汽车热管理开发和应用--某款SUV车型
摘要】随着我国汽车工业的发展，发动机升功率的不断提高，随之产生的热流密度也随之增大，在目前市场上增压发动机多数都存在着整车热管理的问题。20世纪80年代，国际上一些著名的汽车公司就开始关注将汽车热管理分析融入新产品开发设计中，美国汽车工程学会每隔两年召开一次车辆热管理系统国际会议。早期发动机舱热管理分析手段主要是传统的试验方法，一般需要进行整车试验，虽然得到一些结果，但是试验条件和分析项目有限，耗费了大量的人力和物力，试验周期长。随着CAE计算的飞速发展，目前各公司已经在产品概念设计阶段结合CAE的手段，进行模拟分析，识别风险，从而再改进和优化产品设计。本文针对某个全新车型的机舱热管理从概念设计到工程产业化全方面研发，并对该车型热管理系统出现的问题进行优化处理做出探讨。研究成果对市场存在的增压发动机整车热管理的研发具有一定的参考依据。
关键词：模拟分析；热管理系统；优化处理
引言：汽车发动机舱内部结构复杂，包含了发动机，变速器，冷却系统，空调系统，发动机悬置，排气系统，进气系统，驱动系统等。其中增压发动机作为动力能量来源，除了保
证其在合适的温度范围内工作外，还要保证发动机产生的多余热量能够顺利排出机舱内，以便保证其他系统工作在相对合理的温度范围内，从而改进整车性能，提高整车耐久。热管理的整车集成技术，是热管理研究的主要难点和核心关键技术。热管理系统与整车的集成研究，主要通过研究汽车热管理系统空气侧复杂的流动和传热过程机理，探讨汽车总体布置设计，热管理系统集成方式以及行驶工况等因素对热管理系统性能的影响，从系统工程观点和综合指标出发，进行热管理与汽车结构和总体布置的集成设计和匹配优化，提高热管理系统的实际运行能力。 本文介绍了某款SUV正向热管理开发过程中遇到的问题，对应的解决方案，试验车辆验证和最终方案冻结。
一、汽车热管理系统设计和开发
热管理系统是基于汽车的整体角度，对动力系统以及汽车整体性能关系，对汽车的各个系统性能进行集成，从而形成的一个有效的热管理系统。本文介绍的SUV车型是全新的底盘系统，全新的动力总成系统，全新的外造型，所以在热管理的匹配上难度较大，需要全新设计冷却系统，根据整车的技术条件和工况进行系统开发，结合外造型对进气格栅的影响，进一步影响发动机舱内部的流场分布，这是一个复杂的系统集成开发。
1.1热管理系统设计
由于全新的动力总成，需要设计全新的冷却系统来匹配该发动机变速器，以便满足发动机对整车的散热需求。同时也要考虑进气流量，底盘的空气流场，保证空气能够将发动机舱内的热量带到外界环境中，不对机舱内的零件造成热伤害。所以在初步选型阶段，选用了350W的单风扇，65kw的散热器，以及使用了上下结构的布置形式，即冷凝器和散热器在上方，中冷器下置的布置方案。根据汽车的动力系统具体性能要求，以及汽车的运行环境，从而在基础的热力性能研究基础之上，采用热力管理措施对系统性的内外热力传递过程进行组织，对温度进行控制，从而均匀的散发动力系统的各部分温度，控制温度分布。从而达到在不同季节、不同车用环境的条件之下，都能让汽车的热管理系统有效地使用在改款车上。
1.2热管理系统模拟分析
在完成系统设计后，通过CAE的手段进行整车分析，包括一维的匹配计算和三维的CFD计算，以确保在样件模具开发前，对该设计完成比较全面和比较系统的分析。首先根据发动机的换热量图谱和冷却系统零件的性能参数，包括散热器，风扇，冷凝器，中冷器等，
完成一维的KULI计算。当然在计算过程中需要使用到CFD分析的后处理结果，经过与一维KUL的耦合，完成系统的计算，包括冷却模块进气温度的分布，冷却液最高温度，和其他环境和工况条件下对系统敏感度的分析。在完成这一部分计算后，对机舱热负荷的计算需要随之开展，其中输入的条件包含发动机的热负荷，排气歧管热端的热负荷，机舱内所有零件的材料特性，热传导系数，热辐射值，同时结合CFD冷流场分析的结果，计算出整车底盘和发动机舱的温度分布，根据温度分布来判断零件失效的可能性。图1即为CFD分析后处理的压力云图：
图1 CFD压力云图发动机隔热棉
二、汽车热管理试验测试和系统优化
在样车交付后，进行整车的热管理测试。在整车准备工作中，我们布置了接近200个传感器，其中包括流量传感器，压力传感器，温度传感器，分别测试冷却系统参数，发动机附近易过热区域的重点零件表面温度，例如，散热器冷却液进水口的温度，散热器冷却液
出水口温度，散热器冷却液流量，暖风的进出水口温度，暖风的流量，散热器表面的温度，冷凝器表面的温度，风扇的转速，发动机排气歧管的表面温度，发动机悬置的表面温度，四驱单元的表面温度，等等。我们采用2个整车工况，第一个整车工况是，环境温度46°（模拟中东温度），城市循环工况，没有坡度，在这个工况下整车冷却系统满足设计目标要求，水温低于120°，但是发动机悬置的橡胶温度超过了目标值100°，达到了118°的高温，这是问题一。第二个整车工况是环境温度38°，50公里/小时，8°的坡度，传动系统四驱分动器PTU表面温度达到了180°的高温，目标值是150°，这是问题二，高温温度点可参见图2。
图2 PTU表面温度过热点
因此团队针对这二个重大问题进行分析和讨论，拿出了几个方案用于优化，同时把优化方案在CAE上进行验证，得到了很好的结果。工程团队根据方案，进行了样件试制和改制。
问题一，优化方案如下，由于发动机悬置靠近排气歧管，所以热源来自于排气，我们在排气歧管隔热罩里面增加隔热棉，以便降低排气隔热罩表面的温度，同时把发动机悬置橡胶外侧增加一个橡胶片，用于阻止热辐射对零件温度的影响。在把新方案的零件装配到整车上后，进行测试，问题一的温度降低到了97.3°，满足目标值100°的要求。
问题二，优化方案如下，方案1在PTU表面增加隔热罩，以阻止来自排气的热量，方案2在发动机舱内增加导流管，使用车外空气对PTU冷却，方案3同时使用方案1的隔热罩和方案2的导流管。具体可见图3和图4。我们在整车上分别测试这3中优化方案，方案1的结果是124°，方案2的结果是120°，方案3的结果是110°，都满足目标要求150°，但是从成本方面考虑，最后使用了方案1。
以上在样车试验阶段，我们完成了系统优化，全面考虑了成本，零件开发时间等条件后，选择了适合项目和整车需求的方案，达到了项目目标，并保证交付到用户的车辆满足性能要求。
图4 导流管
参考文献
【1】李晶华. 汽车构造与原理. 机械工业出版社, 2016.
【2】章熙民, 任泽霈, 梅飞鸣.传热学.中国建筑工业出版社, 2007.
【3】余志生. 汽车理论. 机械工业出版社, 2009.
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