乘用車機艙溫度優(yōu)化研究

雷冰芬，房拴虎，潘師民，陳　紀

（1.東風汽車股份有限公司商品研發(fā)院，湖北　武漢　430057；2.東風汽車集團技術中心，湖北　武漢　430057）

Lei Bingfen1，F(xiàn)ang Shuanhu2，Pan Shimin1，Chen Ji1

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乘用車機艙溫度優(yōu)化研究

雷冰芬1，房拴虎2，潘師民1，陳紀1

（1.東風汽車股份有限公司商品研發(fā)院，湖北武漢430057；2.東風汽車集團技術中心，湖北武漢430057）

Lei Bingfen1，F(xiàn)ang Shuanhu2，Pan Shimin1，Chen Ji1

摘要：為了解決某款乘用車機艙溫度過高的問題，首先通過在機艙內(nèi)特定點布置溫度傳感器進行實際測試，然后應用CFD軟件對發(fā)動機機艙進行熱管理的流體仿真分析，找出造成機艙溫度高的主要原因，根據(jù)測試結(jié)果對影響機艙溫度的零部件總成進行改進設計。結(jié)果表明：優(yōu)化電子風扇參數(shù)、改進格柵結(jié)構(gòu)和改變機艙內(nèi)氣流路徑可以解決機艙溫度過高的問題，提高系統(tǒng)的散熱效率。

關鍵詞：機艙溫度；CFD；優(yōu)化

0　引　言

發(fā)動機艙是研究熱管理的重要區(qū)域，一方面發(fā)動機主要熱源集中在機艙內(nèi)，高溫熱源所散發(fā)的熱量對部分零件如冷凝器、散熱器等造成很大的影響；另一方面在布置空間緊張的機艙內(nèi)，如果流場設計不當，氣流不能有效地帶走熱源散發(fā)出的熱量，則容易在發(fā)動機艙內(nèi)產(chǎn)生渦流造成局部溫度過高。針對某款車型機艙溫度過高造成空調(diào)冷卻效果不佳的問題，通過采集機艙內(nèi)多點溫度數(shù)據(jù)，運用CFD分析軟件建立發(fā)動機艙熱管理模型，對機艙流場進行模擬分析，并將實際測試數(shù)據(jù)與理論分析相結(jié)合，分析影響機艙溫度高的主要原因，成功解決了機艙溫度高的問題，提高了整車熱管理系統(tǒng)的散熱效率。

1　問題解析

1.1結(jié)構(gòu)布置

研究對象為一款7座MPV，搭載排量2.0L、怠速（750±50）r/min的汽油發(fā)動機的自動擋車型，當空調(diào)壓縮機開啟后發(fā)動機怠速提高到900r/min，考慮機艙內(nèi)空間位置和艙內(nèi)流場分布，冷卻系統(tǒng)在機艙內(nèi)布置采用高低速控制的吹風式雙電子風扇，變速箱機油冷卻器集成于散熱器內(nèi)，結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

1.2機艙溫度測試

由于車輛在行駛后怠速狀態(tài)下出現(xiàn)自動變速箱油溫報警、高速風扇持續(xù)運轉(zhuǎn)，機艙溫度明顯高于其他同類型車輛，所以對該車型和競品車型機艙溫度進行數(shù)據(jù)采集，測點位置按圖2方式布置。第1、2處布置在發(fā)動機罩蓋上方50mm的前后，在發(fā)動機右懸置和前懸置上方50mm處布置第3、4測點，發(fā)電機上方50mm處布置第5個測點，油底殼前端向下50mm處和變速箱上50mm處分別設置第6、7測點。

圖2　測點位置

考慮車輛前格柵和發(fā)動機下護板對機艙流場的影響，試驗分別按保留前格柵和下護板，取消前格柵和下護板2種方案進行，試驗時環(huán)境溫度為（30±0.5）℃空調(diào)開啟，冷卻風扇高速運轉(zhuǎn)，同時采集本項目（A）與競品車項目（B）溫度數(shù)據(jù)，具體如表1所示。

從以上數(shù)據(jù)可以看出發(fā)動機原地怠速時，熱氣流方向從散熱器吹向排氣管后（向發(fā)動機上方）流動，在氣缸罩蓋上方（測點1、測點2）形成高溫區(qū)，拆掉前格柵后由于進風干擾減小使該區(qū)域溫度降低7～8℃，整個機艙內(nèi)溫度最高點出現(xiàn)在變速箱上方（測點7）處。另外從數(shù)據(jù)中觀察測點5、測點6溫度可能存在異常，在保留格柵時拆下發(fā)動機下護板溫度高于保留發(fā)動機下護板溫度，但在取消格柵時測點6拆下發(fā)動機下護板溫度低于保留發(fā)動機下護板溫度，其他測點溫度差異不大，可能此處流場發(fā)生改變，需要進一步對機艙進行流場分析以查找原因。

表1　機艙測點溫度℃

1.3機艙流場分析

1.3.1計算模型及邊界條件

根據(jù)整車的布置情況并結(jié)合冷卻包的初步分析，計算域的尺寸為4m×3m×1.4m，采用切割體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為1853581。分析中設置了計算的邊界條件，計算域出入口均為壓力出口，其他壁面均為滑移壁面。電子風扇的轉(zhuǎn)速為1400r/min，散熱器和冷凝器采用多孔介質(zhì)模型來模擬。散熱器的慣性阻力系數(shù)為122.5kg/m4，粘性系數(shù)為531.5kg/(m3s)；冷凝器的慣性阻力系數(shù)為100kg/m4，粘性系數(shù)為500kg/(m3s)。分析工況為車輛怠速工況，計算模型如圖3、圖4所示。

圖3　機艙內(nèi)網(wǎng)格面

圖4　冷卻包網(wǎng)格面

1.3.2計算結(jié)果分析

首先分析整車中心Y平面切過發(fā)動機排氣管所形成的截面，如圖5、圖6所示。

圖5　流線分布圖

圖6　流速分布圖

根據(jù)圖5、圖6分析結(jié)果可知，氣流進入機艙后流經(jīng)發(fā)動機吸收熱量后在1、2處形成渦流，熱空氣無法順利排出。在風扇前端上方3處存在氣流二次冷卻現(xiàn)象，車頭格柵下方進氣口進氣利用率比較高，機艙冷卻包下方有進氣，增加了機艙空間的氣流量。圖7中可以看出，2處的氣流可以順利排出，而在3處風速較低，氣流流通不暢。

進一步分析整車中心Z平面切過發(fā)動機排氣歧管所形成的截面，如圖7、圖8所示。

圖8　流速分布圖

圖7、圖8分析結(jié)果可知，冷卻包左右兩側(cè)（圖7中1、2兩處）存在渦流和氣流二次冷卻現(xiàn)象，不利于機艙內(nèi)氣流散發(fā)出去。在發(fā)動機左后方（圖7中3處）氣流未能充分利用，圖8中1、2兩處風速較低是氣流不能有效利用的主要原因。

2　優(yōu)化措施及驗證

2.1增加擋風板

在風扇左右兩側(cè)及上側(cè)增加擋風板，減少進入機艙上方的氣流量，盡量避免氣流產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，提高系統(tǒng)的進風效率。在機艙下方增加空氣導流罩，使熱空氣有效地導出，進一步降低機艙溫度。

2.2調(diào)整前格柵導風板角度

根據(jù)前面數(shù)據(jù)測試表明，格柵對機艙溫度的影響比較大，格柵導風板的角度設計是否合理直接影響進氣量和氣流方向。由于在機艙上方出現(xiàn)大量空氣產(chǎn)生渦流的情況，故將導風板傾斜角度向下調(diào)整2°，使通過散熱器正面積的有效氣流增加。

2.3改進驗證結(jié)果

將上述一系列改進措施應用在整車中，通過試驗測試效果非常明顯，不但降低了機艙內(nèi)的溫度，而且使系統(tǒng)的散熱能力增強，空調(diào)效果也得到改善。驗證結(jié)果如表2所示。

表2　改進后機艙測點溫度℃

3　結(jié)束語

在設計研發(fā)過程中通過理論匹配、軟件分析、試驗驗證等一系列嚴格的流程來解決出現(xiàn)的問題，具體總結(jié)如下：

1）熱管理系統(tǒng)設計前需要對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通過計算機分析模擬流場分布、氣流速度和溫度分布，為設計提供理論依據(jù)。

2）試驗測試必須結(jié)合理論分析，通過測試結(jié)果來驗證理論分析的準確度，反過來可以為熱管理系統(tǒng)設計理論積累經(jīng)驗。

3）研究結(jié)果所采取的改變格柵導風板角度、冷卻包周邊增加擋風板和機艙下部設計導流罩等方法對解決熱管理問題非常有效，為后續(xù)設計提供了參考方法。

參考文獻

[1]將光福.汽車發(fā)動機艙散熱特性研究[J].汽車科技.2006（05）：18-23.

[2]陳濤，諸葛偉林，趙凱，等.發(fā)動機熱管理的系統(tǒng)整體熱流分析研究[C].中國內(nèi)燃機學會，2005.

收稿日期：2015?08?28

文章編號：1002-4581（2016）01-0025-04

中圖分類號：U462.3

文獻標志碼：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2016.01.007