整車前端密封設(shè)計(jì)影響分析

童 元， 漆 杰， 孫孟超， 趙少鋒， 王 文

(安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司 技術(shù)中心， 合肥 230601)

乘用車的發(fā)動(dòng)機(jī)艙前端集成有冷卻系統(tǒng)的熱交換器與空調(diào)系統(tǒng)的冷凝器，故整車前端的流場好壞對上述系統(tǒng)的性能有非常大的影響。汽車低速行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)存在3種回流，即從車外部回流到車頭前方的外部回流、車內(nèi)部繞過前端部件回流到冷卻部件前方的內(nèi)部回流以及空調(diào)冷凝器和發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器內(nèi)部來回流動(dòng)的內(nèi)部回流。相關(guān)研究表明，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)熱空氣回流會嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻與空調(diào)系統(tǒng)的性能[1]。同時(shí)，漏風(fēng)與熱空氣回流也會影響發(fā)艙內(nèi)的保溫性，間接影響整車的采暖性能。

為解決上述問題，本文通過CFD軟件對整車前端流場進(jìn)行分析[2]，同時(shí)提出相應(yīng)的整改方案，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證，對整車前端密封設(shè)計(jì)提出相應(yīng)的修改方案。

1 密封影響分析

1.1 密封性對冷卻系統(tǒng)的影響

整車前端密封不良會導(dǎo)致熱風(fēng)回流[3]，影響冷卻系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)效率，使發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)高溫部件散熱不足，引起艙內(nèi)溫度過高，直接影響汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。且發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱效率下降，會導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性下降、零件磨損加劇及熱量不平衡等問題[4]。

冷卻系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)主要來源于整車前端的格柵開口進(jìn)風(fēng)[5]，格柵處的進(jìn)風(fēng)量對冷卻系統(tǒng)的散熱起到了至關(guān)重要的作用[6]，在冷卻部件與格柵之間增加聚風(fēng)板結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化整車進(jìn)風(fēng)量[7]?，F(xiàn)選取某一車型的發(fā)動(dòng)機(jī)艙模型，運(yùn)用starccm+分析軟件，對比其在有、無聚風(fēng)板兩種狀態(tài)的進(jìn)風(fēng)量，如圖1和圖2所示。

圖1 60 km/h速度云圖對比(Z=360 mm)

圖2 怠速速度云圖對比(Z=360 mm)

由圖1和圖2可知，車輛在60 km/h沒有聚風(fēng)板的情況下行駛時(shí)，格柵進(jìn)風(fēng)從兩側(cè)大量逃逸；怠速沒有聚風(fēng)板時(shí)，大量熱空氣從兩側(cè)回流至冷卻部件前。以上的進(jìn)風(fēng)逃逸與熱風(fēng)回流，直接影響了冷卻部件的冷卻效果。對比增加聚風(fēng)板后的狀態(tài)得知，發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器進(jìn)風(fēng)量提升了15%～30%[8]，同時(shí)，冷卻部件前的進(jìn)風(fēng)溫度有所降低，整個(gè)冷卻性能得到較大提升。

1.2 密封性對空調(diào)系統(tǒng)的影響分析

由于空調(diào)冷凝器與發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱交換器一般在整車前端為串聯(lián)設(shè)計(jì)，所以整車前端密封不良將導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)量不足，熱風(fēng)回流，影響空調(diào)冷凝器散熱，直接造成空調(diào)制冷性能不良，引起顧客抱怨[9]。為解決上述問題，除了增加聚風(fēng)板之外，還需在空調(diào)冷凝器與發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器之間增加密封件，運(yùn)用starccm+軟件進(jìn)行模擬后可知，怠速工況下增加密封海綿條進(jìn)行封堵后，該車型冷凝器前的氣流速度提升了約5%，進(jìn)氣溫度有所降低，整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的性能又有了進(jìn)一步的提升。

1.3 密封性對整車采暖的影響分析

在我國某些地區(qū)，冬季平均氣溫在-28～-8 ℃,客戶對車輛采暖需求強(qiáng)烈?，F(xiàn)階段車輛的采暖性能主要依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫溫升速率，溫升速率越快，采暖性能越好。影響水溫溫升速率的因素有發(fā)動(dòng)機(jī)熱損失、乘員艙熱損失、冷卻循環(huán)熱損失以及發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱損失等。在車輛怠速與行駛過程中，車前的冷空氣會通過冷卻部件進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部，影響發(fā)動(dòng)機(jī)艙的保暖與溫升，增加發(fā)動(dòng)機(jī)艙的熱損失。為了解決上述問題，可以對格柵進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，增配主動(dòng)進(jìn)氣格柵，同時(shí)配合其他密封結(jié)構(gòu)對整車前端進(jìn)行完全密封，減少發(fā)動(dòng)機(jī)艙的熱損失。

1.4 密封整改方案

根據(jù)上述理論分析結(jié)果，需要在冷卻模塊與前格柵之間增加聚風(fēng)板，冷卻部件、空調(diào)部件與周邊部件之間增加密封結(jié)構(gòu)：

1) 對采暖有特別要求的車型可匹配主動(dòng)進(jìn)氣格柵。主動(dòng)進(jìn)氣格柵是通過發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、機(jī)油溫度、空調(diào)系統(tǒng)狀態(tài)、進(jìn)氣溫度等信息，依靠控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣格柵的百葉片開啟一定角度或者關(guān)閉的裝置。通過與ECU建立通訊，在整車怠速及低速階段控制進(jìn)氣格柵全關(guān)閉，同時(shí)配合其他密封結(jié)構(gòu)使車前完全密閉，防止冷空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙，可以較大地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫溫升速率，從而提升整車采暖性能。

2) 整車前端各模塊之間均需有相應(yīng)的密封結(jié)構(gòu)。前格柵與空調(diào)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)部件之間推薦用聚風(fēng)板密封；空調(diào)與冷卻系統(tǒng)之間以及系統(tǒng)內(nèi)部都可用帶軟邊的聚風(fēng)板延伸結(jié)構(gòu)進(jìn)行密封，也可使用透氣性較差的EPDM海綿配合粘合劑進(jìn)行密封，原則上保證空氣只能通過冷凝器與散熱器的芯子部分，將其他部分均密封住，防止產(chǎn)生漏風(fēng)與熱風(fēng)回流，如圖3所示。

圖3 各系統(tǒng)間密封示意圖

3) 整車聚風(fēng)板的前端邊緣建議與格柵開口邊緣相重合，無用部分進(jìn)行封堵。整車格柵的有效開口直接決定整車進(jìn)風(fēng)量的大小，在造型符合的前提下，盡量增加格柵開度，可通過聚風(fēng)板導(dǎo)風(fēng)，最大限度地利用進(jìn)風(fēng)；同時(shí)，為了防止過大的進(jìn)風(fēng)面積增加整車風(fēng)阻，聚風(fēng)板的邊緣需與有效格柵開口邊緣重合，并封堵無效的進(jìn)風(fēng)面積，降低整車風(fēng)阻，如圖4所示。

圖4 造型封堵示意圖

4) 特征設(shè)計(jì)時(shí)多使用圓弧、斜角過渡。在對聚風(fēng)板、導(dǎo)風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征設(shè)計(jì)時(shí)要多使用圓弧、斜角等過渡形式，避免使用直角的過渡形式，后者會造成氣流在特征處形成渦流、紊流，影響進(jìn)風(fēng)效果。

2 密封設(shè)計(jì)的試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 增加聚風(fēng)板冷卻性能試驗(yàn)對比

根據(jù)理論分析，增加聚風(fēng)板后冷卻模塊前端進(jìn)風(fēng)量增加15%～30%，為了驗(yàn)證增加的風(fēng)量對冷卻性能的影響情況，選取某一車型進(jìn)行對比驗(yàn)證。驗(yàn)證工況選取了較常見的低速爬坡工況與高速行駛工況[10]，在同一轉(zhuǎn)轂進(jìn)行模擬試驗(yàn)，具體試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1可知，增加聚風(fēng)板后整車?yán)鋮s性能均有提升，其中低速爬坡工況原狀態(tài)水溫較高，有一定風(fēng)險(xiǎn)，增加聚風(fēng)板后水溫下降了3.3 ℃，較為適宜。高速行駛工況水溫下降了2 ℃，也有一定提升。

表1 有無聚風(fēng)板冷卻性能試驗(yàn)結(jié)果

2.2 空調(diào)密封性能試驗(yàn)

參考CFD軟件分析結(jié)果，增加聚風(fēng)板與密封海綿條進(jìn)行全封堵后，空調(diào)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量較原狀態(tài)會有進(jìn)一步的提升。現(xiàn)選取上述試驗(yàn)車輛，分別對比無封堵與聚風(fēng)板加密封海綿條全封堵后的實(shí)車狀態(tài)。為了全面監(jiān)控對比兩者差異，在整車前端空調(diào)模塊處布置了多處溫度傳感器測試點(diǎn)監(jiān)測空調(diào)模塊的進(jìn)風(fēng)溫度，并監(jiān)控對比兩種狀態(tài)怠速工況下駕駛室內(nèi)出風(fēng)口溫度值，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

(a)封堵前后空調(diào)進(jìn)風(fēng)溫度平均值對比

(b)封堵前后駕駛室內(nèi)出風(fēng)口溫度

對比圖5可知，增加密封設(shè)計(jì)的實(shí)車空調(diào)模塊處進(jìn)風(fēng)溫度較原狀態(tài)降低了15 ℃～20 ℃，出風(fēng)口溫度降低了5 ℃，空調(diào)整體性能提升較明顯，與理論分析結(jié)果一致。

2.3 采暖性能對比試驗(yàn)

為了驗(yàn)證整車密封性對采暖性能的影響，選取某款車型進(jìn)行對比試驗(yàn)，原狀態(tài)沒有考慮任何密封設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化狀態(tài)增加了密封海綿條進(jìn)行封堵，并匹配了主動(dòng)進(jìn)氣格柵，在采暖階段，主動(dòng)進(jìn)氣格柵通過邏輯控制實(shí)現(xiàn)全關(guān)閉，提高發(fā)動(dòng)機(jī)艙的保溫性，提升水溫上升的速率。同時(shí)監(jiān)控了60 km/h車速下乘員艙內(nèi)達(dá)到指定溫度的時(shí)間變化情況，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

根據(jù)表2可知，增加封堵與主動(dòng)進(jìn)氣格柵后，駕駛室內(nèi)的采暖溫升速率較原狀態(tài)縮短了3 min以上，采暖性能提升較明顯，整車前端增加密封設(shè)計(jì)后對采暖性能起到了較大的優(yōu)化作用。

表2 乘員艙內(nèi)達(dá)到指定溫度的時(shí)間對比數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語

整車前端的密封設(shè)計(jì)對整車?yán)鋮s性能、空調(diào)性能、發(fā)艙熱流場及整車采暖升溫性能影響較大。密封設(shè)計(jì)不良會導(dǎo)致熱風(fēng)回流、漏風(fēng)，進(jìn)風(fēng)不足等問題，直接影響整車熱性能。為了彌補(bǔ)上述問題往往需要間接地提高零部件的性能指標(biāo)，導(dǎo)致性能與成本的浪費(fèi)。故在設(shè)計(jì)初期就應(yīng)考慮整車前端的密封性能，并結(jié)合CFD分析工具進(jìn)行密封效果確認(rèn)，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行整改優(yōu)化，以達(dá)到最優(yōu)的性能設(shè)計(jì)匹配。

參考文獻(xiàn)：

[1] 袁狹義,谷正氣,楊易,等.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱的數(shù)值仿真分析[J].汽車工程,2009,31(9):843-847.

[2] 潘樂燕.汽車前端冷卻模塊流場模擬與試驗(yàn)研究[J].制冷技術(shù),2011，31(2):19-22.

[3] 張坤,王玉璋,楊小玉.應(yīng)用CFD方法改善發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱性能[J].汽車工程,2011,33(4):314-317.

[4] 薛海亮,劉瑞軍.發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2016,54(4):59-62.

[5] 邵世婷,周健.格柵對發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻模塊性能影響的模擬與試驗(yàn)分析:中國汽車工程學(xué)會年會論文集[C].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010．

[6] 殷紅敏,趙民,漆杰,等.進(jìn)風(fēng)面積對發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的影響研究:安徽汽車工程學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集[C].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)出版社,2010.

[7] 王東,韓鈺.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱性能的研究與優(yōu)化[J].汽車技術(shù),2015，46(12):34-40.

[8] 胡遠(yuǎn)忠,劉傳波.微型汽車?yán)鋮s系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)效率優(yōu)化研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2014，52(6):224-226.

[9] 聶盛明,艾昆侖,付郁涵.汽車空調(diào)部件及系統(tǒng)性能的優(yōu)化策略研究[J].科技展望,2015，13(15)：63.

[10] 陳強(qiáng).汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的匹配計(jì)算研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2016,54(7)：86-88.