整车冷却系统的设计与匹配研究
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１ 概 述
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某公 司车型 的发 动机 出水 温度普遍偏低 （ 相 比 竞争 车 型 ） ， 且 目前 的冷却 系匹配 计算不 完善 、 发动 ／ ＝ ： 一一 ｌ 一 机 台架 冷却 系试验 对冷却 系 的热平衡 关注较 少 。 ＾ ★ ＼ 一 ／ ０ 本文首先 指 出目前冷 却系 匹配 计算 中存在 的主要问 ：ｊ 题 ，接 着对 发动机 台架冷却 系热平衡试验 的一 致性 进行分 析 ， 然后 根据冷却 系试 验开发工作 ， 确定 冷却 系计算 的内容和流程 ， 最后利用 ｆ ｌ ｏ ｗ ｍ ａ ｓ ｔ ｅ ｒ 软件 对冷 图 ２ 台架冷却试 验 图 １台 架冷 却 试 验 却 系建模 ，分析进 风量 、格栅 开 口率对冷却 系 的影 散 热 器进 出水 温 差 发动机全 负荷功率及散热量 响。 ２冷 却 系 计算 主 要 计 算 问题 解 析 冷却 系计算工况 ：目前计算 采用发动 机的最大 功率点 和最大扭矩点 工况 。而 整车冷却 系试 验 的工 况， 包括 山路爬 坡 、 高速爬坡 以及高速工况 。冷却系 日 计算应与试验工况一致 。 散热器 前风速 ： 额定功 率点 的散热器 前风速 ， 计 』 ＼ 、 哦 帆 算采用 的风 速过大 。参照风洞试验 结果 ， １ ４ ０ ｋ ｍ ／ ｈ风 ｆ ——］ ／ 扇 全 开 、百 叶 窗 打 开 时 散 热 器 前 的平 均 风 速 仅 ５． ７ ５ｒ ｒ ｄ ｓ 图 ３台 架布 置 示意 图 图４ ｆ ｌ ｏ ｗ ｍａ ｓ ｔ ｅ ｒ 模 型 图 未体现 发动机 出水 温度 的计算 结果 ；从上述 分 定行驶工况。 析看 出 ， 目前的冷却 系匹配计算需要 改进 ， 以满 足整车冷却 系 的计 ｄ ． 根据发动机散热量万有特性图确定计算工况下的散热量。 算需求 。 ｅ． 散热器 、 风扇的匹配及 目标水温的确定 。 ３ 整车与台架冷却系热平衡试 验对 比及台架改进建议 通 过散热量 和流经散热器 的流量 ，确定 散热器 进出 １ ： ３ 的温度 （ １ ）从整车采用 山路爬坡工况 和高速爬 坡工况 ， 与发动机 台架 差 ； 通过散热量和散热器前风量 ， 确定散热器前后冷却风温度差 ， 整 热平衡的相应工况点进行对 比。结果显 示 ， 整 车山路爬坡工况与发 车冷却系试验 中 ， 山路爬坡工况环境温度 ３ ８ ℃， 考虑冷却 风经过冷 动机台架对应的况的散热量结果基本相 同 ； 整 车高速爬坡工况 的散 凝器后 温度上升 ， 散热器前后冷却风温差 ， 得到散 热器后 的冷却 风 热量为 台架散热量 的 １ ． １ ４倍 。 温度 ；根 据散热器前 的冷却 风温度 ， 以及 液气温差 ， 确定发 动机 的 （ ２ ）从发动机 台架冷却系热平衡一致性分析 。 发动机 台架冷却 出水温度 ； 与整车试验结果对 比， 并需做散热器 的部件试验 ， 以确定 系统试验结果（ 发动机全 负荷 ） 见图 １ － ２ 。 真实的传热系数 。 从图 １ 看出， 发动 机 出水 温度 ８ ８ 。Ｃ、 １ １ ５ 。Ｃ时 ， 散 热量 曲线 ４冷却 系统建模 波动较 大 ； 图 ２可 以看 出， 进 出水 温差 波动很 大。 出水 温度 ８ ８ 。Ｃ 软件辅 助分析利用 软件 ｆ ｌ ｏ ｗ ｍ ａ ｓ ｔ ｅ ｒ 对 整车的冷却 系进行 建模 ， 时， 节温器 未全 开 ， 造成进 出水温差波动大 ； 出水 温度 １ １ ５ 。Ｃ时 ， 进 可在整车设计初期对 冷却 系的压力 、 流量 、 温度分布进行预估 ， 以及 出水 温差波动原 因为热平衡时间较短造成 。 对重要参数的敏感度进行分析 。建模结果见 图 ４ 。 主要问题及改善台架 目前的冷却系布置示意图见图 ３ 。发动机 参数敏感 度分析 ： 计算进 风量变化 、 格栅开 口率变化 对冷却 系 出水温度较高时 ，通过在散热器前额外 加风机对发动机进行冷却 ； 的影响 ， 随车速 的增加 ， 风速随开 口率的变化增大 。 排气管温度较高时 ， 在排 气侧 加开风机 。 ５ 结论 台架冷却 系试验 主要 问题 ： 目前 台架 使用 风机对散热 器 、 排气 本文指 出了 目前冷却系存在 的主要 问题 ， 并对 目前发动机 台架 降温 的同时 ， 也 带走缸体 、 缸盖 、 油底 壳部分热量 ， 造成 通过冷 却液 的冷却系热平衡试 验提 出改善建议 ；经实车的计算 与试 验结果对 的散 热量计算值 偏低 ； 台架热平 衡时 间较 短 ， 特 别是 出水 温度较 高 比， 编写 的冷却系计算流程 可在 动力总成参数确定后 ， 对 整车冷却 时， 发动机 的出水温度不容易控制 。 系的设 计起到一定的作用 ； 采用 Ｆ ｌ ｏ ｗ ｍ ａ ｓ ｔ ｅ ｒ 软件可 以在整车设计初 鉴 于以上问题 ， 对 台架冷却系试验 的改善建议如下 ： 期对冷却 系的设计起到预测的作用 ； 后期需通过奇瑞公 司其他车辆 ａ ． 通过水冷式热交 换器带走发 动机冷却液 热量 （ 最终通过 冷却 的试验结果进行冷却系计算的对标 ， 规 范冷却系计算过程。 水塔带走热量 ） ， 保证发 动机 的热 量都通过 热交换器 带走 。 测量 热交 参考文献 换器 的散热量 ， 即可得到发动机的散热量。 【 １ ］ 盛 明星．整 车冷却 系统优化 匹配 方法浅谈【 Ｊ 】 ． 柴油机设 计与制造 ｂ ． 适 当延长热平衡时间 ， 提高台架的一致性 。 ２ ０ ０ ６ ， ６ ： １ ０ —１ ７ ． 结合整车冷却 系试验工况 ， 提 出冷却系的匹配过程如下： 【 ２ ］ Ｐ广锋， 郭新 民， 孙运柱． 汽车冷却 系统水温对发 动机 性能的影响 ａ ． 明确市场 区域 ， 确定 环境温度 。 ［ Ｊ ］ ．山东内燃机， ２ ０ ０ ２ ， １ ： ２ ９ — ３ ３ ． ｂ ． 确定 目标水温。 ［ ３ ］ 郭春裕， 郭斌， 陈永 良．汽车冷却 水泵密封性 能试验 台的设计『 Ｊ ］ ． 中 ｃ 确 定冷却计算具体工况 ： 发动机功率与整车行驶 阻力 匹配 ， 确 国科 技 信 息 ， ２ ０ ０ ６ ． １ ５ ： ４ ７ — ４ ８冷却 系统 的设 计 与匹配研 究
陈 文敏
（ 奇瑞汽车股份有限公 司试验和整车技 术工程院节能环保性能 开发部 ， 安徽 芜湖 ２ ４ １ ０ ０ ６ ）
摘 要： 本 文首先提 出 目前冷却 系匹配计 算 中存在的主要 问题 ， 接 着对 比发动机 台架冷却 系热 平衡 试验 与整车冷却 系试验 结果 ， 提 出发动机 台架冷却 系要 求 ， 然后根 据冷却 系试验 开发 工作 内容 ， 确 定冷却 系计算的 内容和流程 ， 最后 用 ｆ ｌ ｏ ｗｍａ ｓ ｔ ｅ ｒ 软件对冷却 系建模 ， 对 整 车进风量 、 格栅开 口率对冷却 系的影响进行分析。 关键词 ： 整车 ； 发动机 ； 冷却 系； 冷却 系试验 ； 冷却 系计算 ； 模拟仿真
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某公 司车型 的发 动机 出水 温度普遍偏低 （ 相 比 竞争 车 型 ） ， 且 目前 的冷却 系匹配 计算不 完善 、 发动 ／ ＝ ： 一一 ｌ 一 机 台架 冷却 系试验 对冷却 系 的热平衡 关注较 少 。 ＾ ★ ＼ 一 ／ ０ 本文首先 指 出目前冷 却系 匹配 计算 中存在 的主要问 ：ｊ 题 ，接 着对 发动机 台架冷却 系热平衡试验 的一 致性 进行分 析 ， 然后 根据冷却 系试 验开发工作 ， 确定 冷却 系计算 的内容和流程 ， 最后利用 ｆ ｌ ｏ ｗ ｍ ａ ｓ ｔ ｅ ｒ 软件 对冷 图 ２ 台架冷却试 验 图 １台 架冷 却 试 验 却 系建模 ，分析进 风量 、格栅 开 口率对冷却 系 的影 散 热 器进 出水 温 差 发动机全 负荷功率及散热量 响。 ２冷 却 系 计算 主 要 计 算 问题 解 析 冷却 系计算工况 ：目前计算 采用发动 机的最大 功率点 和最大扭矩点 工况 。而 整车冷却 系试 验 的工 况， 包括 山路爬 坡 、 高速爬坡 以及高速工况 。冷却系 日 计算应与试验工况一致 。 散热器 前风速 ： 额定功 率点 的散热器 前风速 ， 计 』 ＼ 、 哦 帆 算采用 的风 速过大 。参照风洞试验 结果 ， １ ４ ０ ｋ ｍ ／ ｈ风 ｆ ——］ ／ 扇 全 开 、百 叶 窗 打 开 时 散 热 器 前 的平 均 风 速 仅 ５． ７ ５ｒ ｒ ｄ ｓ 图 ３台 架布 置 示意 图 图４ ｆ ｌ ｏ ｗ ｍａ ｓ ｔ ｅ ｒ 模 型 图 未体现 发动机 出水 温度 的计算 结果 ；从上述 分 定行驶工况。 析看 出 ， 目前的冷却 系匹配计算需要 改进 ， 以满 足整车冷却 系 的计 ｄ ． 根据发动机散热量万有特性图确定计算工况下的散热量。 算需求 。 ｅ． 散热器 、 风扇的匹配及 目标水温的确定 。 ３ 整车与台架冷却系热平衡试 验对 比及台架改进建议 通 过散热量 和流经散热器 的流量 ，确定 散热器 进出 １ ： ３ 的温度 （ １ ）从整车采用 山路爬坡工况 和高速爬 坡工况 ， 与发动机 台架 差 ； 通过散热量和散热器前风量 ， 确定散热器前后冷却风温度差 ， 整 热平衡的相应工况点进行对 比。结果显 示 ， 整 车山路爬坡工况与发 车冷却系试验 中 ， 山路爬坡工况环境温度 ３ ８ ℃， 考虑冷却 风经过冷 动机台架对应的况的散热量结果基本相 同 ； 整 车高速爬坡工况 的散 凝器后 温度上升 ， 散热器前后冷却风温差 ， 得到散 热器后 的冷却 风 热量为 台架散热量 的 １ ． １ ４倍 。 温度 ；根 据散热器前 的冷却 风温度 ， 以及 液气温差 ， 确定发 动机 的 （ ２ ）从发动机 台架冷却系热平衡一致性分析 。 发动机 台架冷却 出水温度 ； 与整车试验结果对 比， 并需做散热器 的部件试验 ， 以确定 系统试验结果（ 发动机全 负荷 ） 见图 １ － ２ 。 真实的传热系数 。 从图 １ 看出， 发动 机 出水 温度 ８ ８ 。Ｃ、 １ １ ５ 。Ｃ时 ， 散 热量 曲线 ４冷却 系统建模 波动较 大 ； 图 ２可 以看 出， 进 出水 温差 波动很 大。 出水 温度 ８ ８ 。Ｃ 软件辅 助分析利用 软件 ｆ ｌ ｏ ｗ ｍ ａ ｓ ｔ ｅ ｒ 对 整车的冷却 系进行 建模 ， 时， 节温器 未全 开 ， 造成进 出水温差波动大 ； 出水 温度 １ １ ５ 。Ｃ时 ， 进 可在整车设计初期对 冷却 系的压力 、 流量 、 温度分布进行预估 ， 以及 出水 温差波动原 因为热平衡时间较短造成 。 对重要参数的敏感度进行分析 。建模结果见 图 ４ 。 主要问题及改善台架 目前的冷却系布置示意图见图 ３ 。发动机 参数敏感 度分析 ： 计算进 风量变化 、 格栅开 口率变化 对冷却 系 出水温度较高时 ，通过在散热器前额外 加风机对发动机进行冷却 ； 的影响 ， 随车速 的增加 ， 风速随开 口率的变化增大 。 排气管温度较高时 ， 在排 气侧 加开风机 。 ５ 结论 台架冷却 系试验 主要 问题 ： 目前 台架 使用 风机对散热 器 、 排气 本文指 出了 目前冷却系存在 的主要 问题 ， 并对 目前发动机 台架 降温 的同时 ， 也 带走缸体 、 缸盖 、 油底 壳部分热量 ， 造成 通过冷 却液 的冷却系热平衡试 验提 出改善建议 ；经实车的计算 与试 验结果对 的散 热量计算值 偏低 ； 台架热平 衡时 间较 短 ， 特 别是 出水 温度较 高 比， 编写 的冷却系计算流程 可在 动力总成参数确定后 ， 对 整车冷却 时， 发动机 的出水温度不容易控制 。 系的设 计起到一定的作用 ； 采用 Ｆ ｌ ｏ ｗ ｍ ａ ｓ ｔ ｅ ｒ 软件可 以在整车设计初 鉴 于以上问题 ， 对 台架冷却系试验 的改善建议如下 ： 期对冷却 系的设计起到预测的作用 ； 后期需通过奇瑞公 司其他车辆 ａ ． 通过水冷式热交 换器带走发 动机冷却液 热量 （ 最终通过 冷却 的试验结果进行冷却系计算的对标 ， 规 范冷却系计算过程。 水塔带走热量 ） ， 保证发 动机 的热 量都通过 热交换器 带走 。 测量 热交 参考文献 换器 的散热量 ， 即可得到发动机的散热量。 【 １ ］ 盛 明星．整 车冷却 系统优化 匹配 方法浅谈【 Ｊ 】 ． 柴油机设 计与制造 ｂ ． 适 当延长热平衡时间 ， 提高台架的一致性 。 ２ ０ ０ ６ ， ６ ： １ ０ —１ ７ ． 结合整车冷却 系试验工况 ， 提 出冷却系的匹配过程如下： 【 ２ ］ Ｐ广锋， 郭新 民， 孙运柱． 汽车冷却 系统水温对发 动机 性能的影响 ａ ． 明确市场 区域 ， 确定 环境温度 。 ［ Ｊ ］ ．山东内燃机， ２ ０ ０ ２ ， １ ： ２ ９ — ３ ３ ． ｂ ． 确定 目标水温。 ［ ３ ］ 郭春裕， 郭斌， 陈永 良．汽车冷却 水泵密封性 能试验 台的设计『 Ｊ ］ ． 中 ｃ 确 定冷却计算具体工况 ： 发动机功率与整车行驶 阻力 匹配 ， 确 国科 技 信 息 ， ２ ０ ０ ６ ． １ ５ ： ４ ７ — ４ ８冷却 系统 的设 计 与匹配研 究
陈 文敏
（ 奇瑞汽车股份有限公 司试验和整车技 术工程院节能环保性能 开发部 ， 安徽 芜湖 ２ ４ １ ０ ０ ６ ）
摘 要： 本 文首先提 出 目前冷却 系匹配计 算 中存在的主要 问题 ， 接 着对 比发动机 台架冷却 系热 平衡 试验 与整车冷却 系试验 结果 ， 提 出发动机 台架冷却 系要 求 ， 然后根 据冷却 系试验 开发 工作 内容 ， 确 定冷却 系计算的 内容和流程 ， 最后 用 ｆ ｌ ｏ ｗｍａ ｓ ｔ ｅ ｒ 软件对冷却 系建模 ， 对 整 车进风量 、 格栅开 口率对冷却 系的影响进行分析。 关键词 ： 整车 ； 发动机 ； 冷却 系； 冷却 系试验 ； 冷却 系计算 ； 模拟仿真
