發(fā)動(dòng)機(jī)前置式機(jī)艙內(nèi)氣熱模型的構(gòu)建及分析

周亞文+魯錦濤+彭行翠

摘 要：采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，研究前置式發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空氣流場(chǎng)對(duì)散熱性能的影響，并進(jìn)而探索前艙散熱與整車燃油經(jīng)濟(jì)性之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)艙；空氣流場(chǎng)；耦合計(jì)算；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.251

1 引言

汽車前艙散熱性能直接影響著整車運(yùn)行的可靠性，相關(guān)研究表明發(fā)動(dòng)機(jī)故障的50%左右是由冷卻系統(tǒng)故障引起。其次是整車運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，冷卻系的功用是保證發(fā)動(dòng)機(jī)在任何負(fù)荷條件下和工作環(huán)境下，均能在最適合的溫度狀態(tài)下正常和可靠地工作。而目前冷卻系統(tǒng)通常按照滿足最大散熱要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，冷卻系統(tǒng)僅在3～5%的運(yùn)行時(shí)間里達(dá)到極限設(shè)計(jì)狀態(tài)，因此在大部分時(shí)間里，系統(tǒng)處于過(guò)冷狀態(tài)，不利于車輛正常高效地工作。通過(guò)構(gòu)造前艙的氣熱模型，分析探索優(yōu)化散熱的方法極具研究?jī)r(jià)值。

2 模型構(gòu)建及試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)原車進(jìn)行整車熱平衡試驗(yàn)搭建整車CFD仿真三維模型，將試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比來(lái)驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性和優(yōu)化方案的可行性。

2.1 原車改進(jìn)

經(jīng)CFD仿真分析可知，最優(yōu)的優(yōu)化方案為增加上中下導(dǎo)流板，并調(diào)節(jié)散熱器組之間的距離，最優(yōu)組合為：上導(dǎo)流板向下傾斜0°、中導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)2、下導(dǎo)流板向上傾斜20°、風(fēng)扇后移25mm、散熱器前移15mm、冷凝器35mm。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

整車熱平衡實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)排放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，環(huán)境溫度為40℃，試驗(yàn)車先以120km/h熱車15分鐘，怠速5min后進(jìn)行室內(nèi)模擬爬坡工況，7.2%坡度負(fù)載，試驗(yàn)車以手動(dòng)擋3檔速度37km/h-41km/h爬坡，空調(diào)為冷風(fēng)模式外循環(huán)，風(fēng)量最大，30min后熄火靜置15min，然后怠速5min后進(jìn)行室內(nèi)高速工況，試驗(yàn)車以最高檔116-120km/h運(yùn)行，空調(diào)為冷風(fēng)模式外循環(huán)，風(fēng)量最大。

3 驗(yàn)證分析

3.1 冷卻系統(tǒng)散熱性能對(duì)比

通常以溫升曲線、冷卻常數(shù)和許用環(huán)境溫度作為汽車?yán)鋮s系統(tǒng)適應(yīng)能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過(guò)對(duì)比分析優(yōu)化前后水溫和油溫的溫升曲線、冷卻常數(shù)以及許用環(huán)境溫度的變化，對(duì)改進(jìn)前后的冷卻系統(tǒng)散熱能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

在道路環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了實(shí)車的高速、模擬爬坡行駛、最大扭矩轉(zhuǎn)速行駛和額定功率轉(zhuǎn)速行駛四個(gè)工況下的道路環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)，由于所用實(shí)驗(yàn)室不能滿足將環(huán)境溫度穩(wěn)定在所需的40℃，本次實(shí)驗(yàn)所測(cè)的環(huán)境溫度是變化的，濕度33%。表1為改進(jìn)前后環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)各工況溫度參數(shù)記錄。

從表1可以看出，在原車的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造優(yōu)化后，模擬爬坡工況和高速工況下機(jī)油溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度明顯下降，冷卻常數(shù)液氣溫差和油氣溫差也明顯下降。原車改造優(yōu)化后，模擬爬坡工況下溫度浮動(dòng)較大，效果較明顯；高速工況下，溫度浮動(dòng)較小，提升較小。對(duì)原車進(jìn)行改造優(yōu)化后，模擬爬坡工況和高速工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度、油底殼溫度和冷卻介質(zhì)冷卻常數(shù)都相較原車的低，這也進(jìn)一步說(shuō)明了，原車改造優(yōu)化提升了散熱效率，提高了散熱能力。

綜上所述，優(yōu)化方案有效了提升了上下進(jìn)氣格柵的進(jìn)氣效率，原車改造優(yōu)化提升了散熱效率，提高了散熱能力，提升了散熱器組的進(jìn)氣量，改善了冷卻系統(tǒng)的散熱效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)CN210M優(yōu)化前后進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)，從冷卻系統(tǒng)散熱能力、發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間溫度變化、冷卻風(fēng)風(fēng)速變化等進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)CN210M冷卻風(fēng)進(jìn)風(fēng)效率優(yōu)化方案進(jìn)行驗(yàn)證，證實(shí)了對(duì)冷卻系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)艙的散熱性能的提高。

（1）通過(guò)使用溫升曲線、冷卻常數(shù)和許用環(huán)境溫度三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)改進(jìn)前后的冷卻系統(tǒng)散熱能力進(jìn)行對(duì)比分析，冷卻系統(tǒng)的冷卻效果均有明顯的改善，尤其是在模擬爬坡工況下的優(yōu)化效果顯著，液氣溫差降低3.05℃，油氣溫差降低了2.27℃。證明冷卻系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)效率的優(yōu)化是可行的。

（2）通過(guò)對(duì)改進(jìn)前后的發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間溫度進(jìn)行對(duì)比分析，改造優(yōu)化后，散熱器前后溫差變大，冷卻風(fēng)帶走熱量增加，散熱性能提升；除散熱器組溫度變化較小外，前艙其他測(cè)點(diǎn)溫度基本都小于原車同測(cè)點(diǎn)溫度，其中蓄電池、發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、排氣歧管和底部出風(fēng)口溫度下降較明顯。

（3）通過(guò)改進(jìn)前后的冷卻風(fēng)風(fēng)速對(duì)比分析，在各工況下，上進(jìn)氣格柵和下進(jìn)氣格柵的進(jìn)氣風(fēng)速均增大，即流經(jīng)散熱器組風(fēng)量增加，提高了整個(gè)冷卻系統(tǒng)的散熱性能。

參考文獻(xiàn)：

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