某SUV车辆冷却系统性能优化分析

吴义磊，赵狐龙，高蒙蒙，刘建祥

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

前言

汽车冷却系统的作用是使运转中的发动机得到适度冷却，使其在最适宜的温度范围内工作。发动机如果冷却不足，发动机功率将下降，机油受热而失效，各机件也可能因高温致使机械强度下降；如果冷却过渡，热量散失过多，发动机动力性、经济性下降，机油黏度加大，运动件间的摩擦阻力加大，磨损加剧。因此，一个性能优异的汽车冷却系统，尤其是在高温地区市场（如：新疆吐鲁番、伊朗、科威特等地区）显得尤为重要。

1 设计目标

针对国内外高温地区市场（如：新疆吐鲁番、伊朗、科威特等地区），为满足客户指定工况下对车辆动力性和舒适性的要求，设定设计目标，同时要求爬坡和高速工况水温不超标（110℃），同时考虑到客户的舒适度、驾驶体验和安全性等因素，不允许“断空调”和“限扭”发生。

表1 车辆的使用条件与水温要求

2 冷却系统散热量计算

2.1 车辆参数信息（见表2）

2.2 行驶驱动力需求扭矩及转速计算

根据车辆匀速爬坡阻力计算公式：

图1 车辆爬坡示意图

Ff—匀速爬坡阻力

F0、F1、F2—车辆风阻系数

G—整车重力

V—车速

表2 整车参数信息

将参数带入公式（1），得出爬坡工况车辆阻力：Ff=2403N；高速工况车辆阻力：Ff=1071N。根据扭矩公式：

Ft—牵引力

N边—轮边扭矩

R—轮胎半径

Ne—发动机扭矩

i—传动比（变速箱加主减速器）

n—发动机转速

V—车速

η—传动系效率

将参数带入公式（2）和（3），得

爬坡工况发动机扭矩为：Ne=140.5N.m、转速为：n=2664r/min；

高速工况发动机扭矩为：Ne=157.4N.m、转速为：n=2492r/min。

2.3 压缩机需求扭矩计算

已知 2.0T发动机匹配空调压缩机功率为 3Kw，根据公式（4）计算出发动机在驱动压缩机时损耗的扭矩：

N'—发动机用于克服道路行驶阻力扭矩

N—发动机扭矩

P—发动机功率

计算得

爬坡工况：N爬=151.3 N.m；高速工况：N高=168.9 N.m。

2.4 发动机输出扭矩与转速计算

修正发动机真实输出扭矩，整理如下。

表3 工况对应发动机扭矩和转速信息

2.5 工况下散热器散热需求计算

通过台架热平衡测试数据，利用插值法，计算爬坡和高速工况下的散热器散热量。

表4 某型号发动机台架热平衡测试数据

爬坡工况散热器散热量为： QW爬=30kw；高速工况散热器散热量为：QW高=32kw。在散热器设计期间，往往要留有5%～25%的散热量余量[1]，取 10%，则 QW爬=33kw；QW高=35.2kw。

3 风侧边界计算

图2 新造型前保杠与聚风板结构

利用CFD分析工具，分析新造型（更新前保杠和聚风板，中冷器、冷凝器、散热器和风扇数据不变）。

图3 截面流速分布图

表5是车速为30km/h、60km/h和130km/h时的计算风量。

表5 新造型CFD风量分析结果

根据冷凝器的换热特性（中心试验），差值出车速60km/h和130km/h时，冷凝器的散热量为：10.5kw和15.3kw。根据公式（5）计算出爬坡和高速两种工况空气进入冷凝器前后的温差=14℃；=12℃。

Q—换热器换热量

Ca—空气比热容（取1.047kJ/kg·℃）

ma—空气质量流量

图4 冷凝器换热曲线

4 散热器换热量校核

根据换热公式和散热器效率公式，计算散热量：

K—散热器效率（0.6～0.7，取0.7）

Ta1、Ta2—散热器进、出风温度

TW1、TW2—散热器进、出水温度

整理边界条件：

表6 边界条件

将公式（6）带入公式（5）得散热器散热量计算公式：

将边界条件带入公式（7）计算得：

爬坡工况不满足需求；同理，高速工况为 46.7kw＞35.2kw，满足需求。

5 优化要因确认

爬坡工况状态信息整理：

表7 爬坡工况状态信息

基于整车的开发设计与市场适应性需求，因素 1、3、5不可变动，只有通过优化因素2、因素4和因素6来改善整车热平衡。

若要满足爬坡工况热平衡要求，散热器总散热量应提高（33-27.4）/33=20.4%。通过公式（7）计算得，单独通过优化散热器进风温度，需降低到48.5℃；单独通过优化散热器进风量，需提升到0.883kg/s；单独通过提升散热器效率，需提升到0.843。

降低散热器进风温度，需调整冷凝器的结构形状或布置位置，改制困难，暂不考虑此方案；根据经验，散热器效率在 0.7基础上很难再做提升。所以提高散热器进风量是最为有效可行的方法。

6 优化方案分析

6.1 优化方案识别

提高散热器进风量目标分解：

表8 优化目标分解

本次研究已是基于新造型（增大格栅开口面积、优化聚风板）车型，所以1、2两项提升空间较小； CFD（车速60km/h）分析以及新疆道路（爬坡工况）测试均证明，优化密封方案在中低车速下效果欠佳，所以提升进气效率方法不可行。

降低风阻势必要优化冷凝器、散热器的结构，一定程度上会影响甚至降低换热器的换热能力，计算复杂可行性差，暂不作考虑。

综上所述排除，可行方案为：4、提升风扇性能；6、增加散热器迎风面积。

6.2 风扇性能提升

下图为某车型散热器的风速与车速的关系，从图中可以看出，随着车速的提升，散热器的风速开始由电子风扇主导变成由车速主导。关于提高风扇性能的问题与风扇供应商的交流结果为：在扇叶（更改扇叶效果亦不明显）不变的情况下，增加转速，风扇可靠性会变差且噪声也是无法接受的。

所以中高速行驶工况单凭优化风扇性能提升进风量是不可行的。

图5 某车型散热器风速与车速关系

6.3 增加散热器迎风面积

根据数模结构可知原散热器面积为：0.4632m×0.51m=0.236m2；增加散热器左侧长度211mm，使散热器左右两边关于格栅中线对称，更改后尺寸为：0.4632m×0.721m=0.334m2，散热器面积比原尺寸增加41.5%。若其他边界条件不变，则散热器散热量随之增加41.5%（＞20.4%），可满足散热需求。

调整中冷器与冷凝器尺寸（长度和宽度）以适应散热器尺寸变更，同时为保证散热器进风风速，需将单风扇更改为双风扇。具体尺寸变化如下表：

表9 优化目标分解

为保证空调的功能，同时考虑前端装配关系，调整冷凝器的尺寸为：708mm×319mm；中冷器尺寸为：580mm×125mm，迎风面积减小 13.8%，因布置在靠下位置，进风量会有一定提升，所以对散热功率不会有过大影响。原方案与更改后各换热器的尺寸位置关系如下所示：

图6 俯视图

图7 正视图

图8 侧视图

7 散热器性能校验

由单风扇改成双风扇，同样转速下风量会提升（单风扇变五风扇，转速2500rpm，车速为0km/h时，风扇风速提升约 26%）[2]，暂且认为散热器进风风速不变为2.8m/s；中冷器后进风温升取10℃，则散热器增加面积部分进风温度为45℃+10℃=55℃；那么根据公式（5）得散热器增加散热量为：

由以上计算结果可得散热器性能满足散热需求，方案可行。

8 结论

本文详细介绍了冷却系统性能优化过程，提出了优化设计方案，并进行分析识别，找到性能提升的方法。另外，理论计算虽然有误差在里面，但可以指明设计思路和优化方向。其具体的性能还 需要后期通过实验测试来加以验证。