冷却系统的合理设计与匹配是整车设计中一项非常重要的工作,发动机要能稳定可靠地持久运行,其必须得到适度冷却,既不能冷却不足又不能冷却过度,否则会对发动机的动力性、经济性、整车可靠性产生严重不利影响。通常而言,发动机处于最适宜工作温度下,其缸体水套中冷却液的温度为85℃～95℃,此时发动机燃烧效率最高、燃油经济性能最佳。拥有好的发动机并不等于开发出了好的整车动力,好的发动机没有产生好的动力,冷却系统的设计合理性是发动机问题排查的关键路径之一。本课题研究的是发动机冷却系统匹配开发及验证方法,基于某公司开发的一款全新轻卡车型搭载的五十铃高端柴油机。原型柴油机的基本状态为:额定功率为110kW,最大扭矩为385N.m,达到国5排放水平,使用的后处理技术路线为DOC+DPF+SCR,引入国内后,因法规差异、市场需求不同,对发动机进行了技术升级:额定功率提升到125kW,最大扭矩增加至450N.m,达到国6b的排放水平,同时,对高压油泵、高压油轨和喷油器等关键零部件进行了本地化开发,因性能更改、关键性能零件差异,发动机的热负荷出现了较大变化,原日方车辆匹配的冷却系统不能适用在本项目,并且因日方开发的冷却系统对零部件加工精度和装配工艺要求高,在国内开发存在较大质量风险,综合冷却系统开发的各项差异,本课题研究项目的冷却系统需要全新开发匹配和验证。在开发匹配和验证本课题冷却系统中,按照如下步骤进行研究和分析:第一步,利用CATIA模型,完成冷却系统电子样机的布置。对冷却系统进行初步布置,设定整车边界,根据发动机布置位置,在整车上基本确定散热器、中冷器的布置,并根据散热器与发动机的位置关系,确定冷却系统型式,采用开式水冷系统。第二步,理论计算与CFD分析相结合,对冷却系统进行性能匹配。根据发动机排量、额定功率,结合供应商的现有产品系列,选出一款散热器芯体和中冷器芯体。制作散热器样件,进行基本性能测试,得出在不同流量、不同风速下的散热量大小,据此可以得出,散热器的水阻特性、风阻特性;通过散热器水阻估算整车水阻,选取合适的水泵;结合已知水泵传动比1.247、极限工况转速(发动机额定功率点转速2800rpm、最大扭矩点转速1800rpm),可以得出在极限工况下,发动机的流量大小,再根据极限工况的流量。利用CFD辅助设计,可以得出极限工况下的风速大小,进而可以得出极限工况下的散热量大小。根据经验计算公式,可以计算出发动机在极限工况下的发热量,把散热器极限工况下的散热量与发动机发热量比对,高出约20%,满足使用要求,20%左右的性能裕度为理论计算的经验总结。第三步,合理设置工况,通过环模试验,系统验证冷却系统性能匹配合理性,同时,通过道路试验,验证环模试验结果的有效性。本项目轻卡平台匹配不同吨位(轻载4.5t、标载6t、重载7.5t),并且使用工况复杂,本项目的使用环境覆盖中国全境,既包含吐鲁番(40℃以上)又包含漠河(-35℃以下),既包含格尔木(海拔3500m以上)又包含云贵山区,既包含西北干燥环境下的高速公路也包含海南潮湿环境下的高速公路。通过合理设计试验工况,验证的冷却系统可以覆盖全部的使用范围。本课题设计的验证工况共有8个,分别为100km/h的持续高速工况、最大扭矩点工况、最大功率点工况、110km/h的超高速工况,以及以上4个工况结束后的后沸腾工况。在验证过程中,重点关注发动机缸体内冷却液温度和发动机油底壳中的机油温度。通过道路试验测试结果比对,与环模试验结果吻合,进一步证明环模试验合理有效。第四步,为保证冷却系统耐久可靠,设计台架试验对冷却系统的关键零部件进行强化考核。冷却系统的关键零部件为散热器、中冷器,本课题设计了扫频振动试验、爆破试验、高温脉冲试验、振动耐久试验、外部腐蚀耐久试验,试验结果表明,散热器和中冷器都通过了台架耐久试验。本项目组织了整车可靠性耐久考核,分别在襄阳试验场和海南试验场进行,两地都进行了 45000km的多路况试验,冷却系统未出现试验失效故障。通过对本项目车型冷却系统进行系统分析与研究,结合CFD工具辅助设计,保证整车冷却系统工作合理,探索了一套理论计算的性能匹配方法,和一套完整的环模试验验证方法,为后续轻卡车型项目的开发提供理论依据和验证实践参考。