文章來(lái)源：中國(guó)第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開(kāi)發(fā)分公司

隨著各類一維和三維商用仿真軟件的推陳出新，整車熱管理開(kāi)發(fā)越來(lái)越倚重于運(yùn)用各類軟件來(lái)驗(yàn)證方案，以期達(dá)到更佳效果的同時(shí)減少開(kāi)發(fā)周期和成本，學(xué)者們?cè)诖朔矫孀隽舜罅康难芯亢蛯?shí)踐。文章采用CFD仿真結(jié)合整車環(huán)境模擬倉(cāng)試驗(yàn)的方法，驗(yàn)證了一系列優(yōu)化方案對(duì)整車熱管理性能的貢獻(xiàn)，選擇了最優(yōu)的方案組合進(jìn)行應(yīng)用，幫助車型通過(guò)熱平衡考核，對(duì)其他車型的開(kāi)發(fā)也有很好的借鑒意義。

1現(xiàn)狀分析

在某新車型項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中，出現(xiàn)了整車熱平衡考核無(wú)法通過(guò)，冷卻性能嚴(yán)重不足的情況。主要表現(xiàn)為：爬坡工況和高速工況水溫快速超過(guò)118℃的報(bào)警限值，儀表報(bào)警，整車空調(diào)停止工作進(jìn)入熱保護(hù)狀態(tài)；在連續(xù)爬坡工況中，還出現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴，功率和扭矩逐漸下降的現(xiàn)象。
通過(guò)采集發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、進(jìn)氣溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元控制數(shù)據(jù)等參數(shù)并分析后，將問(wèn)題歸結(jié)為3方面：1）散熱系統(tǒng)性能不足，導(dǎo)致水溫超標(biāo)；2）停機(jī)后無(wú)法有效降低缸體和增壓器溫度；3）中冷器性能不足，導(dǎo)致連續(xù)爬坡工況下發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度超標(biāo)，爆振增加，功率和扭矩丟失。

2方案制定

2.1優(yōu)化格柵
增大車輛上、下格柵開(kāi)口面積可以有效增加機(jī)艙進(jìn)風(fēng)量，但過(guò)大的開(kāi)口會(huì)影響整車視覺(jué)美觀性，對(duì)異物的阻擋效果也會(huì)降低，導(dǎo)致散熱器過(guò)早的損壞；機(jī)艙進(jìn)風(fēng)量的增加意味著整車風(fēng)阻的增大，這也會(huì)對(duì)整車油耗產(chǎn)生不利影響。因此，選擇合適的格柵開(kāi)口面積非常重要。
根據(jù)格柵造型、格柵與冷卻模塊的位置關(guān)系，制定了格柵開(kāi)口增大方案，如圖1所示。對(duì)方案進(jìn)行了仿真分析，分析結(jié)果，如表1所示。


從表1可以看出，新方案相比于原方案，散熱器進(jìn)風(fēng)量在低速工況下可增加2.99%，高速工況下可增加6.31%，但中冷器進(jìn)風(fēng)量在低速工況下無(wú)變化，高速工況下有所下降；對(duì)比上、下格柵的進(jìn)風(fēng)量變化（分別增加21.75%和31.84%），發(fā)現(xiàn)風(fēng)量利用率有所下降。進(jìn)一步分析流場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，由于機(jī)艙在中冷器下方和散熱器兩側(cè)均存在間隙，導(dǎo)致進(jìn)入格柵的風(fēng)量利用率不高，如圖2所示。綜上，決定采用新方案格柵，同時(shí)修改導(dǎo)風(fēng)板方案以優(yōu)化前端模塊密封。


2.2優(yōu)化導(dǎo)風(fēng)板
根據(jù)流場(chǎng)仿真結(jié)果，決定在導(dǎo)風(fēng)板周邊與保險(xiǎn)杠的接觸位置增加海綿條以優(yōu)化密封效果，如圖3所示。

鑒于中冷器下方風(fēng)量泄漏較嚴(yán)重，制定了增加下部密封的一體式導(dǎo)風(fēng)板方案，如圖4所示。CFD仿真風(fēng)量，如表2所示。



低速工況下，新方案相比原方案冷卻模塊進(jìn)氣量變化不大，其中，冷凝器、散熱器風(fēng)量均有微小增加，中冷器風(fēng)量不變。但新方案上、下格柵進(jìn)氣量均小于原方案，說(shuō)明格柵進(jìn)風(fēng)的利用率更高。高速工況下，新方案的冷凝器、散熱器風(fēng)量相比原方案均有所增加，但中冷器風(fēng)量減少。新方案上、下格柵的進(jìn)氣量均小于原方案，格柵進(jìn)風(fēng)的利用率顯著提高，有利于整車風(fēng)阻系數(shù)的減小。
導(dǎo)風(fēng)板增加下部密封流場(chǎng)仿真結(jié)果，如圖5 所示。從機(jī)艙流場(chǎng)來(lái)看，新添加的下導(dǎo)風(fēng)板不能完全解決格柵進(jìn)風(fēng)泄露問(wèn)題，同時(shí)會(huì)使得下格柵進(jìn)風(fēng)量有所減小，這在高速工況下尤為明顯：在120 km/h 的工況下，雖然進(jìn)風(fēng)泄露有所減少，但下格柵的進(jìn)風(fēng)量減少的更為明顯，導(dǎo)致中冷器風(fēng)量反而有所減小。


綜上，增加下導(dǎo)風(fēng)板產(chǎn)生的收益并不能抵消其產(chǎn)生的不良影響，因此決定僅采用增加海綿條密封方案，不采用增加下部封堵方案。
2.3提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速
提高整車?yán)鋮s能力的最直接手段就是增加冷卻模塊的散熱量，而增大散熱器的迎風(fēng)面積是最有效的手段。但受限于整車造型，前端框架存在最大邊界，散熱器和中冷器難以增大迎風(fēng)面積，因此想要增強(qiáng)冷卻模塊的散熱能力，提高風(fēng)扇風(fēng)量也是比較好的選擇。綜合考慮風(fēng)扇性能和噪音，將風(fēng)扇轉(zhuǎn)速由當(dāng)前的2500r/min提升至2600r/min左右，并進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)。在試驗(yàn)中通過(guò)外接電源的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，通過(guò)提升電流來(lái)提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)結(jié)果，如圖6所示。


從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)冷卻性能的提升效果明顯，同時(shí)主觀感受上風(fēng)扇噪音并未有明顯增加，因此決定采用此方案。
2.4優(yōu)化風(fēng)扇控制策略
發(fā)動(dòng)機(jī)水溫和進(jìn)氣溫度會(huì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，爆振增加的趨勢(shì)會(huì)促使發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元推遲點(diǎn)火提前角、增大噴油量等，因此，風(fēng)扇的提前介入會(huì)改善發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，有益于熱管理。原風(fēng)扇控制策略中風(fēng)扇高速檔開(kāi)啟較晚，無(wú)法有效抑制水溫上升速率，并且發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后風(fēng)扇延時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間較短，無(wú)法滿足增壓發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和增壓器高余熱的散熱要求。因此，分別制定了提前3℃和提前5℃開(kāi)啟風(fēng)扇高速擋的方案，并將風(fēng)扇停機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)從30s延長(zhǎng)至60s。采用以上方案進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。


從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，控制策略中對(duì)風(fēng)扇高速擋的開(kāi)啟水溫設(shè)定越低，對(duì)水溫上升速率的抑制效果越好，對(duì)整車熱管理性能的貢獻(xiàn)越大。因此最終決定采用100℃開(kāi)啟風(fēng)扇高速擋的方案。

3整車試驗(yàn)驗(yàn)證

基于以上方案驗(yàn)證結(jié)果，決定選用增大格柵進(jìn)風(fēng)面積、導(dǎo)風(fēng)板增加海綿條改善密封、提高電動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速并延長(zhǎng)停機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間和優(yōu)化電動(dòng)風(fēng)扇控制策略4個(gè)方案進(jìn)行綜合應(yīng)用。應(yīng)用后的整車熱平衡試驗(yàn)結(jié)果，如表3所示。所有熱平衡工況均滿足要求，試驗(yàn)通過(guò)。


4結(jié)論

提高整車熱管理的方式有很多，但應(yīng)用在不同車型上的效果會(huì)產(chǎn)生很大差異，有些方案甚至?xí)?duì)整體產(chǎn)生不利影響，如文章所提到的增加下部密封方案。因此，方案的確定必須基于整車具體情況，進(jìn)行詳細(xì)分析后確定，CFD流場(chǎng)仿真可以提供很好的借鑒，并且縮短試驗(yàn)周期，節(jié)約費(fèi)用。