基于CFD分析和试验的整车热管理性能研究

崔振伟

（中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司）

为了满足日益严苛的油耗和排放法规，也为了满足消费者对美观性的要求，工程师越来越倾向于将车辆外观设计的更加流线型，这就导致发动机舱可使用空间减少；而增压和缸内直喷等新技术的应用，使机舱内部件增多且产生更多的热量[1]；所以保证发动机舱达到热平衡是车型开发性能目标之一。随着各类一维和三维商用仿真软件的推陈出新，整车热管理开发越来越倚重于运用各类软件来验证方案，以期达到更佳效果的同时减少开发周期和成本，学者们在此方面做了大量的研究和实践[2-6]。文章采用CFD仿真结合整车环境模拟仓试验的方法，验证了一系列优化方案对整车热管理性能的贡献，选择了最优的方案组合进行应用，帮助车型通过热平衡考核，对其他车型的开发也有很好的借鉴意义。

1 现状分析

在某新车型项目开发中，出现了整车热平衡考核无法通过，冷却性能严重不足的情况。主要表现为：爬坡工况和高速工况水温快速超过118℃的报警限值，仪表报警，整车空调停止工作进入热保护状态；在连续爬坡工况中，还出现了发动机工作粗暴，功率和扭矩逐渐下降的现象。

通过采集发动机水温、进气温度、发动机控制单元控制数据等参数并分析后，将问题归结为3方面：1）散热系统性能不足，导致水温超标；2）停机后无法有效降低缸体和增压器温度；3）中冷器性能不足，导致连续爬坡工况下发动机进气温度超标，爆振增加，功率和扭矩丢失。

2 方案制定

2.1 优化格栅

增大车辆上、下格栅开口面积可以有效增加机舱进风量，但过大的开口会影响整车视觉美观性，对异物的阻挡效果也会降低，导致散热器过早的损坏；机舱进风量的增加意味着整车风阻的增大，这也会对整车油耗产生不利影响。因此，选择合适的格栅开口面积非常重要。

根据格栅造型、格栅与冷却模块的位置关系，制定了格栅开口增大方案，如图1所示。对方案进行了仿真分析，分析结果，如表1所示。

图1 格栅开口增大方案示意图

表1 格栅开口增大方案风量仿真结果

从表1可以看出，新方案相比于原方案，散热器进风量在低速工况下可增加2.99%，高速工况下可增加6.31%，但中冷器进风量在低速工况下无变化，高速工况下有所下降；对比上、下格栅的进风量变化（分别增加21.75%和31.84%），发现风量利用率有所下降。进一步分析流场发现，由于机舱在中冷器下方和散热器两侧均存在间隙，导致进入格栅的风量利用率不高，如图2所示。综上，决定采用新方案格栅，同时修改导风板方案以优化前端模块密封。

图2 格栅开口增大方案流场仿真结果

2.2 优化导风板

根据流场仿真结果，决定在导风板周边与保险杠的接触位置增加海绵条以优化密封效果，如图3所示。

鉴于中冷器下方风量泄漏较严重，制定了增加下部密封的一体式导风板方案，如图4所示。CFD仿真风量，如表2所示。

图3 导风板增加密封

图4 导风板增加下部密封

低速工况下，新方案相比原方案冷却模块进气量变化不大，其中，冷凝器、散热器风量均有微小增加，中冷器风量不变。但新方案上、下格栅进气量均小于原方案，说明格栅进风的利用率更高。高速工况下，新方案的冷凝器、散热器风量相比原方案均有所增加，但中冷器风量减少。新方案上、下格栅的进气量均小于原方案，格栅进风的利用率显著提高，有利于整车风阻系数的减小。

导风板增加下部密封流场仿真结果，如图5所示。从机舱流场来看，新添加的下导风板不能完全解决格栅进风泄露问题，同时会使得下格栅进风量有所减小，这在高速工况下尤为明显：在120 km/h的工况下，虽然进风泄露有所减少，但下格栅的进风量减少的更为明显，导致中冷器风量反而有所减小。

表2 导风板增加下部密封风量仿真结果

图5 导风板增加下部密封流场仿真结果

综上，增加下导风板产生的收益并不能抵消其产生的不良影响，因此决定仅采用增加海绵条密封方案，不采用增加下部封堵方案。

2.3 提高风扇转速

提高整车冷却能力的最直接手段就是增加冷却模块的散热量，而增大散热器的迎风面积是最有效的手段。但受限于整车造型，前端框架存在最大边界，散热器和中冷器难以增大迎风面积，因此想要增强冷却模块的散热能力，提高风扇风量也是比较好的选择。综合考虑风扇性能和噪音，将风扇转速由当前的2 500 r/min提升至2 600 r/min左右，并进行实车试验。在试验中通过外接电源的方式来驱动风扇，通过提升电流来提高风扇转速，试验结果，如图6所示。

图6 不同风扇转速试验结果对比

从试验结果可以看出，提高风扇转速对冷却性能的提升效果明显，同时主观感受上风扇噪音并未有明显增加，因此决定采用此方案。

2.4 优化风扇控制策略

发动机水温和进气温度会直接影响发动机工作状态，爆振增加的趋势会促使发动机控制单元推迟点火提前角、增大喷油量等，因此，风扇的提前介入会改善发动机运转状态，有益于热管理。原风扇控制策略中风扇高速档开启较晚，无法有效抑制水温上升速率，并且发动机停机后风扇延时运转时间较短，无法满足增压发动机缸体和增压器高余热的散热要求。因此，分别制定了提前3℃和提前5℃开启风扇高速挡的方案，并将风扇停机运转试验从30 s延长至60 s。采用以上方案进行实车试验验证，试验结果如图7所示。

图7 不同风扇控制策略试验结果对比

从试验结果可以看出，控制策略中对风扇高速挡的开启水温设定越低，对水温上升速率的抑制效果越好，对整车热管理性能的贡献越大。因此最终决定采用100℃开启风扇高速挡的方案。

3 整车试验验证

基于以上方案验证结果，决定选用增大格栅进风面积、导风板增加海绵条改善密封、提高电动风扇转速并延长停机运转时间和优化电动风扇控制策略4个方案进行综合应用。应用后的整车热平衡试验结果，如表3所示。所有热平衡工况均满足要求，试验通过。

表3 热平衡试验结果

4 结论

提高整车热管理的方式有很多，但应用在不同车型上的效果会产生很大差异，有些方案甚至会对整体产生不利影响，如文章所提到的增加下部密封方案。因此，方案的确定必须基于整车具体情况，进行详细分析后确定，CFD流场仿真可以提供很好的借鉴，并且缩短试验周期，节约费用。