方明壯，藍志寶，張帆，王偉

摘 要：為了解決某車型開發(fā)過程中電子扇怠速長轉問題，通過故障模型樹和一維流體軟件對問題原因進行了詳細分析，發(fā)現暖風回路流阻過大是引起了電子扇的常轉的原因。最后制定了改制加長5cm感溫元件的節(jié)溫器優(yōu)化方案，并在20臺實車上進行驗證，驗證結果表明該車型怠速恢復正常，節(jié)溫器感溫元件部位溫度從83℃上升到85℃，溫度波動范圍從8℃降為3℃，達到了預期的結果。

關鍵詞：冷卻系統(tǒng);風扇常轉;設計優(yōu)化;CFD分析

中圖分類號：TK414.2 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2019）23-69-04

Optimization Design for a Vehicle Cooling System

Fang Mingzhuang， Lan Zhibao， Zhang Fan， Wang Wei

（ SAIC-GM-Wuling Automobile Co.， Ltd， Guangxi Liuzhou 545007 ）

Abstract： For some vehicle models have electronic fan long idle problem in the development process， through the fault model tree and one-dimensional fluid software to analyze the problem， after the analysis found that loop flow resistance is too large， so the electronic fan in a long-term working. Finally the restructuring method is thermal components increase 5 cm in the thermostat and validated on 20 vehicles. Verification results show that the vehicle electronic fan returned to normal， thermal components in thermostat temperature from 83°C to 85°C， the temperature fluctuation range from 8°C reduced to 3°C， achieve the desired results.

Keywords： Cooling system; Electronic fan in a long-term working; Optimization design; CFD analysis

CLC NO.： TK414.2 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）23-69-04

引言

隨著節(jié)能減排法規(guī)越來越嚴，發(fā)動機趨向小型化發(fā)展，強化程度越來越高，發(fā)動機的散熱條件越來越苛刻和惡劣;同時，基于節(jié)能的目的，水泵等附件驅動功耗要求盡可能的少。這些都給傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)匹配帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)，為此，我們需要對傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)設計進行優(yōu)化，對整車散熱系統(tǒng)進行更精確的匹配，以滿足整車在各個工況下的運行要求。

以前，冷卻系統(tǒng)的設計研究，主要通過在特定工況下（一般最大扭矩和最大功率）的簡單的換熱理論計算以及相關的經驗和類似機型的對比試驗，確定相關的冷卻系統(tǒng)性能參數，如流量，揚程，節(jié)溫器開啟溫度等。該方法設計出來的冷卻系統(tǒng)雖然能基本滿足大部分工況的要求，但存在著成本高，耗時長，匹配精度差等缺點。并存在特定工況下，因匹配不良產生水溫高等現象。

近年來隨著CFD計算的進步，借助于計算機強大的計算能力。在設計階段，通過在計算機中搭建虛擬冷卻系統(tǒng)模型。利用三維和一維的CFD聯(lián)合仿真，模擬發(fā)動機運行的各個工況，綜合考慮與整車的匹配。已經能設計開發(fā)出優(yōu)良的整車冷卻系統(tǒng)。同時，通過搭建現有車型的冷卻系統(tǒng)模型，為現有車型的冷卻系統(tǒng)故障解決和優(yōu)化改進提供了一條很好的途徑。下面就以某一款車型開發(fā)過程中怠速電子扇長轉問題的解決過程，探討計算機模擬技術在冷卻系統(tǒng)設計優(yōu)化中的應用。

1 某車型故障現象和初步原因分析

根據試驗工程師反饋，在怠速工況下，某車型水溫較正常狀態(tài)高出約5度以上，電子扇常轉，非怠速工況，無該故障。故障比例在10%左右。

經現場對故障車的確認，該車子在原地怠速時，水溫一直維持在98°，電子扇一直轉動，檢查大循環(huán)，大循環(huán)沒有打開的跡象。

該車型節(jié)溫器開啟溫度為83℃，95℃全開;電子扇的控制策略：低速扇93℃開，90℃關 ，高速扇高于96℃開，低于93℃關。

針對該故障現象，我們進行了故障逐一排查，如下圖的故障模型分析樹所示，我們首先對整車冷卻系統(tǒng)零件狀態(tài)進行確認，發(fā)現所有的零件均無安裝質量問題;其次對系統(tǒng)故障因素進行排查，發(fā)現導致循環(huán)未打開，并不是漏水或者冷卻系統(tǒng)進空氣引起的。接著對故障車關鍵零件（水溫傳感器、節(jié)溫器）進行性能檢測，也沒發(fā)現問題;最后我們在節(jié)溫器感溫體部位進行了溫度測試，發(fā)現頂部水溫達到了85℃左右（達到了節(jié)溫器開啟的條件），并在感溫元件迎風面和頂部發(fā)生了較大的溫度波動（8℃），在排除溫度傳感器觸壁的影響下，有可能是因為水流不足引起的。

圖1 ?故障模型分析樹

經故障樹分析懷疑該車型（下文稱為A車型）冷卻系統(tǒng)在怠速時流量（暖風回路）達不到節(jié)溫器開啟的流量要求。為此，我們對比了同為一基礎機型，同樣的冷卻系統(tǒng)回路設計（如圖2所示），沒有該故障的另一車型（下文稱為B車型），發(fā)現該A車型暖風回路異常曲折（如圖中紅色圈中所示），存在著暖風回路的流動阻力過大，導致該回路在某些工況流量不足的潛在風險。

圖2 ?某車型冷卻系統(tǒng)示意圖

圖3 ?兩個車型冷卻系統(tǒng)三維模型

2 一維流體仿真分析

2.1 一維流體模型

為了驗證初步分析結果，搭建A，B車型冷卻系統(tǒng)的一維CFD模型，并對結果進行分析比較。首先收集各個元件的流阻搭建好兩個車型的flowmaster模型，分別分析在發(fā)動機轉速800rpm，環(huán)境溫度40℃的怠速工況下，這兩個車型暖風回路的流量和壓力分布。分析結果如圖4，圖5所示。

圖4 ?怠速時冷卻系統(tǒng)流量分布

圖5 ?怠速時冷卻系統(tǒng)壓力分布

2.2 分析及結果

由上面的流量壓力的分布圖，可以看出，在怠速工況下：

從壓力分布上看，暖風回路（從發(fā)動機出水口到膨脹箱回水三通），A車型壓降為2.4kPa（142.9-140.5），B車型壓降為1.24kPa（142.02-140.78），故障車型（A車型）的流阻是B車型的近2倍。其中因管路（除去暖風芯子的影響）產生的流阻，A車型為1.9kPa（2.4-0.5），B車型為0.59kPa（1.24-0.59），故障車型（A車型）更是達到了B車型的近3倍。由此可判斷，之所以產生兩個車型怠速工況的流量差異，主要的原因是因為故障車暖風管路流阻過大所致。

從流量分布上看，暖風回路A車型的流量為1.5L/min，B車型為4.4L/min。水泵總流量，A車型的流量為3.9L/min，B車型為6.1L/min。因暖風回路流阻的增加和其他回路的長度增加，導致A車型的總流阻大于B車型。所以產生了不同的流量分布結果。在暖風回路流量減少的情況下，發(fā)動機排氣回路和散熱器排氣回路的流量都有相應的增加。

由上面的分析可以看出，怠速工況下，導致A車型產生怠速電子扇長轉的原因是因為暖風回路流阻過大，使流經節(jié)溫器感溫元件的流量不足，以致引起節(jié)溫器沒法打開。

3 冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設計

3.1 優(yōu)化設計方案

針對流量沖擊不足產生的問題，我們擬對冷卻系統(tǒng)進行以下的優(yōu)化：1）優(yōu)化暖風管路，降低該回路的流阻;2）優(yōu)化水泵在怠速轉速下的性能;3）優(yōu)化節(jié)溫器感溫元件。

通過各方面的綜合比較，因為水泵為借用件，重新開發(fā)的成本過高，而暖風相關管路受限于發(fā)動機艙的空間限制，很難進行有效的優(yōu)化，所以在此選擇最經濟的改進方案，在不改變冷卻系統(tǒng)的管路布置的前提下，優(yōu)化節(jié)溫器，將感溫元件后移5cm，增加來流冷卻液對感溫體的沖擊，以改進節(jié)溫器的響應效果。

3.2 優(yōu)化方案建模及分析

針對節(jié)溫器感溫元件后移5cm的方案進行節(jié)溫器流場三維CFD建模和分析，應用一維CFD分析得到的流量壓力結果，作為三位CFD分析的輸入和邊界，用三維CFD軟件模擬節(jié)溫器感溫部位怠速時的流場情況。

圖6 ?節(jié)溫器感溫部位怠速工況流動情況

上圖6為A車型新節(jié)溫器怠速工況（節(jié)溫器關閉時）流場速度和溫度分布的情況?？梢钥闯?，節(jié)溫器未開啟時，流動高速區(qū)主要分布在節(jié)溫器進水口和水泵進水口的連線范圍內。從溫度分布結果來看，感溫元件壁面溫度在來流方向的最高溫度在85℃左右，底部的溫度接近83℃（溫度邊界：入口溫度85℃，壁溫82℃）。由CFD分析結果可知，在85℃的進水水溫下，延長后的節(jié)溫器感溫體處于來流的覆蓋范圍內，同時感溫體表面的溫度波動范圍減小（2℃）。達到了預計的效果。

3.3 試驗驗證

針對改進方案，分別在冷卻系統(tǒng)回路上布置7個溫度測量點，其中節(jié)溫器感溫體迎水面、背水面和頂端各布置3個測量點（如圖7所示）。先在某一故障車上測試原狀態(tài)的怠速工況水溫分布狀態(tài)，然后切換改進方案中的節(jié)溫器，再測試其怠速工況的水溫分布。

圖7 ?節(jié)溫器感溫部位怠速工況流動情況

圖8 ?試驗驗證結果

測試結果如圖8所示，從圖上可以看出，在關空調后怠速時，節(jié)溫器內側（迎水面）在故障車中，溫度都<85℃，并且與節(jié)溫器頂端的溫差>8℃。一直在節(jié)溫器開啟溫度（83℃）附近徘徊。同時風扇一直轉動的影響，故障車的進水管溫度一直呈下降趨勢，惡化了節(jié)溫器的溫度響應。在改進方案中這兩個位置的水溫都不差過3℃，并且在關閉空調后，節(jié)溫器兩個位置水溫迅速趨向于一致（且都大于85℃），節(jié)溫器和電子扇能正常開啟和關閉。

這說明沖擊節(jié)溫器正面的水流量增加了。達到了預期改進的效果。

由上可知，試驗驗證達到了預期的效果，在此基礎上隨機抽取20臺故障車，并進行相關的故障工況溫度分布對比驗證試驗，試驗結果表明，在20臺樣車的試驗結果均有效。經改進以來，從開發(fā)到批產，該車型冷卻系統(tǒng)并未再出現該故障，故該改進方案是確實有效的，并驗證了原先CFD分析的結果。

4 結論

（1）通過對某車型電子扇長轉故障的排查，利用一維和三維CFD軟件進行相關分析，找到了新車型怠速工況電子扇常轉的原因是暖風回路流阻過大。

（2）加長節(jié)溫器感溫元件的優(yōu)化方案，經實車驗證，怠速工況下，節(jié)溫器感溫元件表面平均溫度從83℃提高到了85℃，溫度波動范圍也有8℃降低到了3℃。水溫恢復正常，電子扇常轉的故障消失。優(yōu)化了冷卻系統(tǒng)的設計。（3）在冷卻

系統(tǒng)的優(yōu)化設計和開發(fā)中，CFD發(fā)揮越來越重要的作用，在前期開發(fā)中通過CFD仿真與與驗證試驗的結合，可以減輕開發(fā)階段的成本和時間。

參考文獻

[1] D. S. Miller. Internal Flow System.BHR Group Limited 1996.

[2] 鄧義斌.車用發(fā)動機系統(tǒng)匹配設計研究.武漢理工大學學報， 2011 （4）： 383- 386.

[3] 趙軍.重型載重車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設計改進及試驗研究.柴油機設計與制造， 2008（3）： 28- 31.

[4] 海松等.基于 FLOWMASTER 的工程機械熱平衡仿真分析，2007 （6）：118-121.

[5] Bure J， Haws J.Vehicle thermal systems modeling using flowmaster2 [C]//SAE， Paper，No.2001-1696，2001.

[6] Bernhard Uhl， Friedrich Brotz. Development of Engine Cooling Systems by Coupling CFD Simulation and Heat Exchanger Analysis Programs.SAE Paper 2001（05）： 14-17.