杨栋
安徽江淮汽车集团股份有限公司 安徽合肥 230601
摘要：汽车动力系统可靠性的好坏，与发动机冷却系统的好坏有着直接的关系，好的冷却系统可以把发动机和传动装置受热件所传导出来的热及时散发到周围环境中去，使发动机和传动装置获得可靠和有效工作的热状态，既不过热，也不过冷，既有良好的动力性和经济性，又有良好的工作可靠性。
关键词：整车冷却系统的设计与匹配
前言：好的冷却系统应该达到要求是：能够满足发动机在各种工况下的正常运行，维持发动机冷却水温度在最佳的区间内i在达到冷却效果的前提下，要求冷却系统消耗功率小，并能在发动机启动后较短的时间内达到正常的工作温度。
一、 概述
热平衡技术的研究面很广，特别是发动机舱内各零部件布置位置及其结构形状对整车热平衡表现都有影响，涉及到多个学科，因此要系统的研究机舱内流场变化就显得非常困难。在最初机舱散热管理研究中，大多是对零部件子系统做局部的仿真分析，直到20世纪90年代末，才形成了较完整的机舱热管理研究体系。随着车辆的排放限值不断提高，对整车燃油经济性的要求越来越高，发动机舱内留给冷却系统的空间逐渐压缩，使得机舱热管理变得更有挑战性。既要降低内流场阻力，又要达到预期的冷却效果，就必须使通过散热器表面的空气尽可能均匀的分布，这样才能最大程度的发挥冷却系统的性能。冷却系统可分为空气流通系统和冷却液循环系统，空气流通系统包括：进气格栅、空调冷凝器、中冷器、散热器、风扇护风罩、风扇总成等。冷却液循环系统包括：发动机气缸水套、水泵、节温器、散热器、散热管路、除气管、膨胀水箱等。两系统在散热中冷总成处热量交换，实现对发动机冷却的功能。冷却系统的设计，分为空气流通系统设计和冷却液循环系统设计。整体设计的关键点是提高卒气流通系统的效率。
二、整车冷却系统的设计与匹配
1.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、发动机台架冷却系试验对冷却系的热平衡关注较少[1~3]。本文首先指出目前冷却系匹配计算中存在的主要问题，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flowmaster 软件对冷却系建模，分析进风量、格栅开口率对冷却系的影响。
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，计算采用的风速过大。参照风洞试验结果，140km/h 风扇全开、百叶窗打开时散热器前的平均风速仅5.75m/s。未体现发动机出水温度的计算结果；从上述分析看出，目前的冷却系匹配计算需要改进，以满足整车冷却系的计算需求。在原小电子扇外形的基础上，加大电子扇功率及流量，效果不明显，拆了边板，虽然空气流动好了些．但冷却效果不明显，水温仍高，这是由于进风口的面积太小及电子扇的外径和导风罩的结构不匹配导致的。说明了发动机仓的通风口的面积的设计，对冷却效果是有很大关系的。冷却系统需要从风扇处获得的空气流量值，取决于车辆行驶时冷却系统可以获得多少自然空气流量。大多数高速公路车辆，均为前置式冷却系统，能够获得足够的自然空气流，发动机工作时间的90％或更多的时间，均不需要风扇工作。由于水箱为前置式，要想办法充分利用迎面风。
3.整车与台架冷却系热平衡试验对比及台架改进建议。
（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热量为台架散热量的1.14 倍。（2）从发动机台架冷却系热平衡一致性分析。发动机台架冷却系统试验结果（发动机全负荷）。发动机出水温度88°C、115°C 时，散热量波动较大；进出水温差波动很大。出水温度88°C时，节温器未全开，造成进出水温差波动大；出水温度115°C 时，进出水温差波动原因为热平衡时间较短造成。主要问题及改善台架目前的冷却系布置，发动机出水温度较高时，通过在散热器前额外加风机对发动机进行冷却；排气管温度较高时，在排气侧加开风机。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时，发动机的出水温度不容易控制。鉴于以上问题，对台架冷却系试验的改善建议如下：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。测量热交换器的散热量，即可得到发动机的散热量。b.适当延长热平衡时间，提高台架的一致性。结合整车冷却系试验工况，提出冷却系的匹配过程如下:a.明确市场区域，确定环境温度。b.确定目标水温。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，确定行驶工况。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。e.散热器、风扇的匹配及目标水温的确定。通过散热量和流经散热器的流量，确定散热器进出口的温度差；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，整车冷却系试验中，山路爬坡工况环境温度38℃，考虑冷却风经过冷凝器后温度上升，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，以确定真实的传热系数。
4 冷却系统建模。软件辅助分析利用软件flowmaster 对整车的冷却系进行建模，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，以及对重要参数的敏感度进行分析。所匹配的电子扇、导风罩及前保险杠开的进风口，是基本满足整车冷却系统的要求的。整车在低速及一般路面行驶时水温正常，发动机仓的空气流动在车速小于100km／h是正常的。当车速达到100km／h时．发动机仓内的空气流动有涡流出现，因为当车速上到100km／h时，仍m现发动机仓的温度大于水箱出风121的温度，所以导致在120km／h时，水温还往上升的结果。这与气流速度越高、风阻越大的理论是相符的。发动机仓的通风效果还有待改进，特别是由于风扇出风口无空气导流道，高速时使冷却风无法排出，排气背压大。从整车的布置结构看，由于发动机后部离前隔板太近，且出风口处是直角转角，无通风导流的设计，所以导致冷却风无法从后部通畅的排Hj，容易形成排气背压。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的影响，随车速的增加，风速随开口率的变化增大。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，对整车冷却系的设计起到一定的作用；采用Flowmaster 软件可以在整车设计初期对冷却系的设计起到预测的作用；后期需通过其他车辆的试验结果进行冷却系计算的对标，规范冷却系计算过程。
结束语：
整车冷却系统的设计计算．应与计算机仿真和热态模拟试验相结合为方向，辅以必要的野外实车试验，只有这样，才能准确可靠地匹配好车辆的冷却系统。
参考文献：
[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2019,6:10-17.
[2]卢广锋,郭新民,孙运柱. 汽车冷却系统水温对发动机性能的影响[J]. 山东内燃机,2019,1:29-33.
[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].中国科技信息,2019,15:47-48.