某车型冷却系统优化设计 方明壮，蓝志宝，张帆，王伟摘 要：为了解决某车型开发过程中电子扇怠速长转问题，通过故障模型树和一维流体软件对问题原因进行了详细分析，发现暖风回路流阻过大是引起了电子扇的常转的原因最后制定了改制加长5cm感温元件的节温器优化方案，并在20台实车上进行验证，验证结果表明该车型怠速恢复正常，节温器感温元件部位温度从83℃上升到85℃，温度波动范围从8℃降为3℃，达到了预期的结果关键词：冷却系统;风扇常转;设计优化;CFD分析：TK414.2 ：A ：1671-7988（2019）23-69-04Optimization Design for a Vehicle Cooling SystemFang Mingzhuang， Lan Zhibao， Zhang Fan， Wang Wei（ SAIC-GM-Wuling Automobile Co.， Ltd， Guangxi Liuzhou 545007 ）Abstract： For some vehicle models have electronic fan long idle problem in the development process， through the fault model tree and one-dimensional fluid software to analyze the problem， after the analysis found that loop flow resistance is too large， so the electronic fan in a long-term working. Finally the restructuring method is thermal components increase 5 cm in the thermostat and validated on 20 vehicles. Verification results show that the vehicle electronic fan returned to normal， thermal components in thermostat temperature from 83C to 85C， the temperature fluctuation range from 8C reduced to 3C， achieve the desired results.Keywords： Cooling system; Electronic fan in a long-term working; Optimization design; CFD analysisCLC NO.： TK414.2 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2019）23-69-04引言随着节能减排法规越来越严，发动机趋向小型化发展，强化程度越来越高，发动机的散热条件越来越苛刻和恶劣;同时，基于节能的目的，水泵等附件驱动功耗要求尽可能的少。
这些都给传统的冷却系统匹配带来了严峻的挑战，为此，我们需要对传统的冷却系统设计进行优化，对整车散热系统进行更精确的匹配，以满足整车在各个工况下的运行要求以前，冷却系统的设计研究，主要通过在特定工况下（一般最大扭矩和最大功率）的简单的换热理论计算以及相关的经验和类似机型的对比试验，确定相关的冷却系统性能参数，如流量，扬程，节温器开启温度等该方法设计出来的冷却系统虽然能基本满足大部分工况的要求，但存在着成本高，耗时长，匹配精度差等缺点并存在特定工况下，因匹配不良产生水温高等现象近年来随着CFD计算的进步，借助于计算机强大的计算能力在设计阶段，通过在计算机中搭建虚拟冷却系统模型利用三维和一维的CFD联合仿真，模拟发动机运行的各个工况，综合考虑与整车的匹配已经能设计开发出优良的整车冷却系统同时，通过搭建现有车型的冷却系统模型，为现有车型的冷却系统故障解决和优化改进提供了一条很好的途徑下面就以某一款车型开发过程中怠速电子扇长转问题的解决过程，探讨计算机模拟技术在冷却系统设计优化中的应用1 某车型故障现象和初步原因分析根据试验工程师反馈，在怠速工况下，某车型水温较正常状态高出约5度以上，电子扇常转，非怠速工况，无该故障。
故障比例在10%左右经现场对故障车的确认，该车子在原地怠速时，水温一直维持在98，电子扇一直转动，检查大循环，大循环没有打开的迹象该车型节温器开启温度为83℃，95℃全开;电子扇的控制策略：低速扇93℃开，90℃关 ，高速扇高于96℃开，低于93℃关针对该故障现象，我们进行了故障逐一排查，如下图的故障模型分析树所示，我们首先对整车冷却系统零件状态进行确认，发现所有的零件均无安装质量问题;其次对系统故障因素进行排查，发现导致循环未打开，并不是漏水或者冷却系统进空气引起的接着对故障车关键零件（水温传感器、节温器）进行性能检测，也没发现问题;最后我们在节温器感温体部位进行了温度测试，发现顶部水温达到了85℃左右（达到了节温器开启的条件），并在感温元件迎风面和顶部发生了较大的温度波动（8℃），在排除温度传感器触壁的影响下，有可能是因为水流不足引起的图1 故障模型分析树经故障树分析怀疑该车型（下文称为A车型）冷却系统在怠速时流量（暖风回路）达不到节温器开启的流量要求为此，我们对比了同为一基础机型，同样的冷却系统回路设计（如图2所示），没有该故障的另一车型（下文称为B车型），发现该A车型暖风回路异常曲折（如图中红色圈中所示），存在着暖风回路的流动阻力过大，导致该回路在某些工况流量不足的潜在风险。
图2 某车型冷却系统示意图图3 两个车型冷却系统三维模型2 一维流体仿真分析2.1 一维流体模型为了验证初步分析结果，搭建A，B车型冷却系统的一维CFD模型，并对结果进行分析比较首先收集各个元件的流阻搭建好两个车型的flowmaster模型，分别分析在发动机转速800rpm，环境温度40℃的怠速工况下，这两个车型暖风回路的流量和压力分布分析结果如图4，图5所示图4 怠速时冷却系统流量分布图5 怠速时冷却系统压力分布2.2 分析及结果由上面的流量压力的分布图，可以看出，在怠速工况下：从压力分布上看，暖风回路（从发动机出水口到膨胀箱回水三通），A车型压降为2.4kPa（142.9-140.5），B车型压降为1.24kPa（142.02-140.78），故障车型（A车型）的流阻是B车型的近2倍其中因管路（除去暖风芯子的影响）产生的流阻，A车型为1.9kPa（2.4-0.5），B车型为0.59kPa（1.24-0.59），故障车型（A车型）更是达到了B车型的近3倍由此可判断，之所以产生两个车型怠速工况的流量差异，主要的原因是因为故障车暖风管路流阻过大所致从流量分布上看，暖风回路A车型的流量为1.5L/min，B车型为4.4L/min。
水泵总流量，A车型的流量为3.9L/min，B车型为6.1L/min因暖风回路流阻的增加和其他回路的长度增加，导致A车型的总流阻大于B车型所以产生了不同的流量分布结果在暖风回路流量减少的情况下，发动机排气回路和散热器排气回路的流量都有相应的增加由上面的分析可以看出，怠速工况下，导致A车型产生怠速电子扇长转的原因是因为暖风回路流阻过大，使流经节温器感温元件的流量不足，以致引起节温器没法打开3 冷却系统优化设计3.1 优化设计方案针对流量冲击不足产生的问题，我们拟对冷却系统进行以下的优化：1）优化暖风管路，降低该回路的流阻;2）优化水泵在怠速转速下的性能;3）优化节温器感温元件通过各方面的综合比较，因为水泵为借用件，重新开发的成本过高，而暖风相关管路受限于发动机舱的空间限制，很难进行有效的优化，所以在此选择最经济的改进方案，在不改变冷却系统的管路布置的前提下，优化节温器，将感溫元件后移5cm，增加来流冷却液对感温体的冲击，以改进节温器的响应效果3.2 优化方案建模及分析针对节温器感温元件后移5cm的方案进行节温器流场三维CFD建模和分析，应用一维CFD分析得到的流量压力结果，作为三位CFD分析的输入和边界，用三维CFD软件模拟节温器感温部位怠速时的流场情况。
图6 节温器感温部位怠速工况流动情况上图6为A车型新节温器怠速工况（节温器关闭时）流场速度和温度分布的情况可以看出，节温器未开启时，流动高速区主要分布在节温器进水口和水泵进水口的连线范围内从温度分布结果来看，感温元件壁面温度在来流方向的最高温度在85℃左右，底部的温度接近83℃（温度边界：入口温度85℃，壁温82℃）由CFD分析结果可知，在85℃的进水水温下，延长后的节温器感温体处于来流的覆盖范围内，同时感温体表面的温度波动范围减小（2℃）达到了预计的效果3.3 试验验证针对改进方案，分别在冷却系统回路上布置7个温度测量点，其中节温器感温体迎水面、背水面和顶端各布置3个测量点（如图7所示）先在某一故障车上测试原状态的怠速工况水温分布状态，然后切换改进方案中的节温器，再测试其怠速工况的水温分布图7 节温器感温部位怠速工况流动情况图8 试验验证结果测试结果如图8所示，从图上可以看出，在关空调后怠速时，节温器内侧（迎水面）在故障车中，温度都8℃一直在节温器开启温度（83℃）附近徘徊同时风扇一直转动的影响，故障车的进水管温度一直呈下降趋势，恶化了节温器的温度响应在改进方案中这两个位置的水温都不差过3℃，并且在关闭空调后，节温器两个位置水温迅速趋向于一致（且都大于85℃），节温器和电子扇能正常开启和关闭。
这说明冲击节温器正面的水流量增加了达到了预期改进的效果由上可知，试验验证达到了预期的效果，在此基础上随机抽取20台故障车，并进行相关的故障工况温度分布对比验证试验，试验结果表明，在20台样车的试验结果均有效经改进以来，从开发到批产，该车型冷却系统并未再出现该故障，故该改进方案是确实有效的，并验证了原先CFD分析的结果4 结论（1）通过对某车型电子扇长转故障的排查，利用一维和三维CFD软件进行相关分析，找到了新车型怠速工况电子扇常转的原因是暖风回路流阻过大2）加长节温器感温元件的优化方案，经实车验证，怠速工况下，节温器感温元件表面平均温度从83℃提高到了85℃，温度波动范围也有8℃降低到了3℃水温恢复正常，电子扇常转的故障消失优化了冷却系统的设计3）在冷却系统的优化设计和开发中，CFD发挥越来越重要的作用，在前期开发中通过CFD仿真与与验证试验的结合，可以减轻开发阶段的成本和时间参考文献[1] D. S. Miller. Internal Flow System.BHR Group Limited 1996.[2] 邓义斌.车用发动机系统匹配设计研究.武汉理工大学学报， 2011 （4）： 383- 386.[3] 赵军.重型载重车发动机冷却系统设计改进及试验研究.柴油机设计与制造， 2008（3）： 28- 31.[4] 海松等.基于 FLOWMASTER 的工程机械热平衡仿真分析，2007 （6）：118-121.[5] Bure J， Haws J.Vehicle thermal systems modeling using flowmaster2 [C]//SAE， Paper，No.2001-1696，2001.[6] Bernhard Uhl， Friedrich Brotz. Development of Engine Cooling Systems by Coupling CFD 。