發(fā)動(dòng)機(jī)艙布局對(duì)氣熱流場(chǎng)的影響研究

劉暢++蔡國(guó)慶

摘 要：隨著當(dāng)今汽車(chē)工業(yè)的不斷進(jìn)步，汽車(chē)前艙的散熱效果成為影響汽車(chē)油耗的重要因素之一，本文從實(shí)驗(yàn)角度出發(fā)，研究汽車(chē)前艙各個(gè)主要部分布局不同對(duì)汽車(chē)氣熱流場(chǎng)的影響。通過(guò)汽車(chē)前艙主要部件的正交位置不同來(lái)得出結(jié)論。

關(guān)鍵詞：前艙布局；氣熱流場(chǎng)；測(cè)量；節(jié)能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.187

0 前言

隨著我國(guó)的工業(yè)化的快速推進(jìn)，國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視程度日益提高。國(guó)家工業(yè)和信息化部也出臺(tái)了《乘用車(chē)燃料消耗量限值》及《乘用車(chē)燃料消耗量評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)》來(lái)進(jìn)一步加嚴(yán)乘用車(chē)燃料消耗限值，從2017年1月開(kāi)始執(zhí)行。所以車(chē)輛燃油經(jīng)濟(jì)性的進(jìn)一步提高顯得迫在眉睫。此次研究對(duì)汽車(chē)前艙建立氣流場(chǎng)及熱流場(chǎng)，通過(guò)改變前艙各組件的相對(duì)位置進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)一步通過(guò)改進(jìn)汽車(chē)前艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局從而提高車(chē)輛的散熱效能。

1 硬件部分

運(yùn)用SolidWorks完成三維模型的建立，并利用3D打印技術(shù)打印出等比例縮小的實(shí)物，完成物理模型的建立，制作汽車(chē)前艙模型，與汽車(chē)模型大致比例為1：5，模型前端開(kāi)口模擬進(jìn)風(fēng)口，采用導(dǎo)軌移動(dòng)散熱器及發(fā)動(dòng)機(jī)位置，達(dá)到模擬位置變化的目的，采用單片機(jī)控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速?gòu)亩{(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量。

1.1 小比例3D打印模型

本實(shí)驗(yàn)研究將實(shí)際汽車(chē)模型作為建模藍(lán)本，借助SolidWorks搭建了發(fā)動(dòng)機(jī)前艙模型。發(fā)動(dòng)機(jī)前艙內(nèi)的主要包含了散熱器、冷卻風(fēng)扇以及冷卻水管等部件。汽車(chē)前艙格柵后相鄰的便是散熱器和冷卻風(fēng)扇，此區(qū)域也是發(fā)動(dòng)機(jī)前艙完成熱交換的核心區(qū)域，熱交換未處理的熱量還可以通過(guò)左右兩側(cè)繼續(xù)處理，但是通過(guò)左右兩側(cè)繼續(xù)處理的熱量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響不大，在本實(shí)驗(yàn)中便忽略不計(jì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

考慮到真實(shí)汽車(chē)前艙模型過(guò)于復(fù)雜，出于研究成本方面的考慮，所以最終將模型簡(jiǎn)化，采用鋁合金板制作汽車(chē)前艙模型，與汽車(chē)模型大致比例為1：5，模型前端開(kāi)口模擬進(jìn)風(fēng)口，采用導(dǎo)軌移動(dòng)散熱器及發(fā)動(dòng)機(jī)位置，達(dá)到模擬位置變化的目的。

1.3 風(fēng)速控制模塊

由于需要控制風(fēng)速來(lái)模擬實(shí)際不同速度下的工況，設(shè)計(jì)采用220V AC轉(zhuǎn)24V DC模塊、PWM直流電機(jī)調(diào)速器、RS775直流電機(jī)，將220V交流轉(zhuǎn)化為24V直流輸出，再由PWM直流電機(jī)調(diào)速器來(lái)對(duì)RS775直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而組成風(fēng)速控制模塊。

1.4 三組件調(diào)節(jié)部分

三組件的相對(duì)位置以及在前艙中的絕對(duì)位置都會(huì)影響模型的散熱效率，采用軸承式可調(diào)節(jié)固定座對(duì)三組件做非連續(xù)性調(diào)節(jié)，通過(guò)導(dǎo)軌正交分布，將散熱器與發(fā)動(dòng)機(jī)模型置于兩滑軌之上，通過(guò)改變滑軌位置達(dá)到改變其相對(duì)位置的目的，從而可以控制單一變量達(dá)到研究散熱器的位置或者是發(fā)動(dòng)機(jī)位置的目的。。

1.5 測(cè)量電路

實(shí)驗(yàn)需要對(duì)前艙模型內(nèi)的組件取點(diǎn)測(cè)溫，以及對(duì)艙內(nèi)的風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量。其中溫度傳感器采用DS18B20，其優(yōu)點(diǎn)是體積小，抗干擾能力強(qiáng)，應(yīng)用簡(jiǎn)單，只需要一條口線(xiàn)就可以實(shí)現(xiàn)通信、供電等功能。實(shí)驗(yàn)中風(fēng)速的測(cè)量包含兩個(gè)部分：一、前艙模型的進(jìn)風(fēng)風(fēng)速測(cè)量；二、散熱器的進(jìn)風(fēng)風(fēng)速測(cè)量，依次來(lái)推算出經(jīng)過(guò)前艙模型的進(jìn)風(fēng)量以及經(jīng)過(guò)散熱器的進(jìn)風(fēng)量。實(shí)驗(yàn)中在散熱器的上部、下部、前部等三個(gè)部位分別安裝一個(gè)風(fēng)速傳感器，實(shí)驗(yàn)中盡可能的選用小體積的傳感器來(lái)減小體積會(huì)對(duì)氣流造成的影響，進(jìn)而減小實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差。

2 軟件部分

軟件部分分為數(shù)據(jù)采集和風(fēng)速控制兩部分。需要對(duì)溫度傳感器、風(fēng)速傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時(shí)需要滿(mǎn)足對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)速可調(diào)。采集系統(tǒng)的編寫(xiě)是在LabVIEW軟件平臺(tái)上完成。LabVIEW采用圖形化編輯語(yǔ)言G語(yǔ)言編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。LabVIEW軟件的函數(shù)庫(kù)包括數(shù)據(jù)采集，GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等等。

2.1 風(fēng)速調(diào)節(jié)

艙內(nèi)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速及風(fēng)速都屬于需要控制的實(shí)驗(yàn)變量，而這兩個(gè)變量實(shí)際均由電機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，故運(yùn)用單片機(jī)并采用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序?qū)﹄姍C(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，完成控制系統(tǒng)搭建。采用PWM技術(shù)，利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中，其利用單片機(jī)的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種有效的技術(shù)，其實(shí)就是使用數(shù)字量輸出達(dá)到一個(gè)模擬量輸出的效果。

2.2 數(shù)據(jù)采集

基于LabVIEW的虛擬儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案。LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）研發(fā)的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，具有很高的靈活性和可拓展性，并且依靠計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的分析計(jì)算能力以及靈活的數(shù)據(jù)處理功能，大大的降低了實(shí)驗(yàn)的人力物力等資源的消耗。

3 結(jié)果分析

在1：5的前艙模型中，相對(duì)于冷凝器、散熱器和風(fēng)扇原始的內(nèi)部布局，前艙的散熱效率與散熱元器件及熱源兩者間的相對(duì)距離大致呈正態(tài)分布，通過(guò)優(yōu)化前艙結(jié)構(gòu)布局，從海量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中找尋到最優(yōu)的一組參數(shù)，最優(yōu)化的布局可實(shí)現(xiàn)綜合工況散熱效率提升19.1%，效果十分顯著，可見(jiàn)通過(guò)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)艙布局從而改進(jìn)氣熱流場(chǎng)進(jìn)而達(dá)到節(jié)能降耗的設(shè)想是完全可行的。

4 結(jié)語(yǔ)

發(fā)動(dòng)機(jī)艙布局對(duì)氣熱流場(chǎng)的影響研究對(duì)提高汽車(chē)效率意義重大，通過(guò)提高散熱效率來(lái)降低能耗及碳排放是當(dāng)今一個(gè)新穎的思路，現(xiàn)在很多國(guó)外知名車(chē)企都己經(jīng)著手開(kāi)始研究或是已經(jīng)加以應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)研究提供了一個(gè)完整可行的方案，本次的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)是基于模擬前艙，對(duì)于現(xiàn)今的汽車(chē)工業(yè)有一定的參考價(jià)值。

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基金項(xiàng)目：武漢理工大學(xué)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助（編號(hào)：20161049704021）