汽車發(fā)動機(jī)艙熱管理研究與改進(jìn)

趙永剛

[摘 要]本文主要針對汽車發(fā)動機(jī)艙熱管理展開思考，探討了汽車發(fā)動機(jī)艙熱管理的原理和具體的管理策略和方法，并對其存在的一些不足之處進(jìn)行了總結(jié)，提出了改進(jìn)措施。

[關(guān)鍵詞]汽車，發(fā)動機(jī)艙，熱管理

中圖分類號：U464 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2018）23-0097-01

前言

在汽車的管理工作中，汽車發(fā)動機(jī)艙熱管理是一個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，必須要針對熱管理提出更好的建設(shè)意見，改進(jìn)方案中的一些問題，才能夠提升汽車發(fā)動機(jī)艙熱管理的效果。

1、汽車發(fā)動機(jī)艙的研究現(xiàn)狀

汽車發(fā)動機(jī)艙類似一個半封閉的空間，艙內(nèi)包括了發(fā)動機(jī)、冷卻系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、傳動裝置、空調(diào)以及液壓設(shè)備等部件，各部件在熱環(huán)境內(nèi)相互影響，使發(fā)動機(jī)艙內(nèi)空氣的流動和傳熱過程非常復(fù)雜，艙內(nèi)氣流的分離和旋渦的紊流也會影響汽車的氣動阻力。VivekKumar用CFD結(jié)合流體網(wǎng)絡(luò)模型的方法，把整個區(qū)域劃分成不同的氣流通道，求解一維質(zhì)量和動量守恒方程得到風(fēng)量與壓力的分布；該方法可縮短CFD技術(shù)求解時的迭代時間。RobertD等采用高效的電子水泵和電子風(fēng)扇設(shè)計(jì)了多風(fēng)扇布置型式的冷卻系統(tǒng)，高速公路車載試驗(yàn)的燃油量減少了5.3%～8.6%。國內(nèi)研究人員從智能化的發(fā)展方向提出風(fēng)扇和水泵功率分配的控制策略，采用主動抗擾控制算法節(jié)約總能耗。同時，對發(fā)動機(jī)艙緊湊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化布置，以減少流動損失為目的重新設(shè)計(jì)前格柵和熱交換器；為了避免逆向流動優(yōu)化各部件之間的空間距離。

隨著我國的工業(yè)化的快速推進(jìn)，國家對環(huán)境保護(hù)的重視程度日益提高。國家工業(yè)和信息化部也出臺了《乘用車燃料消耗量限值》及《乘用車燃料消耗量評價方法及指標(biāo)》來進(jìn)一步加嚴(yán)乘用車燃料消耗限值，從2017年1月開始執(zhí)行。所以車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的進(jìn)一步提高顯得迫在眉睫。

在汽車設(shè)計(jì)過程中，發(fā)動機(jī)艙的散熱效果往往只評價散熱器的綜合性能或散熱器與風(fēng)扇的匹配，現(xiàn)有的檢測設(shè)備很難全方位地測量發(fā)動機(jī)艙內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)過程；仿真計(jì)算已成為發(fā)動機(jī)艙設(shè)計(jì)過程中必不可少的環(huán)節(jié)，它不受風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中邊界效應(yīng)或邊界干擾、支架干擾、相似條件不能滿足等的限制。因此，本文針對一款大客車發(fā)動機(jī)艙，建立已安裝發(fā)動機(jī)、風(fēng)扇、散熱器、冷凝器、發(fā)動機(jī)等零部件的整車模型，設(shè)定參數(shù)及模擬發(fā)動機(jī)艙內(nèi)流體軌跡和流動特點(diǎn)，并對比發(fā)動機(jī)艙的結(jié)構(gòu)布置在改進(jìn)前后的冷卻效果。

2、性能分析

2.1 模型建立

整車發(fā)動機(jī)艙熱管理的模型與外流場分析模型一致。一般計(jì)算域設(shè)置為車前三倍車長，五倍車高，車后七倍車長，提高計(jì)算一致性，基本消除了阻塞效應(yīng)的影響。整車模型，如圖1所示。

2.2 仿真分析

本次仿真計(jì)算基于零部件供應(yīng)商提供的冷卻系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過計(jì)算高速、爬坡工況對發(fā)動機(jī)艙熱管理分析，找到問題原因，探索解決方案及成本優(yōu)化。仿真工況的相關(guān)內(nèi)容如下：

工況一：風(fēng)扇關(guān)閉，車速為最高車速，高速工況；

工況二：爬坡工況，風(fēng)扇轉(zhuǎn)數(shù)為2450rpm，車速為33.4km/h。

如表1所示，仿真系統(tǒng)計(jì)算出各個系統(tǒng)的進(jìn)入量：通過散熱系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量統(tǒng)計(jì)表分析可知，高速工況下散熱系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量都沒有滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)值要求；爬坡工況下的散熱器和中冷器進(jìn)風(fēng)量均無法滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)值。這表明汽車在高速、爬坡工況下，發(fā)動機(jī)存在冷卻液沸騰的風(fēng)險。

2.3 仿真優(yōu)化

根據(jù)仿真分析可以通過增加導(dǎo)風(fēng)板把從散熱器上方泄露的氣流攔截，進(jìn)而增加散熱器和冷凝器的進(jìn)風(fēng)量。同時，在中冷器上、下方增加導(dǎo)風(fēng)板，增加中冷器進(jìn)風(fēng)量。為了避免氣流從橫梁兩側(cè)泄露，可以在橫梁兩側(cè)增加導(dǎo)風(fēng)板，進(jìn)一步提高散熱器和冷凝器的進(jìn)風(fēng)量。在反饋給設(shè)計(jì)部門關(guān)于增加導(dǎo)風(fēng)板之前，先對增加導(dǎo)風(fēng)板的效果進(jìn)行仿真、評估。通過計(jì)算結(jié)果表明散熱系統(tǒng)中所有進(jìn)風(fēng)量都有所提升，且各零部件的進(jìn)風(fēng)量都滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。其中，冷凝器的進(jìn)風(fēng)量效果比較明顯，在一定程度上，可以提升空調(diào)性能，提高整車空調(diào)舒適性。

3、成本優(yōu)化

3.1 成本優(yōu)化

將仿真優(yōu)化好的導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，反饋給設(shè)計(jì)部門，設(shè)計(jì)部門會根據(jù)導(dǎo)風(fēng)板數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)布置空間及結(jié)構(gòu)細(xì)化工作。仿真優(yōu)化的導(dǎo)風(fēng)板一共6塊，供應(yīng)商反饋需要500元成本費(fèi)用，由于項(xiàng)目成本的限制，需要重新優(yōu)化導(dǎo)風(fēng)板數(shù)量。對所有擋風(fēng)板計(jì)算分析：散熱器導(dǎo)風(fēng)板被優(yōu)化，由于它的作用是增加進(jìn)風(fēng)量；橫梁導(dǎo)風(fēng)板可以考慮取消；中冷器導(dǎo)風(fēng)板可以被取消?？紤]仿真時間問題，僅對高速工況進(jìn)行導(dǎo)風(fēng)板組合優(yōu)化，高速工況達(dá)標(biāo)后，進(jìn)行爬坡驗(yàn)證；相比前期優(yōu)化，散熱器和冷凝器進(jìn)氣量有所增加，中冷器進(jìn)氣量有所下降，但仍滿足目標(biāo)值；最終取消中冷器上導(dǎo)風(fēng)板，節(jié)約成本100元，完成了成本控制的目標(biāo)。

3.2 仿真驗(yàn)證

發(fā)動機(jī)艙內(nèi)空氣流動狀況與發(fā)動機(jī)艙散熱息息相關(guān)。一旦散熱系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量不滿足目標(biāo)，將會影響散熱系統(tǒng)的散熱效率，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)性能下降，甚至發(fā)動機(jī)冷卻液沸騰。散熱器導(dǎo)風(fēng)板攔截了氣流，增加了冷卻模塊的進(jìn)氣量，通過增加中冷器下方的導(dǎo)風(fēng)板，使得中冷器下方泄露的氣流被攔截，從而增加中冷器的進(jìn)風(fēng)量。高速工況下，Y=-140mm對比流線。

爬坡工況下，散熱系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量主要是風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)提供的，通過云圖對比分析，導(dǎo)風(fēng)板對散熱系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量影響不明顯，最終的導(dǎo)風(fēng)板方案為：散熱器、橫梁兩側(cè)、中冷器下側(cè)導(dǎo)風(fēng)板。將最終導(dǎo)風(fēng)板方案提交給設(shè)計(jì)部門，得到其認(rèn)可，完成前期發(fā)動機(jī)艙流場仿真優(yōu)化任務(wù)。

4、結(jié)束語

綜上所述，在明確了汽車發(fā)動機(jī)艙熱管理的要求的前提下，我們才能夠真正做好管理工作，同時，針對管理的需求和管理的對策，讓熱管理工作更加富有成效。

參考文獻(xiàn)

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