某轿车冷却系统仿真

赵熙

摘 要：文章介绍了冷却系统在整车开发中的重要性，并使用一维模拟分析软件 Kuli对一轿车的冷却系统进行了模拟分析设计。建立了包含冷凝器、散热器、电动风扇和内部阻抗在内的系统仿真模型以及如何设置部件的性能参数。并对整车热平衡时的水温值进行模拟。模拟仿真的结果与实验结果相对比，仿真结果表明：发动机出水温度的模拟分析值与实车试验值的误差在 ±1℃以内。因此使用该模拟分析方法可方便的实现车辆冷却系统内各部件的匹配与优化，同时可以节省冷却系统匹配的实验费用，缩短开发周期。

关键词：冷却系统仿真热平衡；Kuli

1 前言

随着汽车环保法规的日益严格，降低排放和提高燃油经济性已经成为各汽车厂家的追求目标。整车的排放和油耗与车辆冷却系统有着密切的关系，因此整车冷却系统的地位显得越来越重要。

目前，大多数汽车整车厂对冷却系统设计所采用的方法是由整车厂选择不同性能散热器及风扇组装后进行实车热平衡试验，以验证冷却系统是否满足开发目标，这是一个需要多次试验与改进的过程。为解决以上问题，对汽车冷却系统进行模拟仿真分析，预测冷却系统各部件之间的相互匹配性能，缩减试验费用和开发周期已经成为汽车冷却系统开发中的一个重点。

Kuli 软件是由知名零部件供应商麦格纳开发的专门用于车辆热管理的设计和仿真分析软件，本文主要介绍了应用 Kuli软件设计整车冷却系统的过程和方法。本文建立包括冷凝器、散热器、电动风扇等在内的整车冷却系统仿真模型，通过本案例可快速实现车用冷却系统的匹配与优化，减少整车冷却系统的开发周期和费用。

2 整车冷却系统的建模

以某轿车冷却系统的设计过程为例，介绍如何使用 Kuli软件比较和确定冷却系统部件的设计参数。

2.1 整车冷却系统的模型

根据整车冷却系统的构成及在机舱内的布置情况，建立了冷凝器、散热器、电动风扇、内部压降和进出口压降（在 Kuli软件中为 CP模块）的仿真模型，如图 1所示。通常应该根据车室热负荷及空调吹出口温度要求值对冷凝器放热量进行计算，但是由于在行驶时其放热量变化较大，故在计算冷却性能时输入固定值。该模拟分析利用散热器模型替代冷凝器模型并在放热量中输入固定值。这些模型主要包括 3类信息：（1）零部件的尺寸和位置；（ 2）流体模型，主要包含内部流动流体和外部流动流体的压力损失特性；（3）散热器等热交换部件的放热特性。以下以散热器模型为例介绍整车冷却系统的建模方法。

2.2

散热器的模型

2.2.1

散热器的物理参数

散热器尺寸：宽： 549mm 高：395mm 厚： 12mm。散热器位置（左下角相对位置）： X： 365mm Y：-10mm Z：1251mm。散热器内冷却液流动方向：横流式（沿正 y轴流动）；散热器入口位置：右上；散热器芯体布局：标准；散热器管路：数量：61，排数：1。

2.2.2 散热器内部阻力特性

散热器内部流动阻力特性：复合，另外形式为非复合。冷却液介质：乙二醇；混合比例为 50% 。散热器内部阻力特性如图 2所示。

2.2.3 散热器外部阻力特性

空气湿度： 50%，参考温度： 20℃，参考压力：101.3 kPa。散热器外部流动阻力特性曲线如图 3所示。

2.2.4 散热器放热特性

散热器放热特性曲线如图 4所示。

3 定义流体回路

3.1 内部流动回路

Kuli 软件中的内部流动回路为散热器冷却液回路。其定义如图 5所示。

3.2 外部流动回路

Kuli 软件中的外部流动回路是指流经发动机冷却系统的冷却空气回路，它包括冷凝器、散热器、电动风扇、内部压降和进出口压降等模块。其定义如图 6所示。本文将格栅、冷凝器、散热器等部件的阻抗设定为 Bir。其中进口 Cp为 0.65，出口 Cp为 0。

4 仿真与分析

在 Kuli 软件中可以改变环境参数和零部件的参数，同时可以定义不同的车辆行驶工况，然后计算出不同工况下的发动机出水温度等参数的仿真结果，评价发动机冷却系统是否满足开发目标。

4.1

部件参数设计

4.1.1

电动风扇

模拟分析工况：如下表 1所示。

不同功率电动风扇的仿真结果如表 2所示。

4.2 实车试验验证

根据天津一汽整车热平衡试验标准进行试验。试验方法如下所述。

高速工况：环境温度： 38 ℃±1.0℃；环境相对湿度： 50%±5%；太阳辐射强度： 1000W/m2±25W/m2。爬坡工况：环境温度： 38℃±1.0℃；环境相对湿度： 50%±5%；太阳辐射强度：1000W/m2±25W/m2。

试验方法：高速工况：车辆以 120km/h时速、最高档位在平坦路行驶 30min。转毂加载

3.0%坡度，车辆以能维持 110km/h时速、最高档位在坡路行驶 6km。车辆在 2min内将车速降为 0km/h。车辆怠速 10min。爬坡工况：转毂加载 11%坡度，车辆以 3档 57km/h时速在坡路行驶 8.5km。车辆停机 10min。

数据采集系统在机油温度低于 75℃时开始记录数据。当机温度达到 75℃时，试验正式开始。试验结果对比如下表 4所示。

试验结果与仿真对比如下表 3所示：

从实车试验结果和仿真结果的对比看，本文所使用的仿真模型的计算误差在 ± 1℃内，说明本文所使用的仿真模型和模拟分析是可靠的。

5 结束语

本文建立了包含冷凝器、散热器、电动风扇、机舱内部流动阻力以及机舱进出口压降在内的整车冷却系统仿真模型，实现了冷却系统中散热器及电动风扇的快速匹配与优化仿真，其主要结论：通过搭建整车冷却系统的仿真模型，可快速有效的实现整车冷却系统各部件之间的匹配与优化。

同时需要指出的是，在整车冷却系统仿真模型中，子部件的模型是依赖于各子部件性能数据的基础上的，要获得更加准确的仿真结果，需要各子部件性能的仿真精度或试验数据的准确性。

发动机冷却系统的开发通常需要在环境仓中进行大量的试验，其试验费用昂贵，开发周期也长。应用 Kuli软件对车辆的冷却系统进行匹配分析，可以有效缩短开发周期，降低开发费用。

参考文献：

[1]吴建华汽车发动机原理北京机械工业出版社 2005.

[2]刘惟信汽车设计北京清华大学出版社 2001.

[3]陈家瑞汽车构造北京机械工业出版社 2004.

[4]张翔王佳杨建中蔡志标仿真技术在设计发动机冷却系统中的应用天津天津汽车 2008.

[5]班中杨爱军轻型车辆冷却系统仿真河南省汽车工程学会第七届科研学术研讨会论文集 2011.