重型商用车辆冷却系统研究综述

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.04.049

重型商用车辆冷却系统研究综述

冉凯1，王磊1，王琦1，张晓珂1，姚远征1，华西娟2

（1.陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200；2.陕西通家汽车股份有限公司，陕西 西安 710200） 摘 要：文章对发动机冷却系统模拟计算，完成一维模型的建立及三维云图的分析。试验验证采用转鼓试验和实车行驶试验两种方法来进行发动机冷却系统性能专项试验，以验证仿真计算模型的有效性。开发冷却系统的数字化模型，并进行加大风扇的匹配，为现产车型和新车型的开发提供数据和技术支持。 关键词：重型卡车；热管理技术；冷却系统；试验

中图分类号：U467.3 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)04-145-03

Literature Review on Cooling System of Heavy Commercial Vehicle

Ran Kai1, Wang Lei1, Wang Qi1, Zhang Xiaoke1, Yao Yuanzheng1, Hua Xijuan2

( 1.Shaanxi Heavy Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200; 2.Shaanxi Tongjia Automobile

Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

Abstract: This thesis focuses on the simulate computation of engine cooling system to build the unidimensional model and to analysis the three-dimensional nephogram. In order to verify the effectiveness of emulation computer model, tumbler tests and test run are used to finish the special experiment on the cooling system. Establishing the digitized model of cooling system and increasing the number of the fans provide data and techniques to explore new models for current production. Keywords: heavy trucks; heat management; cooling system; experiment CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)04-145-03

法和计算机技术的不断进步，计算流体力学发展迅速，为研

前言

根据汽车空气动力学的基本理论可知汽车外部结构决定了汽车外流阻力特性，发动机舱内的空气流动特性决定了冷却系统的散热性能和发动机舱的内流阻力特性，驾驶室内空调的流动特性决定了驾驶环境的舒适性以及除霜除雾的品质。汽车空气动力学的性能直接影响了汽车的燃油经济性、操纵稳定性和驾乘舒适性，是评价整车性能的重要指标之。为了改善汽车的空气动力学特性，全世界的汽车工业巨头都投入了大量精力研究汽车的内外流场特性。空气动力学研究的原始手段是风洞试验，它既传统又有效，为改善汽车空气动力学特性做出了卓越的贡献，经过不断发展和进步，仍是汽车工业开发不可或缺的一部分。近年来，随着数值计算方

作者简介：冉凯，就职于陕西重型汽车有限公司。

究汽车空气动力学特性找到了新的途径。各种流体分析软件业不断开发和完善，使工程能够通过虚拟环境研究汽车的各种流动特性，极大降低了汽车开发成本和周期。汽车计算流体力学的兴起也带动了理论研究和试验方法的不断进步，三者相辅相成，共同推动汽车工业的不断进步。

1、主要研究内容

整车热管理性能受到空气流道、外界温度、汽车车速以及传热因素的影响。车辆在运行过程中的传热和流动过程极为复杂，会对整车冷却系统的性能产生很大影响。随着发动机舱热管理的不断深入，主要进行以下一些研究方向：

（1）地面效应对整车外流场和发动机舱内流场的影响和飞机的运动不同，汽车是贴地运动，行驶时受到汽车底部和

2017年第4期 冉凯 等：重型商用车辆冷却系统研究综述 146

地面之间的空气干扰，称之为地面效应。车身底部气流对整车气流特性影响很大，近年来受到人们的高度重视。汽车风洞试验模拟地面的气流边界厚度要求较为严格，边界厚度一般为汽车模型离地间隙的l％～8.5％，否则影响试验效果。目前模拟地面效应的主要方法有：活动地面法、固定地面法、吹吸固定地面法、镜像法、人字条法等。

（2）空气侧流动与冷却模块内部热介质的耦合计算汽车冷却模块主要有散热器、中冷器和冷凝器，芯子结构相当复杂，尺寸很小，如果按照其真实尺寸划分网格计算量相当大，3、试验测试

对于热管理试验测试，我们只进行整车条件下的验证测试。对于各部件的性能测试由各自供应商配合主机厂完成。 3.1 整车行驶冷却系统性能试验

温度测量：一般包括：大气温度、发动机机油温度、空滤器出气温度、发动机排气温度、

散热器进水温度、散热器出水温度、节温器进水温度、散热器前进风温度、散热器后出风温度、中冷器进气温度、对计算机硬件要求过高，计算精度也未必能满足要求。目前的主要方法是将冷却模块简化成多孔介质模型，只要知道其几何尺寸、阻力系数以及换热量等参数，就能进行模拟分析，但是这种方法精度不高，而且和真实的换热特性有较大出入。

（3）风扇的旋转效应，风扇附近的空气流动较为复杂，存在着强大的涡流和分离现象。由于叶片的旋转作用，轴向气流和径向气流相互干扰，较难得到空气流动的实际数据。由于物理梯度变化较大，网格数量密集，对计算机的硬件条件和求解时间又是极大考验。有的方法利用固壁条件将风扇视为一定压差的流动空间，这种简化的风扇模型只能模拟出风扇附近区域压力的情况，不能有效的分析风扇的旋转效应产生的流场。所以风扇模拟也是当前研究的难点之一。

图1 计算模块示意图

2、热管理研究难点

汽车的内流场主要是指发动机舱内的流动情况，由于发动机舱内要引入冷却气流，会消耗部分空气动能，从而使整车的气动阻力增大，另外发动机舱内气流的湍流特性也会对整车的气动特性造成严重影响。发动机舱散热性能分析存在以下几个难点：

（1）几何形状复杂：发动机舱内热分析需要完整的车身、底盘、发动机、舱内部件的几何数据，几何处理和网格划分的难度和工作量非常大。

（2）物理现象复杂：发动机舱内的流动和传热现象十分复杂，舱内的结构对散热性能有重要影响。发动机舱内的热辐射非常强烈，对散热性能有决定性的影响。

（3）性能参数众多：发动机舱内散热分析需要考虑冷却模块、冷却风扇等部件的工作性能，并进行相关的单体试验，在进行热辐射模拟时，还需要各部件的材料参数等。

中冷器出气温度、燃油温度、转向油温度、转向泵出油温度、空压机出气温度、发电机温度、发动机舱室温度等。

压力测量：一般包括：空滤器出气压力、散热器进水压力、散热器出水压力、中冷器进气压力、中冷器出气压力、排气压力等。

3.2 整车台架模拟冷却系统性能试验

汽车转鼓试验台是一项基本试验设备。转鼓轴端装在液力或电力测功器，测功器能产生一定阻力矩，以调节转鼓转速，控制汽车驱动轮的转速。汽车驱动轮施加于转鼓的力矩由测力装置。

3.3 爬长坡全负荷行驶试验法

一般需要8至10公里长的连续上坡道路，平均坡度5%左右。试验车辆保持满载状态，以合适的档位、节气门全开状态、并以接近20公里/小时的车速全负荷行驶。试验工况分两种：发动机最大功率行驶工况和发动机最大扭矩行驶工况。

3.4 负荷拖车牵引全负荷行驶试验法

负荷拖车以刚性连接的方式与试验车辆连接，试验车辆

保持满载状态，以合适的档位、节气门保持全开状态牵引负荷拖车，同时使试验车辆以接近15公里/小时的车速全负荷行驶。

4、总结

热管理系统的研究方法主要有理论研究、CFD仿真研究、实验研究。对系统性的研究，很难采用单纯的方法，应将以上研究结合起来进行。

1）对现产车型发动机舱进行理论分析，从流量与热量之间的转换关系出发，计算空气流量与散热流量数据，考虑空气的对流传热和发热部件的表面热辐射。

2）利用CFD计算得到的发动机舱流场、散热器组和管件的模拟数值参数，结合KULI软件，对冷却系统进行分析和设计研究。

3）采用台架模拟实验和实车行驶实验两种方法来进行发动机冷却系统性能专项试验，以验证仿真计算模型的有效性。

4）在上述计算与分析的基础上，提出发动机舱散热的改进方案，优化各个部件的设计，建立系统的机舱热管理研究

147 汽车实用技术

报.2003.31(2):203-206.

2017年第4期

方法，为现产车型和新车型的开发提供数据和技术支持。

[3] 徐磊,朱益红,曾建秋.内燃机车用新流型冷却风扇的设计.风机技

参考文献

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[5] 张铁柱,张洪信. 内燃机冷却风扇温度控制液压驱动系统技术研

究[J].内燃机学报.2002(3)：273-277.

（上接第144页）

在轮心施加不同的垂向力，三种建模方法的轮心的垂向跳动量有所差异。车型1与车型2，同一垂向力5000N时，方法2与方法3跳动量一样；与方法1比较，跳动量差值分别为2.1mm及1.6mm。车型3，同一垂向力5000N时，方法2与方法3跳动量有差异，方法2相比方法1的跳动量差值为1.7mm，方法3相比方法1的跳动量差值为3.0mm。具体如图8和表4。

角、反向轮跳的前束角及外倾角、同向侧向力的前束角及反向侧向力的前束角，三种仿真方法的结果对比，方法1与试验值差异性较大，方法2及方法3与试验值差异性较小。

2）针对不同结构扭力梁，轮胎受同一垂向力时，三种仿真方法的轮心跳动量差异性较小。

3）前期设计中，由于各方法的轮心z跳动量差异性很小，且无扭力梁的设计数据，可以依据方法1进行弹簧参数匹配；由于方法1的侧倾刚度与实际相差很大，扭杆直径的匹配不能应用方法1。

4）方法2与方法3在K&C性能对比中，差异很小，可应用上述两种方法进行弹性元件的匹配、悬架的K&C仿真及整车仿真。方法3相比方法2，避免了输出不同扭杆直径的mnf文件，知道后期底盘调校中前后侧倾刚度匹配，提高

图8 不同垂向力的轮心z坐标

表4 垂向力为5000N时轮心z坐标及差值百分比 项目 车型1 车型2 车型3

轮心坐标z/mm(5000N) 方法1 35.8 37.0 15.9

方法2 37.9 38.6 17.6

方法3 37.9 38.6 18.9

相比车型1的差值/mm 方法1 - - -

方法2 2.1 1.6 1.7

方法3 2.1 1.6 3.0

了工作效率。

参考文献

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析及操稳性仿真[J],计算机辅助工程.2006.15(A1):199-201.

4、主要结论

1） 侧倾中心高、侧倾刚度、同向轮跳的前束角及外倾