發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的熱風(fēng)回流分析與優(yōu)化

肖 飛 ，唐榮江 ，，張 淼 ，童 浙 ，陸增俊 ，李申芳

（1.東風(fēng)柳州汽車有限公司商用車技術(shù)中心，廣西 柳州545005；2.桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林541004）

0 前言

冷卻系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙是個(gè)半封閉的空間，對(duì)溫度場(chǎng)的要求特別高，一方面艙內(nèi)各種材料的零件如橡膠件、線束對(duì)溫度有一定的要求；另一方面發(fā)動(dòng)機(jī)本身需要適當(dāng)?shù)纳?，以保證在各種工況下都具有最佳的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[1]。散熱器是一個(gè)散熱裝置，上面布置著很多的散熱片，通過(guò)這些散熱片將熱量從水傳遞到空氣中。為了加快散熱器的散熱速度，風(fēng)扇在這里起到了很關(guān)鍵的作用，通過(guò)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)，加速了空氣流經(jīng)散熱器的速度，從而加快了散熱器的散熱速度。在此經(jīng)過(guò)冷卻的水再次被水泵送進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸套中，由此不斷循環(huán)，控制發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度過(guò)高。而當(dāng)空冷器排出的熱風(fēng)，其中一部分又被風(fēng)機(jī)抽吸至空冷器的入口，此現(xiàn)象稱之為熱風(fēng)回流（也稱熱風(fēng)再循環(huán)）[2]。

針對(duì)某款國(guó)產(chǎn)卡車機(jī)型散熱不合格問(wèn)題，使用CFD軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻系統(tǒng)流場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬。通過(guò)仿真模擬找出問(wèn)題產(chǎn)生的原因，對(duì)其冷卻系統(tǒng)進(jìn)行分析和優(yōu)化，并對(duì)整改措施進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 問(wèn)題描述

某國(guó)產(chǎn)商用車在以1 300 r/min發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷100%為基準(zhǔn)，環(huán)境溫度為33.3℃下進(jìn)行拖車實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度為98.4℃，進(jìn)水溫度為89.6℃，液氣溫差為65.1℃，極限許用環(huán)境溫度為40.6℃，冷卻系統(tǒng)不合格。

對(duì)散熱器水箱進(jìn)風(fēng)面溫度進(jìn)行測(cè)試，本次測(cè)試在環(huán)境溫度為32.8℃，發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最大扭矩工況之下測(cè)試水箱進(jìn)風(fēng)面的溫度，從車頭往后看，水箱進(jìn)風(fēng)面的溫度如圖1所示。

圖1 水箱進(jìn)風(fēng)面的溫度

從圖可以看出，水箱進(jìn)風(fēng)面溫度相對(duì)環(huán)境溫度都超過(guò)了30℃，說(shuō)明冷卻系統(tǒng)存在著很大的熱分回流。在某些情況下，熱風(fēng)回流使冷卻風(fēng)扇的空氣溫度增加5℃，就會(huì)使散熱器的傳熱量降低30%，嚴(yán)重影響散熱器的傳熱性能，降低機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致機(jī)組背壓大幅波動(dòng)而使機(jī)組停運(yùn)[3]。

2 數(shù)值分析

2.1 理論基礎(chǔ)

本文以空氣的流動(dòng)為研究對(duì)象，質(zhì)量守恒定律是任何流體運(yùn)動(dòng)都需要滿足的一個(gè)基本方程。按照這一定律，可以得出質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒定律是描述流體運(yùn)動(dòng)的一個(gè)基本定理。該定律是牛頓定律的推論，但應(yīng)用的研究領(lǐng)域更加廣泛。按照這一定律，可導(dǎo)出動(dòng)量守恒方程：

式中：ρ為空氣密度；μ為流體動(dòng)力粘度；u為速度矢量。

該模型以k-ε模型為基礎(chǔ)，湍流動(dòng)能k方程：

湍動(dòng)能耗散方程：

式中：Gb為氣流引起的湍流動(dòng)能；GK為速度梯度引起的湍流動(dòng)能；YM為湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響；ε為湍流動(dòng)能耗散率，為湍流有效黏性系數(shù)；ρ為空氣密度；C1ε、C2ε為參考常數(shù)，取 1.6 和 1.5[6].σk、σε為湍流動(dòng)能及其耗散率的湍流普朗特?cái)?shù)，取1.1和1.3.

2.2 模型的建立

本文通過(guò)三維CAD軟件CATIA建立冷卻系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)艙幾何模型，內(nèi)機(jī)構(gòu)復(fù)雜零件眾多，需要耗費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這不符合實(shí)際工程要求。在工程分析時(shí)需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理[5]，只保留底盤(pán)、發(fā)動(dòng)機(jī)、進(jìn)氣系統(tǒng)、散熱器、中冷器、車架、車輪、水箱等主要零部件，如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)艙簡(jiǎn)化模型

2.3 邊界設(shè)定與網(wǎng)格劃分

通過(guò)ANSYS對(duì)幾何模型進(jìn)行流場(chǎng)模擬，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)，采用 RNG k-ε模型，穩(wěn)態(tài)不可壓縮流體；定義以下邊界條件：（1）車輛正方向端面為入口邊界，風(fēng)速為行駛車速12 km/h（.2）出口為壓力邊界條件，車身后端面為出口邊界，壓強(qiáng)為 0Pa（3）環(huán)境溫度25℃，空氣密度1.185 kg/m3.整個(gè)流體三維計(jì)算區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)105 m，寬15 m，高16 m，理想的風(fēng)洞模型為：車身前方留5倍車長(zhǎng)，車身后方留10倍車長(zhǎng)，車身上方留5倍車高，車身側(cè)面留5倍車寬，網(wǎng)格類型為多面體網(wǎng)格，邊界層3層，總厚度2 mm，總網(wǎng)格數(shù)量約3 110千萬(wàn)個(gè)。劃分網(wǎng)格時(shí)在進(jìn)氣管附近進(jìn)行局部加密，最小尺寸為5 mm，以提高收斂性和加快運(yùn)算速度[6]。如圖3所示。

圖3 模型三維計(jì)算區(qū)域

2.4 仿真結(jié)果分析

流場(chǎng)模擬如圖4所示，不難發(fā)現(xiàn)，左方和上方回風(fēng)嚴(yán)重，從車前向后看，風(fēng)扇順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)經(jīng)護(hù)風(fēng)罩導(dǎo)風(fēng)后，流向發(fā)生改變，一部分直接沿車架回流，一部分打到發(fā)動(dòng)機(jī)擋泥板上。

圖4 冷卻系統(tǒng)流場(chǎng)模擬

由流場(chǎng)圖可以看出，氣流從中冷器吹向散熱器，流場(chǎng)風(fēng)向與實(shí)驗(yàn)風(fēng)向一致；當(dāng)仿真結(jié)果收斂以后，液氣溫差仿真值為67.2℃，仿真值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差為3.23%，仿真結(jié)果精度較高。

3 冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化及改進(jìn)措施

3.1 更換風(fēng)扇

風(fēng)扇的扇風(fēng)量主要與風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)形式、直徑、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速、葉片形狀、葉片安裝角及葉片數(shù)目有關(guān)[7]。針對(duì)散熱器散熱能力基本滿足使用要求的特點(diǎn)，考慮到盡量使用現(xiàn)有生產(chǎn)制造工藝，決定先采用改變風(fēng)扇的葉片數(shù)目的方法，增大風(fēng)扇的扇風(fēng)量。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)過(guò)大，風(fēng)扇和護(hù)風(fēng)罩運(yùn)動(dòng)干涉，所以加大護(hù)風(fēng)罩直徑，減少對(duì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)扇干擾，原護(hù)風(fēng)罩孔直徑717 mm，如圖5（c）所示，現(xiàn)選護(hù)風(fēng)罩孔直徑為730 mm，如圖5（d）所示。原狀態(tài)風(fēng)扇的投影寬度為69 mm，由于風(fēng)扇的安裝空間十分狹窄，風(fēng)扇的投影寬度不能大于75 mm，否則風(fēng)扇距離發(fā)動(dòng)機(jī)太近；雪龍、霍頓都沒(méi)有小葉寬的風(fēng)扇，選擇了采購(gòu)?fù)扑]的河北納州的7葉和9葉風(fēng)扇，進(jìn)行試驗(yàn)。原風(fēng)扇和原護(hù)風(fēng)罩以及修改后的如圖5（a）、（b）所示。

圖5 風(fēng)扇和護(hù)風(fēng)罩模型圖

3.2 安裝防熱風(fēng)回流擋板

使散熱器的進(jìn)風(fēng)溫度接近環(huán)境溫度，合理布置散熱器的進(jìn)風(fēng)口，提高散熱器與車身、發(fā)動(dòng)機(jī)艙接合處的密封性，能有效地阻擋和降低熱空氣回流。由于發(fā)罩及橫梁阻擋產(chǎn)生回風(fēng)，在散熱器兩邊加裝熱風(fēng)回流的防止板，如圖6（a）所示，盡可能地減少熱風(fēng)回流。將左側(cè)擋泥板卷起，如圖6（c）所示，有利于風(fēng)扇甩出的風(fēng)從此處瀉出。并通過(guò)軟件對(duì)其進(jìn)行仿真模擬，如圖4所示。

圖6 堵風(fēng)和導(dǎo)風(fēng)實(shí)驗(yàn)及仿真

由圖6（b）可以看出，通過(guò)在散熱器兩側(cè)增加擋風(fēng)板，有效地減少了上方的熱風(fēng)回流；將左側(cè)擋泥板卷起，從而風(fēng)扇甩出的風(fēng)從此處泄出，如圖6（d）所示。由此可見(jiàn)，堵風(fēng)和導(dǎo)風(fēng)對(duì)熱風(fēng)回流有明顯的改善效果。

3.3 加高水箱

水箱是水冷式發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，作為水冷式發(fā)動(dòng)機(jī)散熱回路的一個(gè)重要組成部件，能夠吸收缸體的熱量，防止發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱由于水的比熱容較大，吸收缸體的熱量后溫度升高并不是很多，所以發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量通過(guò)冷卻水這個(gè)液體回路，利用水作為載熱體傳導(dǎo)熱，再通過(guò)大面積的散熱片以對(duì)流的方式散熱，以維持發(fā)動(dòng)機(jī)的合適工作溫度。

本文通過(guò)加高水箱85 mm來(lái)增加水箱的容量來(lái)改進(jìn)水箱的吸熱量，從而更好的降低發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)上述一系列措施，提出三種改進(jìn)方案對(duì)實(shí)驗(yàn)車輛再次進(jìn)行熱平衡實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室時(shí)采用負(fù)荷拖車使發(fā)動(dòng)機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)工況下實(shí)驗(yàn)，方案一通過(guò)改用9葉風(fēng)扇和改良風(fēng)扇罩，方案二通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙急性堵風(fēng)和導(dǎo)風(fēng)，方案三在堵風(fēng)和導(dǎo)風(fēng)的情況下，再加高水箱85 mm和限扭1 500 N·m進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

測(cè)得冷卻系統(tǒng)在扭矩點(diǎn)時(shí)的冷卻常數(shù)K（K=T出水-T環(huán)境）。極限環(huán)境使用溫度T使用（T使用=T極限-（T出水-T環(huán)境）），當(dāng)使用水作為冷卻介質(zhì)時(shí)：T使用為41 ℃[8]。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，更換風(fēng)扇和護(hù)風(fēng)罩并未使水溫高問(wèn)題有改善的趨勢(shì)；通過(guò)對(duì)水箱四周進(jìn)行防回風(fēng)封堵，可以改善熱風(fēng)回流，但無(wú)法根治；水箱加高85 mm，進(jìn)行導(dǎo)風(fēng)和隔風(fēng)；以及將發(fā)動(dòng)機(jī)限扭至1 500 N·m，K值為56.8℃，有效了提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻性能。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某商用車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和仿真分析，發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)回流是導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)不合格的主要原因。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)空氣流場(chǎng)特點(diǎn)，利用ANSYS平臺(tái)對(duì)冷卻系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真。對(duì)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，仿真值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，說(shuō)明本文的仿真可行。

為了解決熱風(fēng)回流問(wèn)題，本文提出了三種解決方案。通過(guò)對(duì)三個(gè)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終通過(guò)水箱加高85 mm，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行導(dǎo)風(fēng)和隔風(fēng)，以及將發(fā)動(dòng)機(jī)限扭至1 500 N·m，結(jié)果表明，冷卻常數(shù)降低了8.3℃，有效地提高了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)性能。