(tǒng)需要散走的熱量Qw，受許多復(fù)雜因素的影響，很難精確計(jì)算，初估Qw時(shí)，可以用以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：η－傳給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能的百分比。對(duì)汽油機(jī)η=0.23～0.30，柴油機(jī)η=0.18～0.25。這個(gè)值的大小因發(fā)動(dòng)機(jī)不同而不同，需通過發(fā)動(dòng)機(jī)熱耗比曲線得出。

ge－燃油消耗率(kg/kW.h)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線，對(duì)照驗(yàn)證工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、功率得出對(duì)應(yīng)的燃油消耗率。

hu－燃料低熱值(kJ/kg)。對(duì)汽油機(jī)取43100kJ/kg，柴油機(jī)取41870kJ/kg。

Ne－總功率(kW)。包括發(fā)動(dòng)機(jī)功率 Ne1、空調(diào)功率Ne2變速箱功率Ne3等。

上述計(jì)算出的Qw為發(fā)動(dòng)機(jī)散入冷卻系統(tǒng)的熱量，該部分熱量進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)水套中的冷卻液中，最終在熱交換器中將熱量傳遞給通過熱交換器周圍的空氣，根據(jù)能量守恒定律，冷卻液中包含的熱量與空氣帶走的熱量相等，故有：

圖1 熱交換過程示意圖

式中：KR-(kJ/m2?s?℃)散熱器熱通過率，同一散熱器散熱系數(shù)通過標(biāo)定得。

A－散熱器散熱面積(m2)。即散熱芯體的總散熱面積。

ΔT－液氣溫差值(℃)。即（tw1－ta1）。

Gw－冷卻水流量(kg/s)。Gw=Vw(流量)×γw(冷卻液密度)。

Cw－冷卻水的比熱，可近似取=3.561KJ/Kg.℃。Ga－冷卻空氣流量(kg/s)。Ga=Ua(風(fēng)速)×γa(空氣密度)×S(芯子散熱正面積)。

一般整車開發(fā)會(huì)對(duì)tw1的溫度值，即散熱器進(jìn)水口（發(fā)動(dòng)機(jī)的許用溫度值做出要求），根據(jù)該公式，為了降低極限工況下發(fā)動(dòng)機(jī)許用溫度值，可以通過以下方式實(shí)現(xiàn)：

（1）增加散熱器性能：即采用效率高的散熱材料，增加熱通過率KR[6]；加大散熱器輪廓尺寸，或者減小散熱器翅片波高波距，增加管帶數(shù)量，最終增加散熱器面積A，以上增加散熱器面積的方法中，增加散熱管帶數(shù)量會(huì)增加散熱器風(fēng)阻，對(duì)空氣流通產(chǎn)生影響，故優(yōu)先考慮加大散熱器輪廓尺寸的方法；

（2）增加冷卻液流量：增大水泵功率，或者采用截流限流的方式，減少暖風(fēng)等支路水流，增加主回路水流量；

（3）增加冷卻空氣流量：增大風(fēng)扇風(fēng)量，增加密封裝置，減少冷卻空氣泄露量，合理布置發(fā)艙結(jié)構(gòu)，減小靜壓阻力，增加進(jìn)風(fēng)量等。

經(jīng)過對(duì)該車型冷卻系統(tǒng)性能參數(shù)進(jìn)行分析估計(jì)算，發(fā)現(xiàn)其冷卻模塊散熱器性能與風(fēng)扇性能均偏小，考慮到整車處于實(shí)物整改階段，修改散熱器與風(fēng)扇布置輪廓尺寸或增加水泵性能周期長、變動(dòng)大，優(yōu)先從增加進(jìn)風(fēng)量考慮進(jìn)行優(yōu)化。

1.2 優(yōu)化方案及CFD分析

1.2.1 整車進(jìn)風(fēng)面積優(yōu)化

整車進(jìn)風(fēng)面積為衡量冷卻系統(tǒng)空氣流量的一個(gè)重要指標(biāo)[7]，實(shí)車設(shè)計(jì)時(shí)以格柵正面能直吹散熱器的有效進(jìn)風(fēng)面積/散熱器正面積的百分比做為判斷依據(jù)，該值應(yīng)控制在 20%～30%之間，經(jīng)理論核算，此次整改車型進(jìn)風(fēng)面積值約為18%，總進(jìn)風(fēng)面積值偏小，且下格柵整體進(jìn)風(fēng)效果較差，空調(diào)過冷區(qū)域的通風(fēng)量不足，對(duì)散熱效果影響較大?；谝陨鲜聦?shí)，通過修改格柵造型細(xì)節(jié)，增加進(jìn)風(fēng)面積值到21%（方案1），如下：

圖2 進(jìn)風(fēng)面積校核結(jié)果

運(yùn)用 CFD分析軟件對(duì)造型修改前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在原造型條件下，80km/h與180km/h的工況下散熱器周邊的進(jìn)氣量不足，無法滿足散熱需求，修改后的造型進(jìn)氣量達(dá)到了理論分析的要求值，改善效果明顯，具體如圖3：

1.2.2 冷卻模塊流場(chǎng)優(yōu)化

經(jīng)整車CFD分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)艙冷卻模塊流場(chǎng)存在三個(gè)較明顯的問題；1.在分析了多個(gè)車速下發(fā)艙內(nèi)部Z方向截面速度分布后，發(fā)現(xiàn)冷卻模塊的部分區(qū)域氣流量很小甚至是沒有氣流流過，即出現(xiàn)了“分配差異”的現(xiàn)象[8]；2.在分析多個(gè)方向、車速下整車?yán)鋮s模塊的壓力分布后發(fā)現(xiàn)，散熱器上方存在高壓區(qū)，氣流很難從這里流出去，從而影響散熱器散熱性能；3.在分析多個(gè)車速下發(fā)艙內(nèi)Y向截面速度分布后，發(fā)現(xiàn)在中冷散熱器和散熱器之間由于缺少密封，存在氣流回流，即“短路”現(xiàn)象。而從進(jìn)氣格柵進(jìn)入的部分氣流沒有通過散熱器，而是沿散熱器上部流過，即“泄漏”現(xiàn)象。 當(dāng)車速為180kph時(shí)，“泄漏”現(xiàn)象更加嚴(yán)重。

圖3 原造型進(jìn)氣量分析結(jié)果

表1 造型修改前后分析結(jié)果對(duì)比

圖4 Z方向截面速度分布結(jié)果

針對(duì)上述問題1與問題2可以通過調(diào)整發(fā)艙內(nèi)的部件布置位置解決，由于該車型已經(jīng)處于實(shí)物驗(yàn)證階段，無法對(duì)發(fā)艙內(nèi)部件進(jìn)行大的變動(dòng)，建議通過后移風(fēng)扇并在風(fēng)扇護(hù)風(fēng)罩上增加通風(fēng)孔（即方案 2）來改善冷卻模塊的氣流流動(dòng)與分布，經(jīng)分析，通過增加風(fēng)扇邊緣厚度將本體后移 15mm，并在風(fēng)扇上增加百葉窗結(jié)構(gòu)后，“分配差異”與“高壓區(qū)”問題得到了明顯改善。

圖5 冷卻模塊高壓區(qū)域示意圖

圖6 Y方向截面速度分布結(jié)果

圖7 方案2示意圖

針對(duì)問題3可以通過增加擋風(fēng)板并在中冷散熱器與散熱器之間增加海綿條等密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行密封（方案3），經(jīng)分析，增加了前端聚風(fēng)板與海綿條的冷卻模塊，“短路”與“泄露”現(xiàn)象基本消失，整車前端流場(chǎng)得到了較大優(yōu)化。

圖8 方案3示意圖

2 優(yōu)化方案試驗(yàn)驗(yàn)證

圖9 CWT試驗(yàn)

根據(jù)上述優(yōu)化策略制定試驗(yàn)方案，順序分別為方案 1、方案2、方案3、方案1、2、3同時(shí)實(shí)施，為了最大限度的排出其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)在同一臺(tái)驗(yàn)證車輛上進(jìn)行。驗(yàn)證工況選取前期問題工況，在風(fēng)洞試驗(yàn)室對(duì)上述試驗(yàn)方案進(jìn)行了實(shí)車驗(yàn)證，具體結(jié)果如圖9：

表2 CWT試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可知，方案1、3單獨(dú)實(shí)施均可使整車?yán)鋮s性能有較大提升，其中方案1增加進(jìn)行面積值后的整車驗(yàn)證結(jié)果與CFD分析結(jié)果基本吻合，方案3增加密封裝置對(duì)整車在高速行駛時(shí)優(yōu)化較大，也與CFD分析結(jié)果一致，從側(cè)面證明了性能計(jì)算與CFD分析的正確性。

3 結(jié)束語

整車?yán)鋮s性能在整車開發(fā)設(shè)計(jì)流程中有著非常重要的地位。本文介紹了某款車型的冷卻性能優(yōu)化方案，通過經(jīng)典計(jì)算公式識(shí)別性能整改方向，再借助CFD軟件分析輔助，識(shí)別出具體的問題點(diǎn)，制定了了增加進(jìn)風(fēng)面積值，增加整車密封等具有針對(duì)性的整改方案，最后通過試驗(yàn)對(duì)上述整改方案進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，達(dá)到了冷卻性能優(yōu)化整改的目的。

[1] 陳家瑞主編.汽車構(gòu)造（上冊(cè)）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[2] 袁狹義,谷正氣,楊易,等.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱的數(shù)值仿真分析.汽車工程.2009,31(9):843-847.

[3] FrancescoFortunato,FulvioDamiano.Underhood Cooling Simulation for development of New Vehicles SAE paper 2005-01-2046.

[4] 薛海亮,劉瑞軍.發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2016年第4期,59-62.

[5] 陳強(qiáng).汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的匹配計(jì)算研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2016年第7期,86-88.

[6] 漆杰,童元.汽車散熱器輕量化改進(jìn)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2017年第七期,58-60.

[7] 周永明,鄭紅梅.淺析進(jìn)風(fēng)面積對(duì)整車熱平衡的影響[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2012,50(7):29-31.

[8] 張坤,王玉璋,楊小玉.應(yīng)用CFD方法改善發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱性能.汽車工程,2011,33(4):214-217.

無等待充電技術(shù)——新能源汽車領(lǐng)域新突破

無等待充電技術(shù)作為新能源汽車領(lǐng)域的突破，可謂是在充電領(lǐng)域另辟蹊徑。該技術(shù)設(shè)計(jì)的車載電池具備邊使用邊充電功能，車在運(yùn)行中，通過充電控制系統(tǒng)使移動(dòng)電源對(duì)車載電池進(jìn)行充電，以此來提供可靠、持續(xù)、穩(wěn)定的充電電流，增加新能源汽車的續(xù)航能力。作為新技術(shù)領(lǐng)域的專家，北京森川科技(后稱森川科技)首席工程師提供的資料顯示，該技術(shù)可以大幅度解決當(dāng)前新能源汽車領(lǐng)域充電難、充電時(shí)間長的問題，可以稱為新能源汽車的“充電寶”，不需要進(jìn)行更換車載電池的繁瑣操作，也不需要在充電樁前等待數(shù)個(gè)小時(shí)，只要到換電站進(jìn)行更換移動(dòng)電源，耗時(shí)全長不超過一分鐘。

該技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)年的研發(fā)改進(jìn)，逐步趨于成熟，產(chǎn)品已經(jīng)成型，該產(chǎn)品符合國內(nèi)市場(chǎng)需求，準(zhǔn)備開始在國內(nèi)大面積鋪設(shè)換電站，同時(shí)線上app也已經(jīng)研發(fā)結(jié)束準(zhǔn)備開放，app上可以進(jìn)行預(yù)約，電池查詢，緊急送電等服務(wù)，并準(zhǔn)備聯(lián)合多家汽車廠商進(jìn)行統(tǒng)一型號(hào)生產(chǎn)，在型號(hào)統(tǒng)一的情況下，不同廠商生產(chǎn)的電動(dòng)汽車可以達(dá)成共享制。進(jìn)一步解決了新能源汽車充電難的問題。

（編輯：李萍）

The study of vehicle cooling system optimization design

Tong Yuan, Qi Jie, Zhao Shaofeng, Wang Wen
( Anhui Jianghuai Automobile CO. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

The cooling performance of vehicle is a very important index in the process of vehicle development. This paper starts with the fact that a vehicle’s cooling performance is not up to standard.through the classical calculation of cooling system performance and the combination of CFD analysis .A targeted rectification scheme was put forward and verified by CWT test.This scheme greatly reduces the performance of the recification cycle and provides a reference for the performance design of the same type of vehicle cooling system.

Cooling performance; Classical calculation; CFD analysis; CWT test

U462.1

A

1671-7988 (2017)21-68-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.024

CLC NO.: U462.1

A

1671-7988 (2017)21-68-04

童元 (1989- ) 男，工學(xué)學(xué)士，工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，主要從事：乘用車?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)。