乘用車發(fā)動機前艙溫度場優(yōu)化

劉國慶 楊萬里 鄧曉龍

1.天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室，天津，300072

2.奇瑞汽車股份有限公司，蕪湖，241009

0 引言

隨著人們對動力性和燃油經(jīng)濟性的需求越來越高以及排放法規(guī)日趨嚴(yán)格，當(dāng)前發(fā)動機強化程度也越來越高［1］，這導(dǎo)致發(fā)動機在前艙內(nèi)散熱量也顯著增加。而現(xiàn)代汽車外形都是以流線型為主，汽車前艙設(shè)計越來越緊湊，艙內(nèi)氣流組織也愈發(fā)困難，導(dǎo)致前艙內(nèi)部件因過熱而失效的風(fēng)險顯著增加，極端情況下甚至出現(xiàn)自燃現(xiàn)象，嚴(yán)重影響整車安全性。因此在整車前艙布置設(shè)計時，合理優(yōu)化前艙內(nèi)空氣流場分布十分重要。

近年來隨著流體計算技術(shù)和計算機硬件迅速發(fā)展，基于計算流體力學(xué)（CFD）模擬仿真技術(shù)的整車前艙流場和溫度場傳熱分析越來越受到關(guān)注，通過該方法可獲得前艙內(nèi)詳細(xì)流場和溫度場分布，在設(shè)計前期對前艙布置設(shè)計進(jìn)行分析和指導(dǎo)。當(dāng)前，在國外汽車整車開發(fā)中前艙流場分析已完全嵌入到其整車開發(fā)流程中［2－5］，福特公司甚至專門開發(fā)了一款CFD軟件UH3D用于該類問題的處理［6］，國內(nèi)關(guān)于此方面的研究與應(yīng)用也逐漸增多［7－10］。

由于前艙內(nèi)零部件非常多，在保留所有特征的條件下對前艙流場進(jìn)行CFD模擬時計算量非常大，因此實際仿真時通常會對前艙模型進(jìn)行大量簡化，且往往忽略熱輻射等方面的影響，單從流場或溫度場方面進(jìn)行定性分析。但艙內(nèi)關(guān)鍵部件失效往往是因其離熱源太近、受到大量熱輻射造成的，因此輻射換熱在前艙溫度場分析中占重要地位。本文針對實際整車前艙熱管理試驗開發(fā)中出現(xiàn)的具體問題，對前艙和整車流場進(jìn)行了模擬，同時采用以前期試驗得到的關(guān)鍵熱源溫度為熱邊界條件、問題部件采用絕熱邊界的方法，且考慮輻射換熱的影響，對前艙溫度場進(jìn)行模擬，得到問題部件壁面溫度場分布，找出問題部件溫度超標(biāo)的主要原因并提出解決方案，并對解決方案進(jìn)行了詳細(xì)優(yōu)化。在前艙CFD分析時，保留了整車和前艙內(nèi)大部分關(guān)鍵部件的基本特征，同時采用專項試驗獲得了散熱器、冷凝器等部件準(zhǔn)確的換熱和流動特性參數(shù)，確保了分析精度。

1 問題描述

在某搭載渦輪增壓直噴發(fā)動機的整車前艙熱管理試驗開發(fā)過程中，傳動軸油封和蓄電池表面的溫度超標(biāo)，前期采用多種隔熱方案未能有效解決問題，嚴(yán)重影響整車安全和部件壽命，圖1所示為溫度超標(biāo)測點位置，表1所示為實測溫度超標(biāo)情況（測量環(huán)境：速度40km/h，坡度12%，環(huán)境溫度45℃）。

圖1 傳動軸油封和蓄電池表面溫度測點

表1 傳動軸油封和蓄電池表面溫度測量值 ℃

2 仿真分析模型

2.1 計算模型

計算流域參照前艙溫度場試驗臺架，包括整車外流場和發(fā)動機艙內(nèi)流場。外流場模型除底盤部件進(jìn)行適當(dāng)簡化外，其余均按實際模型建立；前艙內(nèi)主要部件基本保留，重點熱源、溫度超標(biāo)問題點附近流域按實際模型建立，其他區(qū)域在盡量不影響流場分析結(jié)果的情況下進(jìn)行適當(dāng)簡化，散熱器、冷凝器及中冷器則忽略內(nèi)部形狀，按多孔介質(zhì)模型處理。

計算采用四面體網(wǎng)格，首先利用HYPERMESH軟件生成面網(wǎng)格模型，再讀入TGRID軟件加邊界層并生成流體網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)目約800萬，圖2所示為整車及艙內(nèi)表面網(wǎng)格。

圖2 整車及艙內(nèi)表面網(wǎng)格

2.2 模型的建立

前艙內(nèi)散熱器、中冷器、冷凝器等內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，由很多小換熱管道或翅片組成，完全按照實際情況詳細(xì)建立其內(nèi)部流動和傳熱模型十分困難，因此采用Darcy定律將其簡化為一維多孔介質(zhì)模型，公式如下：

其中，α、β為用戶定義參數(shù)，p為壓力，v為氣流速度，x為坐標(biāo)變量。換熱模型采用NTU（傳熱單元數(shù)）模型，實際熱流量q［11］的計算公式為

式中，Tin，hot、Tin，cold為冷卻液 和 進(jìn) 風(fēng) 的 溫 度，根 據(jù) 試 驗 條件確定；Cr為熱容比，Cmin取冷端和熱端熱容小值；Ntu為傳熱單元數(shù)；ε為換熱器效能。

多孔模型和換熱模型具體參數(shù)根據(jù)相應(yīng)性能特性專項試驗確定，圖3中虛線所示為冷卻液流量為80L/min時換熱部件散熱特性曲線，用于計算Ntu，繼而得到ε；實線為風(fēng)阻特性曲線，用于計算多孔屬性參數(shù)α、β值。

汽車前艙風(fēng)扇內(nèi)空氣流動可簡化為穩(wěn)態(tài)勻速旋轉(zhuǎn)流動，為此詳細(xì)建立了風(fēng)扇葉片網(wǎng)格模型，并采用MRF模型進(jìn)行模擬，葉片轉(zhuǎn)速根據(jù)試驗時實際轉(zhuǎn)速給定。

2.3 邊界條件

圖3 換熱部件風(fēng)阻與換熱特性試驗曲線

計算域進(jìn)口參照試驗條件設(shè)定速度入口邊界和溫度，出口給定壓力邊界條件。艙內(nèi)主要熱源根據(jù)試驗測量結(jié)果給定溫度邊界，重點關(guān)注區(qū)域（油封和蓄電池表面）則給定絕熱邊界以求解其表面溫度分布。輻射換熱是前艙內(nèi)主要熱交換方式之一，計算采用離散坐標(biāo)（DO）輻射傳熱模型［12］。

2.4 湍流模型

在恒定試驗工況下，汽車外流場及前艙內(nèi)流場可假定為三維定常無壓縮湍流運動，其流動和傳熱過程遵守質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒定律［13］，湍流的求解則采用 RNGk－ε模型，相比標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型，RNGk－ε模型考慮了渦流對湍流的影響，對湍流普朗特數(shù)進(jìn)行了解析求解，并在耗散率求解方程中額外增加了一項，因此具有更高的精度。

3 計算仿真結(jié)果分析及優(yōu)化

3.1 計算結(jié)果分析

在建立內(nèi)外流場計算域分析模型后，采用FLUENT軟件對其進(jìn)行了計算，為了加快計算速度，首先求解速度、壓力方程，收斂后再求解能量方程和輻射換熱方程。

圖4為未隔熱情況下傳動軸油封附近速度切片圖，油封離高溫?zé)嵩矗ㄈ呋鳎┖芙浔砻嬉蜉椛鋼Q熱獲得大量熱量，而油封附近速度很?。ㄐ∮?m/s），氣流很難有效將其表面熱量帶走，繼而導(dǎo)致溫度超標(biāo)。

圖4 傳動軸油封附近速度流場分布

圖5為蓄電池附近速度切片圖。從圖中可以看出，外流空氣經(jīng)散熱器、冷凝器及風(fēng)扇后的回流現(xiàn)象非常嚴(yán)重，造成空氣被循環(huán)加熱，部分加熱后的氣流直接吹向蓄電池，導(dǎo)致了其表面溫度超標(biāo)。

3.2 前艙溫度場優(yōu)化

由于傳動軸油封離熱源很近而附近流速很低，僅通過隔熱很難徹底解決熱量聚集的問題，必須有效改善油封附近空氣流動狀態(tài)，為此考慮在發(fā)動機前艙下護(hù)板前端增加引風(fēng)口，并在傳動軸油封附近增加導(dǎo)流機構(gòu)，將外流冷風(fēng)引入并導(dǎo)向油封，將熱量帶走。

采用CFD模擬仿真對該方案進(jìn)行了優(yōu)化分析，結(jié)果顯示導(dǎo)流槽位置、頂端寬度以及兩側(cè)側(cè)翼導(dǎo)流板與來流夾角對油封附近流場影響很大：導(dǎo)流槽離引風(fēng)口過遠(yuǎn)時，外流冷風(fēng)會直接越過傳動軸，無法在油封附近形成足夠強的氣流；而側(cè)翼導(dǎo)流板與來流角度過小或?qū)Я鞑垌敳窟^窄則會導(dǎo)致油封附近氣流方向與油封方向平行而無法達(dá)到預(yù)定冷卻效果（實際油封位置略微向內(nèi)凹陷，如圖1所示，氣流平行越過時，油封附近會存在流動死區(qū)），經(jīng)過多輪優(yōu)化，最終優(yōu)化方案如圖6所示，限于篇幅在此僅列出最終優(yōu)化方案模擬計算結(jié)果。

圖6 下護(hù)板優(yōu)化方案示意圖

圖7和圖8分別為最終優(yōu)化方案油封附近流場分布和氣流流線圖，由圖可知，外環(huán)境冷空氣（45℃）從下護(hù)板前段入口引入，經(jīng)導(dǎo)流機構(gòu)引導(dǎo)以很高的流速（7～8m/s）流經(jīng)傳動軸油封附近，并吹向三元催化器，改善了油封附近空氣流動狀態(tài)，有效降低了油封處溫度；同時強氣流還顯著降低了三元催化器靠油封側(cè)的表面溫度，繼而減少了其對外輻射的熱量，這樣可進(jìn)一步降低油封溫度。

圖7 最終優(yōu)化方案油封附近速度流場分布

圖8 最終優(yōu)化方案油封附近氣流流線圖

圖9所示為優(yōu)化方案與原方案傳動軸油封附近壁面溫度場模擬結(jié)果的對比，原方案左側(cè)油封溫度明顯高于其溫度限制（120℃），右側(cè)油封平均溫度也接近110℃，這與前期試驗結(jié)果趨勢一致；而優(yōu)化方案左右側(cè)油封溫度都明顯降低，大部分區(qū)域溫度均低于90℃。表2為優(yōu)化前后油封試驗測點位置的溫度計算結(jié)果對比，與原方案相比，優(yōu)化方案左右油封測點位置的計算溫度分別降低了68℃和30℃。

圖9 優(yōu)化方案與原方案傳動軸油封壁面溫度分布對比

表2 優(yōu)化前后傳動軸油封測點計算溫度對比 ℃

由前面分析可知，經(jīng)整車?yán)鋮s系統(tǒng)的空氣因回流被循環(huán)加熱，再與蓄電池表面以對流換熱方式進(jìn)行熱交換是造成蓄電池表面溫度超標(biāo)的主要原因，因此降低蓄電池表面溫度可采用兩種途徑：①采用密封擋板截斷回流或優(yōu)化冷卻系統(tǒng)，降低來流溫度；②改變兩者之間的熱量傳遞路徑或傳遞方式。圖10所示為原方案與加密封擋板方案前艙流體溫度場分布對比，圖11所示為對應(yīng)蓄電池壁面溫度場分布對比，由圖可知，通過擋板截斷回流后，蓄電池附近流體溫度明顯降低，其表面整體溫度也有所下降，但由于來流溫度仍然較高（大于80℃），優(yōu)化方案蓄電池表面部分區(qū)域計算溫度仍然略微偏高或接近臨界限值。

圖10 加密封板方案與原方案前艙溫度場分布對比

圖11 加密封板方案與原方案蓄電池表面溫度對比

考慮到加密封板方案在實車上布置困難且不能完全消除蓄電池溫度超標(biāo)問題，而通過冷卻系統(tǒng)優(yōu)化降低來流溫度難度更大，因此考慮在蓄電池罩蓋上集成隔熱導(dǎo)流機構(gòu)，改變熱量傳遞路徑和傳遞方式來降低蓄電池表面溫度?；舅悸啡缦拢涸桨感铍姵乇砻嬷饕獡Q熱方式為與經(jīng)散熱器和冷凝器后熱風(fēng)間的對流換熱，在蓄電池和加熱后的氣流間增加隔熱導(dǎo)流板后，蓄電池壁面換熱方式則轉(zhuǎn)化為與隔熱導(dǎo)流板間的輻射換熱，而此處空氣溫度整體較低（約90℃），隔熱導(dǎo)流板溫度也相應(yīng)較低，因此隔熱導(dǎo)流板對外輻射熱量很少，這樣可有效降低蓄電池表面從外界獲得的熱量。方案示意圖見圖12，該方案要求導(dǎo)流隔熱板與蓄電池保證一定間隙，否則換熱方式將由輻射換熱變?yōu)闊醾鲗?dǎo)，而達(dá)不到預(yù)期效果，由于導(dǎo)流隔熱板與蓄電池間的間隙很?。s1～2mm），進(jìn)行模擬仿真時建模困難，分析精度很難保證，因此該方案的有效性將在試驗中進(jìn)行驗證。

圖12 降低蓄電池表面溫度優(yōu)化方案示意圖

4 優(yōu)化方案的前艙溫度場試驗

為驗證優(yōu)化方案最終效果，試制了帶導(dǎo)流隔熱功能的蓄電池罩蓋和帶引風(fēng)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的發(fā)動機下護(hù)板（圖13），并進(jìn)行了前艙溫度場試驗，同時試驗時還對圖10中加密封板方案進(jìn)行了驗證，試驗測試工況和原方案相同，且在同一輛車上完成。由于油封附近結(jié)構(gòu)緊湊且傳動軸本身為運動件，溫度傳感器的布點十分困難，因此只在具有代表性的區(qū)域進(jìn)行單點測量，測點位置選擇在靠近熱源（三元催化器）附近區(qū)域，優(yōu)化前后測點位置相同，如圖1所示。而對于蓄電池表面，加蓄電池罩蓋后罩蓋與蓄電池間氣流運動很弱，可認(rèn)為蓄電池表面溫度分布相對均勻，因此在蓄電池靠熱風(fēng)側(cè)的中間位置進(jìn)行布點測量（如圖1和圖13所示）。

圖13 最終優(yōu)化方案實物圖

表3為原方案和優(yōu)化方案測點溫度測量結(jié)果對比，可以看出（與表2、圖11對比），仿真計算結(jié)果與試驗測量結(jié)果非常一致。相比原方案，傳動軸油封兩側(cè)測點溫度均降低至90℃以下，其中左側(cè)油封溫度降幅達(dá)66℃，右側(cè)油封也降低了31℃；加隔熱導(dǎo)流板方案后蓄電池表面溫度降幅達(dá)22℃，而加密封板方案則僅降低了8℃。由此可知采用圖13中的優(yōu)化方案可有效解決該車前艙溫度場問題。

表3 傳動軸油封和蓄電池表面溫度測量值 ℃

5 結(jié)論

（1）通過CFD前艙流場分析找到了溫度場超標(biāo)的主要原因：原方案經(jīng)散熱器吹向蓄電池表面的空氣因回流被循環(huán)加熱是導(dǎo)致蓄電池表面溫度超標(biāo)的主要原因，而傳動軸油封表面溫度超標(biāo)則是由于離熱源很近且附近空氣滯流造成的。

（2）在進(jìn)行前艙溫度場模擬時，采用關(guān)鍵熱源溫度邊界條件按前期試驗測量結(jié)果給定、重點關(guān)注區(qū)域（如文中傳動軸油封和蓄電池表面）給定絕熱邊界的方法，并考慮輻射換熱的影響，可比較準(zhǔn)確地對重點關(guān)注區(qū)域溫度分布進(jìn)行預(yù)測，從而對優(yōu)化方案最終降溫效果進(jìn)行定量評估，指導(dǎo)后期試驗。

（3）合理組織前艙內(nèi)氣流運動對整車前艙布置十分重要，隨著發(fā)動機強化程度越來越高，單純靠隔熱措施往往很難有效解決發(fā)動機前艙溫度場問題，而需采用導(dǎo)流與隔熱相結(jié)合的思路。通過在下護(hù)板上增加引流導(dǎo)風(fēng)裝置和在蓄電池罩蓋上增加隔熱導(dǎo)流裝置的方案從根本上分別解決了原車前艙傳動軸油封和蓄電池表面溫度超標(biāo)問題。

（4）在整車開發(fā)前期需對整車?yán)鋮s系統(tǒng)（風(fēng)扇、中冷器、散熱器）回流現(xiàn)象予以重視，否則來流空氣會因循環(huán)加熱導(dǎo)致溫度升高，不僅會降低整車?yán)鋮s系統(tǒng)換熱效率，同時還易導(dǎo)致發(fā)動機前艙溫度場問題，繼而大大增加后期整改成本和難度。

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