楊 英，盤 飛

（1.重慶理工大學(xué) 車輛工程學(xué)院/汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400054；2.惠科光電科技有限公司，重慶400056）

1 引言

強(qiáng)制循環(huán)水冷系統(tǒng)是目前最常用的發(fā)動(dòng)機(jī)散熱系統(tǒng)，系統(tǒng)利用水泵帶動(dòng)冷卻介質(zhì)實(shí)現(xiàn)兩次熱量交換，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)熱量最終與空氣之間的熱量交換，實(shí)現(xiàn)散熱，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。冷卻系統(tǒng)單個(gè)零部件的性能對(duì)系統(tǒng)影響較大，而相互之間的協(xié)調(diào)匹配直接決定了單個(gè)部件的性能能否有效發(fā)揮[1]。因此對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行研究具有重要意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一定研究：文獻(xiàn)[2]采用風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)冷卻風(fēng)扇和散熱器之間的最佳匹配工作點(diǎn)進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[3]通過改變冷卻風(fēng)扇導(dǎo)風(fēng)罩的設(shè)計(jì)，以冷卻風(fēng)量作為指標(biāo)，獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[4]采用軟件仿真的方法分析葉片傾斜角度對(duì)整個(gè)冷卻系統(tǒng)性能的影響規(guī)律；文獻(xiàn)[5]基于風(fēng)洞試驗(yàn)分析不同散熱器芯的傳熱特性。

針對(duì)強(qiáng)制循環(huán)水冷系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行分析，分析冷卻系統(tǒng)各部件熱物理特性和性能參數(shù)，基于AMESim建立整個(gè)系統(tǒng)的熱管理仿真計(jì)算模型；對(duì)比兩種常用工況下的冷卻介質(zhì)溫度變化，獲得水冷散熱器和中冷散熱器進(jìn)出口溫度的變化規(guī)律；搭建發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)熱管理模型的分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證；基于熱管理模型，對(duì)格柵迎風(fēng)面積、散熱器迎風(fēng)面積、散熱器排數(shù)、水泵傳動(dòng)比等影響冷卻性能的多個(gè)因素進(jìn)行分析，獲得冷卻系統(tǒng)各部件參數(shù)變化情況對(duì)冷卻系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。

2 冷卻系統(tǒng)布置

在冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，通常采用雙循環(huán)下的一泵兩路冷卻水循環(huán)系統(tǒng)[6]，即只使用發(fā)動(dòng)機(jī)附帶的一個(gè)冷卻水泵完成兩個(gè)循環(huán)水路的水循環(huán)過程。該系統(tǒng)示意圖，如圖1所示。

圖1 冷卻系統(tǒng)一泵兩路示意圖Fig.1 Schematic Diagram of a Two-Way Cooling System

3 冷卻系統(tǒng)的熱管理模型

3.1 系統(tǒng)模型

對(duì)系統(tǒng)主要部件進(jìn)行分析，基于AMESim建立發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)模型。發(fā)動(dòng)機(jī)、水泵作為核心部件可以直接輸入特性曲線和相關(guān)參數(shù)[7]。下面對(duì)其他部件進(jìn)行分析。

3.1.1 風(fēng)扇模型

風(fēng)扇的外形參數(shù)按照實(shí)際車輛設(shè)計(jì)，具體參數(shù)：直徑760mm，葉片寬度105mm，葉片數(shù)7，厚度87mm。因?yàn)椴捎冒l(fā)動(dòng)機(jī)曲軸直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，所以轉(zhuǎn)速傳輸比為1：1。風(fēng)扇三種轉(zhuǎn)速下的靜壓特性表，如表1所示。整合風(fēng)扇的靜壓流量參數(shù)將其輸入到AMEsim軟件內(nèi)置的參數(shù)模型中。

表1 風(fēng)扇的靜壓流量特性曲線Tab.1 Static Pressure Flow Characteristics of the Fan

3.1.2 水冷散熱器模型

水冷散熱器的基本參數(shù)設(shè)定：外形尺寸分別為高度780mm，寬度760mm，厚度120mm。水冷散熱器的總散熱面積為76m2，散熱器芯管的規(guī)格為（2.5×14）mm，分4排布置，每排厚28mm，散熱器整體最大水流量為88L/min。水冷散熱器的風(fēng)阻曲線，如圖2所示。

圖2 水冷散熱器風(fēng)阻曲線Fig.2 Wind-Cooled Radiator Wind Resistance Curve

3.1.3 中冷器模型

中冷散熱器的基本參數(shù)設(shè)定：外形尺寸分別為高度560mm，寬度720mm，厚度90mm，散熱面積為22m2，芯管規(guī)格為（6×65）mm；單排布置，總體厚度為90mm，最大空氣流量為230L/min。中冷散熱器風(fēng)阻曲線，如圖3所示。

圖3 中冷散熱器風(fēng)阻曲線Fig.3 Cold Radiator Wind Resistance Curve

3.1.4 冷卻系統(tǒng)各部件模型布置

熱布置影響圖，如圖4所示。按照實(shí)際實(shí)驗(yàn)尺寸，將中冷散熱器布置在水冷散熱器的前方偏上部，位置坐標(biāo)為（X，Y，Z=0，180，240），水冷散熱器的坐標(biāo)為（X，Y，Z=95，0，0），冷卻風(fēng)扇的坐標(biāo)（X，Y，Z=350，120，160）。

圖4 冷卻系統(tǒng)模型圖Fig.4 Cooling System Model Diagram

3.2 計(jì)算分析

分別設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)如表2所示。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)Tab.2 Engine Operating Parameter

3.2.1 工況一

在20℃的環(huán)境溫度下，以三檔控制下的25km/h的速度下在無坡度的路面上行駛，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持在最高轉(zhuǎn)速2100rpm。散熱器進(jìn)出口水管溫度變化，如圖5（a）所示。中冷散熱器進(jìn)出口空氣溫度變化，如圖5（b）所示。

圖5發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2100r/min進(jìn)出口溫度圖Fig.5 Engine Speed 2100r/min Inlet and Outlet Temperature

圖5 （a）可以看到，在發(fā)動(dòng)機(jī)水溫較低的時(shí)候節(jié)溫器關(guān)閉，冷卻液執(zhí)行小循環(huán)，不流過散熱器就直接流回發(fā)動(dòng)機(jī)；當(dāng)冷卻液升高到80℃時(shí)，節(jié)溫器開啟，冷卻液流道變?yōu)榇笱h(huán)，通過散熱器進(jìn)行散熱。80s之前系統(tǒng)溫度較低且保持不變，（80～120）s系統(tǒng)溫度出現(xiàn)波動(dòng)，入口溫度最高達(dá)到90℃，之后系統(tǒng)達(dá)到熱平衡狀態(tài)，散熱器入口溫度維持在84.9℃左右，出口溫度維持在78.3℃左右，溫差為6.6℃。

圖5（b）可以看到，中冷散熱器與前者不同，開始即出現(xiàn)增加，（20～40）s出現(xiàn)波動(dòng)，40s后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，入口溫度168.1℃，出口為60.2℃，溫差為107.9℃。

3.2.2 工況二

在20℃的環(huán)境溫度下，車輛以二檔控制下的15km/h的速度下在無坡度的路面上行駛，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)速1500rpm，散熱器的進(jìn)出口水管溫度變化，如圖6（a）所示。中冷散熱器的進(jìn)出口空氣溫度變化，如圖6（b）所示。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1500rpm進(jìn)出口溫度圖Fig.6 Engine Speed 1500rpm Inlet and Outlet Temperature

由圖6（a）可知，與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2100r/min時(shí)相類似，由于節(jié)溫器的作用，溫度先保持不變，之后快速增加出現(xiàn)波動(dòng)，最后保持穩(wěn)定不變。穩(wěn)定后，散熱器入口溫度88.6℃左右，出口80.4℃左右，溫差在8.2℃上下。

由圖6（b）可知，與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2100r/min時(shí)相類似，在40s之后，中冷散熱器入口溫度穩(wěn)定在154.1℃左右，出口溫度穩(wěn)定在52.2℃左右，溫差在101.9℃上下。

兩種工況熱平衡時(shí)各處溫度分布，如表3所示。

表3 熱平衡狀態(tài)溫度分布Tab.3 Thermal Equilibrium State Temperature Distribution

表中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1500r/min時(shí)，及發(fā)動(dòng)機(jī)在最大轉(zhuǎn)矩狀態(tài)時(shí)散熱器的進(jìn)出水溫要明顯高于發(fā)動(dòng)機(jī)在最大轉(zhuǎn)速下的冷卻水溫。在較低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，雖然需要的散熱功率不是最大，但整個(gè)系統(tǒng)的冷卻能力也比較低，因?yàn)槔鋮s系統(tǒng)中的冷卻水泵和冷卻風(fēng)扇都是由發(fā)動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)的，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低導(dǎo)致風(fēng)扇和水泵的功率也低。

4 冷卻系統(tǒng)模型驗(yàn)證與分析

4.1 冷卻系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)圖，如圖7所示。利用以上試驗(yàn)設(shè)備搭建發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)平臺(tái)[9]。

圖7 冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)Fig.7 Cooling System Test Bench

4.2 試驗(yàn)與模擬對(duì)比

4.2.1 高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩工況

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行模擬運(yùn)行試驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為1900rpm輸出功率為22.3kW工況條件下工作時(shí)，其水冷和中冷介質(zhì)的溫度變化曲線，如圖8所示。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)冷介質(zhì)溫度變化Fig.8 Engine Cooling Medium Temperature Change

由圖可知，系統(tǒng)需要較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到熱平衡。其時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于計(jì)算機(jī)仿真的時(shí)間，而且散熱器進(jìn)出口的溫度從初始就有變化的，這說明發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)溫器即使在未達(dá)到開啟溫度時(shí)也會(huì)有一定的開度，有一定量的冷卻液是經(jīng)過散熱器大循環(huán)流回發(fā)動(dòng)機(jī)回水通道的，因此試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)的熱機(jī)過程較慢，節(jié)溫器設(shè)置有待改進(jìn)。

4.2.2 低轉(zhuǎn)速中轉(zhuǎn)矩工況

冷卻系統(tǒng)達(dá)到熱平衡后，隨著軸流風(fēng)扇的開啟，冷卻液的溫度開始下降。軸流風(fēng)扇的風(fēng)速越高，熱平衡溫度越低。相同參數(shù)設(shè)置下，利用發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理模型進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比結(jié)果的擬合曲線，如圖9所示。圖中可以看出，試驗(yàn)條件下的冷卻液進(jìn)出散熱器溫度與仿真計(jì)算的結(jié)果非常接近，說明仿真結(jié)果具有很高的可信性。關(guān)閉軸流風(fēng)扇，當(dāng)冷卻系統(tǒng)恢復(fù)熱平衡后，逐步縮小散熱器的正面迎風(fēng)面積，此時(shí)冷卻液的溫度開始上升。散熱器的迎風(fēng)面積越小，熱平衡溫度越高。散熱器進(jìn)出口溫度隨迎風(fēng)面積的變化值，如表4所示。

圖9 冷卻液溫度隨風(fēng)速變化Fig.9 Coolant Temperature Change with Wind Speed

表4 出口溫度受迎風(fēng)面積影響變化Tab.4 The Outlet Tem perature is Affected by the Windward Area

利用仿真模型進(jìn)行分析，對(duì)比結(jié)果的擬合曲線，如圖10所示。

圖10 溫度隨散熱器迎風(fēng)面積變化Fig.10 Temperature Change with the Windward Area of the Radiator

由圖可知，模型仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)分析結(jié)果基本一致，基于臺(tái)架試驗(yàn)工況驗(yàn)證過的仿真模型的計(jì)算具有很高的準(zhǔn)確性。

4.3 影響因素分析

4.3.1 格柵面積影響

利用冷卻系統(tǒng)熱管理模型對(duì)表5種的四種方案進(jìn)行分析，穩(wěn)定時(shí)溫度，如表5所示。

表5 格柵面積對(duì)冷卻性能影響Tab.5 Effect of Grid Area on Cooling Performance

擬合不同格柵面積下，得到格柵面積對(duì)冷卻性能影響曲線，如圖11所示。

圖11 格柵面積對(duì)冷卻性能影響Fig.11 Effect of Grid Area on Cooling Performance

由圖可知，格柵面積對(duì)冷卻系統(tǒng)性能的影響十分有限，進(jìn)出口溫度基本不隨格柵面積的增大而發(fā)生變化，基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2.2 迎風(fēng)面積影響

對(duì)進(jìn)氣散熱器迎風(fēng)面積不同尺寸分別建模計(jì)算，穩(wěn)定時(shí)口溫度分布，如表6所示。

表6 散熱器迎風(fēng)面積影響Tab.6 Influence of the Windward Area of the Radiator

擬合不同散熱器迎風(fēng)面積下散熱器進(jìn)出口的溫度變化特點(diǎn)，得到散熱器迎風(fēng)面積對(duì)冷卻性能的影響曲線，如圖12所示。

圖12 散熱器迎風(fēng)面積對(duì)冷卻性能影響Fig.12 Effect of Windward Area on Cooling Performance

由圖可知，當(dāng)散熱面積增加時(shí)，散熱器進(jìn)出口溫度下降明顯，同時(shí)，散熱器進(jìn)出口的溫差也明顯增加，表明散熱器的散熱能力增加。

4.2.3 散熱器排數(shù)影響

在保持散熱面積不變的情況下，分別對(duì)排數(shù)從（4～9）的散熱器的冷卻特性進(jìn)行分析，散熱器進(jìn)出口水溫變化情況，如表7所示。結(jié)果表明，隨著散熱器排數(shù)的增加，進(jìn)出散熱器的溫度快速下降，溫差也不斷上升，這是由于散熱器中排數(shù)的布置對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)性影響強(qiáng)烈所造成的。隨著排數(shù)的增加流體的流動(dòng)性增強(qiáng)，對(duì)流換熱加強(qiáng)。但是另一方面排數(shù)的增加會(huì)受到散熱器總體尺寸的限制，并且超過一定值后會(huì)使散熱器冷卻過剩，同時(shí)也會(huì)造成冷卻空氣風(fēng)阻過大，使散熱器與冷卻風(fēng)扇的匹配發(fā)生問題，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性有負(fù)面影響。

表7 散熱器排數(shù)的影響Tab.7 Effect of the Number of Radiator

4.2.4 水泵傳動(dòng)比影響

設(shè)置不同傳動(dòng)比，如表8所示。獲得不同方案穩(wěn)定時(shí)，進(jìn)出口的溫度變化特點(diǎn)?？芍S著水泵傳動(dòng)比的增加，水泵的轉(zhuǎn)速增大，此時(shí)系統(tǒng)中冷卻液的流量增加，散熱器能夠進(jìn)行更為高效的熱量交換，從而有效的提升散熱器的散熱能力，降低散熱器進(jìn)出口的溫度。

表8 水泵傳動(dòng)比的影響Tab.8 Influence of Pump Transm ission Ratio

5 結(jié)論

（1）通過分析發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)各部件熱物理特性和性能參數(shù)，基于AMESim建立整個(gè)系統(tǒng)的熱管理仿真計(jì)算模型；對(duì)比兩種工況下的冷卻介質(zhì)溫度變化可知，在低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)水冷冷卻系統(tǒng)的冷卻能力要求更高，而在高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩條件下對(duì)中冷系統(tǒng)的冷卻能力要求更高；（2）搭建發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)可知，兩組數(shù)據(jù)差別很小，誤差在6%以內(nèi)，說明計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)具有很高的可行性；（3）對(duì)影響冷卻性能的格柵迎風(fēng)面積、散熱器迎風(fēng)面積、散熱器排數(shù)、水泵傳動(dòng)比等多個(gè)因素進(jìn)行分析可知，發(fā)動(dòng)機(jī)所配冷卻系統(tǒng)部件中散熱器的尺寸、位置等因素對(duì)系統(tǒng)的性能影響巨大，而格柵面積影響卻很小，而水泵轉(zhuǎn)動(dòng)比也起著比較關(guān)鍵的作用。