整车冷却系统优化匹配方法浅谈

整车冷却系统优化匹配方法浅谈

整车冷却系统优化匹配方法浅谈

【摘要】对整车冷却系统的优化匹配方法进行介绍。首先采用适当的试验方法对相关零部件的性能进行测试，获得完整的性能数据。这不仅可以对特定部件进行全面评价，也使零部件的试验更好地为冷却系统匹配分析提供有价值的参考数据。如果条件允许则可利用CFD的模拟分析手段，整车风洞试验或整车道路试验是整车冷却系统匹配优化的最终评价手段。

Abstract：Optimizing method in matching process of vehicle cooling systems is one of key factors for a good vehicle application．To begin with，relevant components should be tested with proper methods to acquire complete performances data of the components.The test results can be used to evaluate the components and offer the reference data for cooling system analysis. The cooling system should be analyzed by CFD if possible．A vehicle test in wind tunnel or a vehicle steering test is a final appraisal method of a matching optimism of vehicle cooling systems．

1前言

汽车、工程机械在实际的使用过程中，冷却系统会出现水温过高、过低的情况，特别是由于系统匹配不当造成此类问题时，此类故障就很难简单解决，从而影响整车的正常使用，因此，整车厂以及相关零部件供应商对冷却系统的匹配研究给予越来越多的关注。国外这方面的研究工作已经比较系统，各种研究手段已经相当成熟，而国内仍处于起步阶段。

整车冷却系统一般由以下部件组成：发动机、(温控)风扇、水散热器(水箱)、中冷器、节温器、空调系统、变矩器油散热器、液压油散热器、取暖器以及相应的管路、温度传感器及仪表等。如何对所选择的冷却系统配置进行分析和评价，从而缩短新品设计开发周期，提高设计成功率，是设计师追求的目标。传统的做法是按照类似整车经验，选择一些冷却部件进行组合，然后样机装车直接试验考核，因此，在一次成功率和系统优化能力方面相对欠缺。

目前中国汽车产业发展迅速，国内的汽车厂商及零部件供应商的技术水平也在不断提高，试验能力不断增强，同时模拟计算手段CFD日趋成熟，这些都为冷却系统匹配研究提供了很好的条件。

本文试图结合实际工作，就整车冷却系统匹配优化方法作一些探讨。

2．典型冷却系统示意图

冷却系统的布置型式多样，下面以某装载机的冷却系统布置型式来说明，如图1

所示。

具体布置包括：热源(包括发动机、工作液压泵、变矩器)、散热器(包括水散热器、机油冷却器、变矩器油散热器、液压油散热器)、冷却介质(包括水(防冻液)、机油、液

压油、变矩器用机械传动油、环境空气)、结构件(包括车架、机罩、导风罩、前格栅)。

部件试验和分析

3．1发动机水泵

水泵的作用是对冷却水加压，使之在冷却泵中加速循环流动，因此水泵性能的好坏直接影响冷却系统的工作，在试验时应测定以下参数：

1)测定各档转速下的流量一扬程特性。水泵试验转速选定时一般应选取发动机标定转速、最大扭矩转速和其它特定需要的转速，另外还需要适当再穿插一些转速，如图2。

2)测定其穴蚀能力。穴蚀能力在使用中具有实际参考意义，当外部散热器等的流动阻力过大时，将会使水泵进口处出现一定的真空度，当接近穴蚀区域时，水泵流量将会大幅度下降，从而导致故障的发生。在确定配置时要充分考虑这一点，有些系统中采用补偿水管来避免这种故障的发生。

3)测定各转速流量时消耗的功率及效率。

图1 发动机冷却系冷却液匹配图

3．2节温器

节温器属于冷却系统的调控装置，其作用是随发动机出水温度变化自动控制通过散热器的冷却液流量，以调节冷却液的温度，在试验时应测定：

1)测定节温器开启规律(即温度一升程关系)。通常来说提高发动机工作时的冷却液温度，可以使其热效率处于较高水平。发动机的水温处于较高(如80℃以上)为宜，所以现代发动机的节温器开启温度大多在80℃以上，全开温度在90℃~95℃左右；另外，为避免冷却液温度变化幅度过大，在大循环逐渐打开的同时，小循环应逐步关闭，其行程为大循环行程的1/2~2/3为宜。

2)测定节温器全开情况下的流量一阻力特性关系。试验时，设法使其处于全开位置，并和对应的节温器座体安装在一起进行试验，选取合适的流量，测出对应的阻力。

图2 发动机冷却系统冷却液侧匹配图

3．3发动机内部冷却液侧流动阻力特性

发动机内部冷却液侧流动阻力主要是指发动机的机体和缸盖冷却液通道的阻力。对于新研制的发动机在冷却系统试验时，有必要对二者进行阻力试验，以便更好地对水泵各项参数进行设计评估。具体操作：水泵和节温器都应隔离出来，必要时对水泵处节温器座体处进行适当处理。具体特性曲线如图2所示。

3．4发动机外部阻力??冷却液流量特性试验

按照发动机实际使用的热负荷最大工况或常用工况，确定某几档转速(特别对于一些工程机械用途的发动机有必要增加调速特性时的转速)。

图3 发动机冷却系统冷却液侧匹配图

在各档转速下分别测定外部流动阻力变化时相应的流量变化规律。可参见图3。

试验时应使发动机冷却液走大循环，节温器处于全开状态。

3．5发动机散热量的测定

发动机散热量的测定参数如下：

1)确定典型工况转速(标定和最大扭矩，或根据最终车辆的使用特点，必要时调速特性上的转速)。

2)测定各档转速下的燃料消耗量、冷却液散热量、中冷器散热量、EGR散热量、有用功、排气带走热量，计算出各自的比例。

3)测定各档发动机进气流量、中冷器进出口温度、进出口压力等参数，可以计算出中冷热量，为中冷器的选型提供依据。

试验时的注意事项：

1)应保持发动机油门为最大。

2)必要时，在额定功率上偏差条件下(如+5％)重复上述试验，以便掌握生产一致性对散热量的影响。

3)试验测定时，发动机冷却液进出口的温差一般不大，因此温度传感器的精度要予以保证，同时测点位置的布置也应符合相关测试规范。

4)试验室条件许可时，可调节不同的试验室环境温度，重复上述试验，以便了解环境温度对散热量的影响规律。

3．6水散热器、中冷器

散热器的风洞试验。由于影响散热器的散热能力特性的因素较多，对特定材料、特定结构的散热器，其热侧流量Ql、、冷侧流量Q2、液气温差Δt是影响其传热系数的主要因素，即传热系数K=f(Ql，Q2，Δt) ，风洞试验的目的是得到K和Ql，Q2，Δt的关系曲线(我们把它称为万有传热特性场)，如图4。