基于KULI的某车型冷却性能优化设计

郭全宝 孙玉 岳建艺 王博

（长城汽车股份有限公司技术中心；河北省汽车工程技术研究中心）

1 问题分析

1.1 设计与验证要求

某款SUV车型为6MT车型，面向全球销售，其中热带和酷热带地区对冷却系统要求极为苛刻，在产品投放市场前，特对整车的冷却系统能力水平进行设计验证。验证的设计要求为发动机水温≤110℃。验证的试验标准，如表1所示。

表1 整车的冷却系统验证试验标准

1.2 现状态试验结果

按照上述验证标准，进行整车风洞摸底验证，试验结果，分别如图1，2和表2所示。通过图1，2的过程数据和表2风洞试验结果可知，按照上述试验标准，在爬坡工况，发动机温度过高，且出现空调切断现象，爬坡工况在试验进行4～5 min时空调切断，在后续的5 min时间内一直无法吸合，直至试验结束。故此SUV车型不能满足设计，需要进行系统优化，所以决定从系统分析入手进行问题查找，认真分析并针对性的设计，从而提升动力系统的冷却能力。

表2 原整车风洞试验结果 ℃

2 仿真与方案设计

2.1 KULI模型参数输入

1）发动机参数。发动机为强制水冷式冷却，冷却液补偿箱限压阀开启压力为（108±14.7）kPa，，发动机排量为1 497 mL、额定功率/转速为110 kW/5 600 r/min。

2）变速器参数。变速器为6挡、手动及横置式变速器，变速器主减速比为4.5。1～6挡及倒挡的速比分别为：3.471，1.92，1.324，0.977，1.054，0.884，3.882。

3）整车前端模块冷却系统参数。整车前端模块冷却系统包括散热器、冷凝器、中冷器、风扇及护风罩等。其中各换热器的风阻、水阻、散热量数据和风扇的P-Q曲线数据均由零部件生产厂家提供。散热器、中冷器及冷凝器的几何尺寸分别为：620 mm×478 mm×18 mm；585 mm×348 mm×30 mm；556 mm×490 mm×16 mm。风扇直径为430 mm，转速为2 600 r/min。

2.2 KULI仿真工况

仿真工况的设定，按照表1试验标准中的要求，其中车辆的载荷按照如下公式进行计算。

式中：T——发动机扭矩，N·m；

F——驱动力，N；

首先，采用透水性良好的砂砾石进行路基的填筑，设计路基排水结构物，在路基中设置隔离层，防止路面水下渗，提高路基高度等。如图1所示为路基设计时增加排水暗沟，用于排出地下水，其次，对于施工中经常遇到的裂缝水、层间水、浅层水等，可以采用切断、拦截等技术进行改善，例如，加深边沟，设置渗沟、渗管及渗井，来降低地下水位。在土质边坡，易受到流水冲刷时，可以增设涵洞、浆砌片石或混凝土边沟、急流槽等排水设施。此外，对于路基当中的积水可以采取在路肩上开挖横沟的方式来排出，横沟间距尽量不要太长，一般在10m左右，对于路面积水时，采用人工或者路肩横沟的方式来清除。

i——变速器总减速比（主减速比×速比）；

n——动力传递效率（MT车型为98%）；

r——车轮的有效半径，通过轮胎规格尺寸（215/60 R17 96H）计算得到，m。

2.3 KULI模型搭建

1）一维模型。一维模型中包括散热循环（流动介质为40%的乙二醇）和中冷循环（流动介质为热空气）。

2）3D模型。3D模型中零件布置位置和整车保持一致，冷凝器、中冷器和散热器建立Block，循环通道，如图3所示。

3）BIR的标定。首先，将一维模型中发动机、冷凝器及中冷器热量输入0，设置成冷流场状态；然后，将STAR-CCM+机舱冷流场读取Block后的风速，导入到KULI模型中，转化成KULI矩阵，从而标定BIR[1]。

2.4 KULI计算结果

将发动机、冷凝器和中冷器热量参数设置到模型中，进行仿真计算，结果如表3所示。

表3 冷却系统KULI仿真计算结果 ℃

2.5 KULI冷却系统优化

通过仿真结果可以看到，在爬坡工况发动机水温高于设计值，应用KULI软件进行参数优化，为保证系统的安全性，此次发动机水温目标设定为108℃。

2.5.1 风扇性能提升

此车型风扇为电子风扇，高速运转（静压100 Pa）时最大风量为3 650 m3/h，在KULI模型中调整风扇风量，计算结果为：爬坡工况时，风扇风量为4 062 m3/h，发动机水温为108℃。通过计算结果可知，风扇风量需要增加412 m3/h，才能满足发动机散热要求。因此如提升风扇性能，可以通过增大扇叶直径、提高风扇转速、优化扇叶及护风罩结构等方式来增大风扇风量。

2.5.2 散热器性能提升

考虑零件的平台化，散热器现有芯体高度和长度不变，厚度增厚6 mm，并带入到模型中，计算结果，如表4所示。

表4 散热器优化计算结果 ℃

通过仿真计算得到，厚度增加6 mm的散热器可以满足发动机冷却的要求。

3 试验验证

通过KULI软件分析结果，提高风扇风量和更换散热器均能满足发动机冷却要求。根据更改方案，进行更换散热器的实车验证，准备样件进行物理搭载和整车风洞试验，试验标准按照表1执行，试验结果要求满足发动机水温设计要求（≤110℃），具体试验结果，如图4，5和表5所示。

表5 优化方案整车风洞试验验证结果 ℃

4 结论

在热带及酷热带地区，其恶劣的环境使很多汽车冷却性能出现问题，文章通过KULI软件对冷却系统进行了分析，通过将散热器芯体增加6 mm后，满足了发动机冷却的要求，最终通过了风洞实验验证，满足市场销售，为冷却系统优化提供了可行的方案。