某乘用車冷卻系統的一維流動分析

王悅，辛海霞，崔欣潔，柴召朋，趙彥輝

（哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

某乘用車冷卻系統的一維流動分析

王悅，辛海霞，崔欣潔，柴召朋，趙彥輝

（哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

文章以搭載某型增壓發動機的某乘用車冷卻系統為研究對象，利用AMESIM軟件建立冷卻系統的一維流動分析模型，在CFD軟件計算的支持下，對該乘用車冷卻系統中各支路的流量分配進行了分析。結果表明，冷卻系統中各支路的流量在一些特定工況下存在問題，還應進一步優化。

增壓發動機；AMESIM；冷卻系統；一維流動分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.027

CLC NO.: U464.138 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-78-03

引言

冷卻系統是車輛的主要系統之一，車輛運行中燃料總熱量的20%～30%通過車輛冷卻系統進行散熱[1]。各支路中冷卻液的流量直接影響冷卻系統的散熱效果。然而，冷卻系統中的各部件水套形狀非常復雜，各管路走向尺寸多樣，各部件管路相互連通錯綜復雜。導致在車輛總布置階段正確估計各支路流量非常困難。

傳統方法只能依靠經驗進行估計，導致冷卻系統的設計裕度偏大。也就意味著，車輛可能使用了過大的散熱器、發動機選擇了過大的水泵，最終導致車輛機艙布置困難、車輛制造成本上升、發動機油耗上升等問題。

通過使用一維流動分析，可以在乘用車設計前期就進行有效的冷卻系統的功能部件選型，有效的縮短設計周期、降低開發成本和風險。

1、冷卻系統的一維流動分析過程簡述

1.1 車輛冷卻系統的概述

車輛的冷卻系統大致包括散熱器、散熱器溢出壺、空調暖風機換熱水套、發動機水套、發動機水泵、發動機恒溫器、發動機增壓器冷卻水套、發動機機油冷卻器冷卻水套及相應連接管路，各部件相互連接，如圖1所示。

圖1 冷卻系統示意圖

此冷卻系統相對于傳統設計有兩處不同：第一，此發動機由于機艙布置需要，傾斜了一個角度，導致發動機出水口不是水套在豎直方向上的最高點。為防止水套內氣體無法排凈，在水套上額外開了一個排氣口，由排氣水管連接在車輛的散熱器溢出壺上。第二，此發動機在恒溫器開啟，即大循環開啟后，小循環不會關閉。

由上述可知，排氣水管參與大循環，其常開可能影響車輛的暖機時間，小循環常開可能影響發動機高功率時的冷卻效果。因此，排氣水管和小循環這兩個支路在各工況下的流量是需要格外關注的。

1.2 冷卻系統一維流動分析模型的簡化

1.2.1 分析模式的簡化

由于本文的重點關注的是指定工況下冷卻系統各支路中的流量分配，因此本文選擇穩態計算。當恒溫器開啟和關閉時，使用不同的模型，并將相應模型中將沒有冷卻液流動的部件和管路省略以節約軟件運行時間。

1.2.2 溫度模型的簡化

由于各工況點的冷卻液溫度是明確的，且各部件、管路中冷卻液溫差對冷卻液的密度、黏度影響非常小，為簡小模型規模、減少輸入數據、節約軟件運行時間，本文的模型中，不考慮冷卻液與其他部件的換熱，即冷卻液溫度為常數。

1.2.3 水泵的簡化

由于發動機水泵為離心泵，其物理特性難以在一維模型中體現。作為替代，本文使用供應商提供的水泵揚程-流量曲線數據，如圖2所示。

圖2 水泵揚程-流量曲線示意圖

1.2.4 發動機水套的簡化

發動機水套內部結構復雜，有一個入口、三個出口，且三個出口之間距離較遠，不適宜采用一條流量-壓力曲線配合一個四通的方法來進行簡化。但將水套離散為若干個相互連同的空腔的方法過于復雜，且精度不高。

本文采用了一維流動分析與CFD分析配合的方法，來解決上述問題。即將發動機水套簡化為一個容積腔，此腔有一個入口、三個出口，三個出口處各設置一個節流口，其節流特性各由一條流量-壓力曲線表示。

三條流量-壓力曲線通過CFD分析與一維流動分析相互將結果作為輸入，反復迭代計算獲得。

1.2.5 溢出壺的簡化

溢出壺在冷卻系統主要承擔兩個功能，一是容納冷卻系統中多余的冷卻液或為冷卻系統補充冷卻液；二是為整個冷卻系統提供一個正壓力，確保水泵入口處不會出現負壓力。

由于本文是恒溫的穩態計算，溢出壺的第一個作用無法得到體現，因此在模型中被簡化為一個恒壓的壓力源。壓力值設定為溢出壺泄壓閥的開啟壓力。

1.2.6 其他功能部件的簡化

其他功能部件均為一個出口、一個入口，采用單一的流量-壓力曲線來替代其真實的流動阻力，用體積單元來替代其內部容積。流量-壓力曲線通過測試或CFD分析獲得。

1.2.7 管路的簡化

在本文中，僅考慮管路由于變徑、彎曲、分岔引起的壓力損失。冷卻液由于重力作用發生壓力變化、冷卻液壓力引起的管壁變形進而影響壓力、管路的延伸損失影響壓力等因素沒有被考慮。

1.2.8 冷卻系統一維流動分析模型的簡圖

本文使用的大小循環全開的一維流動分析模型簡圖，如圖3所示。其他工況模型略。

圖3 冷卻系統一維流動分析的AMESIM模型簡圖

1.3 數學模型簡述

本文中的分析本質是一維數學計算，計算過程中使用的數學公式主要包括以下內容[2]：

以上公式中：area為節流口流通面積，Perimeter為節流口周長，v為流體的運動黏度，△P為壓力差，ρ為流體密度，Cqmax為最大流量系數，λcrit為臨界流量數值。

本文中Cqmax設定為0.7，λcrit設定為1000。

1.4 計算初始條件

冷卻液初始溫度為100°C，系統初始壓力為1.45Bar（與簡化后溢出壺的壓力源壓力一致）。

2、分析結果

本文主要計算了三種情形：僅開小循環、大小循環全開、僅開大循環。

2.1 僅開小循環

各轉速下各支路的流量見表1，僅開小循環時的水路示意圖，如圖4所示。

表1 僅開小循環時的各支路流量

2.2 大小循環全開

各轉速下各支路的流量見表2，大小循環全開時的水路示意圖，如圖5所示。

表2 大小循環全開時的各支路流量

圖5 大小循環全開時的水路示意圖

2.3 僅開大循環

各轉速下各支路的流量見表3.3，僅開大循環時的水路示意圖，如圖6所示。

表3 僅開大循環時的各支路流量

圖6 僅開大循環時的水路示意圖

3、結論

本文利用AMESIM軟件對某乘用車冷卻系統中各支路的流量分配進行了分析，并根據其結果得出如下結論：

（1）如表4所示，發動機冷啟動階段，即僅開小循環時，排氣水管占總流量比例很小（大循環流量為0），對暖機速度的不利影響也很小。

表4 僅開小循環時通過散熱器的冷卻液流量及比例

（2）如表5所示，如果在大循環開啟后，小循環不關閉，則在低轉速時，通過散熱器的流量比例過低，在低轉速高負荷率等極端工況下，冷卻可能出現問題。

表5 大小循環全開時通過散熱器的冷卻液流量及比例

（3）如表6所示，如果在大循環開啟后，將小循環關閉，通過散熱器的流量比例顯著提升。尤其在1000RPM工況，通過散熱器的流量可提升65%，相對于大小循環全開時的32%提升了100%。

表6 僅開大循環時通過散熱器的冷卻液流量及比例

根據上述數據可知，目前的冷卻系統在大循環開啟后，如果小循環不關閉，將出現低轉速高負荷率時冷卻不足的問題。最理想的改進方案為在大循環開啟后，將小循環關閉。

[1] 關躍,劉文鐵,劉明科等.發動機缸蓋的CFD- CAD設計方法. 哈爾濱 節能技術 2004,1.

[2] LMS AMEHelp Rev 11.

One-dimensional flow analysis of a passenger car cooling system

Wang Yue, Xin Haixia, Cui Xinjie, Chai Zhaopeng, Zhao Yanhui
（Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd, Heilongjiang Harbin 150060）

In this paper, a passenger car cooling system of a turbocharged engine was studied. The one-dimensional flow analysis model of the cooling system was built by using AMESIM. The flow distribution of each branch in the cooling system of the passenger car was analyzed by the support of CFD. The results show that the flow of each branch of the cooling system has some problems in some specific conditions, and it should be further optimized.

turbocharged engine; AMESIM; cooling system; One-dimensional flow analysis

U464.138

A

1671-7988 (2016)12-78-03

王悅（1982-），男，就職于哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心，研究方向發動機、變速器總成及部件仿真分析。