一种利用整车冷却前端风量曲线的冷却系统匹配算法的制作方法

1.本发明涉及汽车冷却系统风量匹配及应用技术领域，尤其涉及一种利用整车冷却前端风量曲线的冷却系统匹配算法。


背景技术：

2.随着汽车市场竞争的加剧及油耗排放升级要求，汽车投放到市场的速度越来越快。而顾客的需求也出现越来越多的个性化需求，汽车投放市场出现定制化趋势，随着我国汽车行业的发展，同一台车投放的出口市场区域也发生了变化。在这样的市场驱动下，主机厂通常需要为同样的整车需匹配不同的动力系统，并快速投放市场。同一台整车在面对不同国家的市场区域、不同客户的动力总成要求、不同用户的使用需求等(如是否拖车)，都需要去匹配合适的冷却系统。这样在整个项目开发阶段，可能需要面临几十种匹配组合。
3.随着汽车市场从增量市场变为增量市场，市场竞争加剧，精益开发、开发成本及开发周期成为各整车厂竞争力的体现。因此如何缩短开发周期、又能精准匹配冷却模块的方法成为了各主机厂及冷却系统厂商研究的一个课题。
4.冷却系统匹配的周期和费用通常在风测，冷却系统的匹配分为一次热交换介质匹配(冷却风测)和二次热交换介质匹配(冷却液水侧)，水侧的匹配研究已非常成熟，而风测的快速匹配依然是一个难点。当前各主机厂采用的方法主要有三个：1)依赖于基础改制样车的风量实际测试结果进行匹配2)依赖于数字样车cfd分析手段3)建立自己的开发数据库，通过数据库总结风测预测规律并快速匹配。无论是整车环模舱风量测试、还是cfd及数据库等手段，当存在多种动力总成及多种签发环境时，都需要大量技术积累、多轮计算周期、多次样件及样车测试。周期和费用都是这些方法的局限点。
5.正是基于上述原因，本发明提供了一种利用整车冷却前端风量曲线的冷却系统匹配算法。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用整车冷却前端风量曲线的冷却系统匹配算法，快速并且准确计算前端经过换热器的风量的方法和计算系统，该方法适用于任何车型及造型仅需要一次cfd仿真或一次冷却实验，就可以获得前端风压曲线，在得到这个前端风压曲线后，可以应用于各种冷却模块的匹配中，并快速计算出系统平衡水温。
7.为了实现本发明的目的,本发明采用的技术方案为：
8.本发明公开了一种利用整车冷却前端风量曲线的冷却系统匹配算法，包括如下步骤：
9.步骤s1，确定整车造型和机舱布置，选择具有代表性的动力总成及冷却模块，进行整车摸底测试或cfd风量仿真；
10.步骤s2，在整车环境下，通过仿真及实测，获得三组数据，即在不同的车速下，流经
换交换器的空气流量以及前端的动压风量；通过三组数据拟合整车的前端风压曲线；
11.步骤s3，将在不同车速下测得的流经散热器的风量，拟合出整车的前端风压
△
p
ram
曲线，其表示压力经过前端冷却孔后的压力升，能够作为车速的一个函数，经过前端冷却通道的风压和气流表示为：
[0012][0013]
式(1)中，vr是经过冷却模块的风速，ρ是入口空气密度，
△
pram是指压力经过前端冷却孔、隔栅和发动机舱后上升；
[0014]
步骤s4，前端风压
△
pram使格栅密封&发动机舱的影响和前端模块换器系统的气流隔离开来，能够拟合出前端风压曲线；
[0015]
步骤s5，前端风压曲线为kr＝au＝b，其中u为速比，表示的是不同车速和散热器风速的比值的平方，公式如下：
[0016][0017]
式(2)中，vv是车速，vr是冷却模块风速；
[0018]
步骤s6，所述步骤s4中的前端风压曲线显示了环境、发动机舱和车底的风阻，不包括换热器的影响，由于任何闭合系统内压降之和为0，那么可以确定：
[0019]
△
p
ram
＝
△
p
hx

△
p
fan
；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0020]
步骤s7，通过台架测试，得到任何一款冷却模块中热交换器的风阻特性和风扇的性能特性；如果把换热器压降和冷却风扇压力上升作为冷却模块空气流量的一个函数，那么结合以上公式和风压曲线图，就可推导出任何车速下的任何一个冷却模块风速；步骤s8，通过动力经济性计算，匹配出发动机和变速箱的工作点，所述工作点包括发动机转速、功率、档位及传动效率；
[0021]
步骤s9，在得到动力系统匹配点后，通过台架测试或仿真可获得需要散掉的热量，以及经过冷却模块的冷却液流速，根据该流率能够推算出系统整个传热系数；
[0022]
步骤s10，在拿到整个系统的传热系数后，可用来计算冷冻液入口温度(顶端软管温度)和空调压头：
[0023][0024]
式(4)中，为空气质量流率，c
p
是空气热容量，tc是冷却液入口温度(顶端管温度)，t
air
是空气入口温度，q
rej
是从发动机到冷却液的散热率。
[0025]
本发明的有益效果在于：
[0026]
(1)本发明仅需要一次cfd仿真或一次冷却实验，就可以获得前端风压曲线，在得到这个前端风压曲线后，可以应用于各种冷却模块的匹配中，并快速计算出系统平衡水温；
[0027]
(2)当整车签发工况调整(如环境温度、负荷及坡度车速等)，或冷却模块重新选型时，仅需重新调整以上步骤即可快速简单获得新的热平衡温度，而不需重新进行整车cfd或
整车实验。
附图说明
[0028]
图1为本发明的前端风压曲线图；
[0029]
图2为本发明的风扇及热交换器的p-q曲线；
[0030]
图3为本发明的冷却空气流率函数曲线图；
[0031]
图4为本发明的车速为8.33m/s时的冷却模块匹配点；
[0032]
图5为本发明的散热器的传热率示意图。
具体实施方式
[0033]
下面对本发明进一步说明：
[0034]
请参阅图1-5，
[0035]
本发明公开了一种利用整车冷却前端风量曲线的冷却系统匹配算法，包括如下步骤：
[0036]
步骤s1，确定整车造型和机舱布置，选择具有代表性的动力总成及冷却模块，进行整车摸底测试或cfd风量仿真；
[0037]
步骤s2，在整车环境下，通过仿真及实测，获得三组数据，即在不同的车速下，流经换交换器的空气流量以及前端的动压风量；通过三组数据拟合整车的前端风压曲线；
[0038]
步骤s3，将在不同车速下测得的流经散热器的风量，拟合出整车的前端风压
△
p
ram
曲线，其表示压力经过前端冷却孔后的压力升，能够作为车速的一个函数，经过前端冷却通道的风压和气流表示为：
[0039][0040]
式(1)中，vr是经过冷却模块的风速，ρ是入口空气密度，
△
pram是指压力经过前端冷却孔、隔栅和发动机舱后上升；
[0041]
步骤s4，前端风压
△
pram使格栅密封&发动机舱的影响和前端模块换器系统的气流隔离开来，能够拟合出前端风压曲线，如图1所示；
[0042]
步骤s5，前端风压曲线为kr＝au＝b，其中u为速比，表示的是不同车速和散热器风速的比值的平方，公式如下：
[0043][0044]
式(2)中，vv是车速，vr是冷却模块风速；
[0045]
步骤s6，所述步骤s4中的前端风压曲线显示了环境、发动机舱和车底的风阻，不包括换热器的影响，由于任何闭合系统内压降之和为0，那么可以确定：
[0046]
△
p
ram
＝
△
p
hx

△
p
fan
；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0047]
步骤s7，通过台架测试，得到任何一款冷却模块中热交换器的风阻特性和风扇的性能特性；如果把换热器压降和冷却风扇压力上升作为冷却模块空气流量的一个函数，那
么结合以上公式和风压曲线图，就可推导出任何车速下的任何一个冷却模块风速；步骤s8，通过动力经济性计算，匹配出发动机和变速箱的工作点，所述工作点包括发动机转速、功率、档位及传动效率；
[0048]
步骤s9，在得到动力系统匹配点后，通过台架测试或仿真可获得需要散掉的热量，以及经过冷却模块的冷却液流速，根据该流率能够在图3中推算出系统整个传热系数；
[0049]
步骤s10，在拿到整个系统的传热系数后，可用来计算冷冻液入口温度(顶端软管
[0050]
温度)和空调压头：
[0051][0052]
式(4)中，为空气质量流率，c
p
是空气热容量，tc是冷却液入口温度(顶端管温度)，t
air
是空气入口温度，q
rej
是从发动机到冷却液的散热率。
[0053]
风扇压升曲线:指的是风扇的特性曲线，即风扇的风压-风量曲线，也成为p-q曲线。这是冷却模块风量的重要决定因素，尤其是怠速的风量，完全依赖于风扇的p-q曲线提供冷却风量。p指的是风扇前后的压力差，如图2所示：风扇的风量会随着风压的增加而减小，直至为0.风量在经过风扇时，是一个升压的过程。
[0054]
热交换器的阻力曲线:指的是热交换器的阻力特性曲线，及各热交换器如冷凝器、散热器的阻力特性。也是一个p-q曲线，如图2所示，该曲线的规律是随着流经热交换器的流量增加，压力降低。这是一个降压过程。
[0055]
前端风压曲线：独立于热交换器降压和风扇升压之外的，就是本发明重点阐述和运用的前端风压曲线，这是一个升压过程。
[0056]
实施例：假设由于更换了动力总成，我们需重新匹配一款散热器和风扇，以一个不带冷凝器的前端模块为例(若带冷凝器，需叠加热交换器的风阻)。
[0057]
一、先获得风扇p-q曲线和散热器风阻曲线，如图2所示。
[0058]
二、确定样车签发条件：车速为30km/h(8.33m/s)，环境温度为27℃。经动力性计算，发动机速度为3400rpm。在此条件下，经台架实测或仿真，获得冷却液流率应为0.916升/秒，散热率为22.9kw.。
[0059]
三、车子速度为8.33m/s时，图1所示的前端风压图可重新绘制，作为冷却空气流率的一个函数——假设我们选型的散热器尺寸为0.026m2。
[0060]
四、如图4所示，生成最终的阻力图——得到冷却模块空气流量。把前端压力图和我们期望选型的风扇压力上升图p-q加在一起，可得出最终的压力升图。压力升图和散热器的压力降图的交点，即为散热器的工作点。图中交点的冷却模块流率为0.31m3/s。
[0061]
五、计算散热器的传热率，对照图5，以下传热率适用于任何一款散热器。
[0062]
六、推算出热平衡温度。图5散热器的传热率图中，空气流率0.31m3/s，冷却液流率0.916kg/s(第2步可得到)，散热器的传热效率为0.78.用传热率为22.9kw的热平衡公式4，可推出在车速为8.33m/s时，预测的热平衡温度为124℃。七、当整车签发工况调整(如环境温度、负荷及坡度车速等)，或冷却模块重新选型时，仅需重新调整以上步骤即可快速简单获得新的热平衡温度，而不需重新进行整车cfd或整车实验。
[0063]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发
明说明书及附图内容所作的等同变换或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。