某輕型客車熱適應(yīng)性問(wèn)題分析

馬驍宇，張偉

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某輕型客車熱適應(yīng)性問(wèn)題分析

馬驍宇，張偉

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章利用三維分析軟件，對(duì)某輕型客車發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷流場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬分析，獲取流場(chǎng)狀態(tài)，提出整改意見(jiàn)及措施，并制定優(yōu)化方案，提升整車熱平衡性能。經(jīng)過(guò)實(shí)際環(huán)境模擬測(cè)試，結(jié)果表明性能提升較顯著，達(dá)到預(yù)期效果。

熱平衡；冷卻系統(tǒng)；散熱性能；流場(chǎng)分析

1 問(wèn)題來(lái)源

某輕型客車開(kāi)發(fā)過(guò)程中，在進(jìn)行實(shí)際環(huán)境模擬測(cè)試中，出現(xiàn)個(gè)別工況發(fā)動(dòng)機(jī)水溫過(guò)高現(xiàn)象，不滿足使用要求，如不加以適當(dāng)?shù)睦鋮s，會(huì)使內(nèi)燃機(jī)過(guò)熱，燃燒不正常，機(jī)油變質(zhì)和燒損，零件的摩擦和磨損加劇，引起內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和耐久性全面惡化。

2 冷卻系統(tǒng)流場(chǎng)分析

2.1 冷卻系統(tǒng)工作環(huán)境

目前國(guó)內(nèi)載貨柴油機(jī)車型冷卻系統(tǒng)的工作環(huán)境大多如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)散發(fā)的熱量經(jīng)過(guò)循環(huán)冷卻水送至散熱器總成，并與大氣進(jìn)行熱交換。冷風(fēng)從駕駛室前格柵（流經(jīng)冷凝器、中冷器，圖略）到達(dá)散熱器芯子，熱風(fēng)從散熱器芯子流出，從發(fā)動(dòng)機(jī)四周散開(kāi)。

圖1 冷卻系統(tǒng)工作環(huán)境

2.2 流場(chǎng)對(duì)冷卻性能的影響

2.2.1分析模型建立

可以看到，艙內(nèi)的布置是比較緊湊，機(jī)艙的空間占有率較高，對(duì)于整個(gè)機(jī)艙的流場(chǎng)有較大影響，前格柵的開(kāi)孔面積較小，迎風(fēng)系數(shù)僅為12.7%，對(duì)于熱平衡有較大的影響。

分析模型采用Trimmed體網(wǎng)格模型，共生成體網(wǎng)格數(shù)量為560萬(wàn)。

圖2 建立模型圖示

表1 邊界分析

（注：阻尼系數(shù)是根據(jù)各換熱器的風(fēng)阻試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的。）

2.2.2分析結(jié)果

2.2.2.1 空氣流量數(shù)據(jù)

圖3 風(fēng)扇試驗(yàn)結(jié)果

表2 風(fēng)扇試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表3 冷卻模塊各部件流量計(jì)算值

圖4 各部件流向

2.2.2.2 艙內(nèi)流場(chǎng)整體情況

通過(guò)軟件分析各斷面流場(chǎng)如下所示（整車坐標(biāo)系）：

圖5 Y=0斷面速度云圖

從分析結(jié)果來(lái)看，發(fā)動(dòng)機(jī)頂部和底部還是存在流通路徑的，但由于發(fā)動(dòng)機(jī)與防火墻之間空間較小，所以在頂部圖示A區(qū)域存在較為嚴(yán)重的回流。

由于機(jī)艙布局的局限性，導(dǎo)致艙內(nèi)熱風(fēng)在防火墻與變速箱前端面處，形成較大的縱向突變面，且間隙較小，導(dǎo)致機(jī)艙上部流場(chǎng)被切斷，使得局部壓力增大，導(dǎo)致熱風(fēng)無(wú)法順暢通過(guò)，不能順著車身底板流向整車后部，只能流向壓力較小的前部，從而導(dǎo)致熱風(fēng)在艙內(nèi)循環(huán)，致使艙內(nèi)溫度升高，對(duì)于整車?yán)鋮s性能產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響，同時(shí)，給艙內(nèi)部件的耐高溫、老化性能，提出了更高的要求。

圖6 Y=200斷面速度云圖

從Y=200斷面可以看出以下三個(gè)流場(chǎng)問(wèn)題：

（a）散熱器總成與散熱器上安裝橫梁之間存在較為嚴(yán)重的漏風(fēng)情況，致使部分冷風(fēng)不經(jīng)過(guò)散熱器，直接流向機(jī)艙內(nèi)部，減少了散熱器熱交換帶走的熱量，冷卻性能變差；

（b）風(fēng)扇的后方為發(fā)電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)等輪系所在位置，由于輪系阻擋了空氣向發(fā)艙后方流動(dòng)，所以此處產(chǎn)生一個(gè)高速流動(dòng)的渦流，使得風(fēng)扇后熱風(fēng)流動(dòng)不暢；

（c）發(fā)動(dòng)機(jī)右側(cè)的氣流向發(fā)艙前部流動(dòng)，形成一個(gè)大范圍的回流。第一橫梁后方圖示B區(qū)域一個(gè)高速流動(dòng)的渦流。

圖7 X=-260斷面速度云圖

解決措施：

（a）通過(guò)調(diào)整風(fēng)扇位置，使氣流從輪系的下方流向發(fā)艙后方；

（b）在圖示B區(qū)域設(shè)置一個(gè)導(dǎo)流板，使氣流從輪系下方流向發(fā)艙后方。

從上圖可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)左右兩側(cè)的速度分布有明顯差異，這是由風(fēng)扇的安裝位置引起的，分析顯示發(fā)動(dòng)機(jī)右側(cè)流動(dòng)相對(duì)比較順暢，且有比較高的流速，如右圖所示。導(dǎo)致此問(wèn)題的產(chǎn)生是由于發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇位置布局不佳，風(fēng)扇右后側(cè)相對(duì)空間較大，阻擋較小，具有較好的流體流動(dòng)的空間及路線；然而風(fēng)扇左后方布置有發(fā)電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)，且發(fā)動(dòng)機(jī)前端面幾乎全部遮擋左半邊風(fēng)扇的扇葉，致使氣流受阻，流動(dòng)不暢，產(chǎn)生回流現(xiàn)象。

圖8 中冷器速度云圖

通過(guò)中冷器速度云圖可以看到：

（a）中冷器只有下半部分與格柵相對(duì)，而且下進(jìn)氣格柵的四個(gè)通道中，下面兩個(gè)通道C區(qū)域沒(méi)有起到良好的作用，C區(qū)域?qū)χ谝粰M梁，流經(jīng)中冷器的冷風(fēng)較少，從而降低了中冷器的冷卻效率；

（b）中冷器上半部分內(nèi)部速度明顯低于其它部位，降低了中冷器的冷卻效果；

（c）中冷器內(nèi)部流速比冷凝器和散熱器都要??；

（d）中冷器與第一橫梁之間圖示D區(qū)域存在漏風(fēng)現(xiàn)象，進(jìn)一步降低了通過(guò)中冷器的冷風(fēng)流量。

解決措施：

（a）將下進(jìn)氣格柵上移或優(yōu)化格柵斷面形狀，將四道風(fēng)口覆蓋中冷器前端面，最大限度的使冷風(fēng)流經(jīng)中冷器芯體，提高中冷器效率；

（b）將中冷器周圍盡量密封，減少漏氣。

圖9 冷凝器、散熱器速度云圖

通過(guò)圖9的分析可以得到：

（a）散熱器和冷凝器上方圖示E區(qū)域有明顯的漏風(fēng)；

（b）從下進(jìn)氣格柵進(jìn)入的氣流一部分繞過(guò)中冷器，進(jìn)入冷凝器和散熱器，圖示F區(qū)域。

解決措施：

（a）將散熱器上部和下部盡量密封，減少漏風(fēng)；

（b）優(yōu)化上進(jìn)氣格柵造型，增加通風(fēng)面積，提高迎風(fēng)系數(shù)（我們的車型當(dāng)中，網(wǎng)狀格柵的邊設(shè)計(jì)的比較粗，網(wǎng)格較小，使有效的通風(fēng)面積較小，前格柵的迎風(fēng)系數(shù)僅為12.7%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于乘用車30%的設(shè)計(jì)要求）。

2.2.2.3 分析結(jié)果

（a）發(fā)動(dòng)機(jī)右側(cè)存在較為明顯，且范圍較大的回流現(xiàn)象，對(duì)機(jī)艙散熱存在較為嚴(yán)重的影響；

（b）發(fā)動(dòng)機(jī)左右兩側(cè)的速度分布有明顯差異，左側(cè)流速明顯較低；

（c）中冷器內(nèi)部流動(dòng)速度偏低，且分布不均，降低了其冷卻效果，使進(jìn)氣溫度偏高；

（d）冷凝器和散熱器周圍存在漏風(fēng)和回流情況，影響了冷卻效果；

（e）機(jī)艙布局較凌亂，過(guò)于密集，致使艙內(nèi)熱空氣沒(méi)有有效地通道疏導(dǎo)。

2.2.3試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表4 熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

注：優(yōu)化措施：增大前格柵孔面積，迎風(fēng)系數(shù)提高到20%左右；增加熱風(fēng)回流護(hù)板，防止散熱器四周漏風(fēng)；局部部件管路走向變更，優(yōu)化空間結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

（1）防熱風(fēng)回流裝置可以阻止發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)經(jīng)過(guò)熱交換的熱風(fēng)回流至散熱器前再次參與換熱。不言而喻，對(duì)于熱風(fēng)回流較明顯的冷卻系統(tǒng)，該裝置能有效地降低液氣溫差；

（2）前隔柵開(kāi)口面積對(duì)冷卻系統(tǒng)冷風(fēng)的流通有很大影響，為了獲得最佳的冷卻效果，應(yīng)在不影響其他性能的前提下，盡量增大該面積；

（3）若保險(xiǎn)杠的形狀符合空氣動(dòng)力學(xué)原理，也有利于冷卻風(fēng)的流通；

（4）零部件、機(jī)艙布局及內(nèi)造型對(duì)于艙內(nèi)流場(chǎng)具有較大的影響。

文章通過(guò)對(duì)整車?yán)鋮s系統(tǒng)軟件流場(chǎng)分析，對(duì)其進(jìn)行校核和優(yōu)化，結(jié)合實(shí)際整車狀態(tài)進(jìn)行實(shí)車熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)于冷卻性能的提升具有較高的指導(dǎo)價(jià)值。

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造(上冊(cè))[M].北京:人民交通出版社,1997: 223-237.

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[3] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.

[4] 蔣光福.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱特性研究[J].2005 Fluent 中國(guó)用戶大會(huì)論文集.

Analysis on thermal adaptability of passenger cars

Ma Xiaoyu, Zhang Wei

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In this paper, the cold flow field of engine cabin of a light passenger car is simulated and analyzed by using three-dimensional analysis software, and the flow field state is obtained, and some suggestions and measures are put forward to improve the heat balance performance of the whole vehicle. The simulation results show that the performance is improved significantly and the expected effect is achieved.

Thermal balance;Cooling system;Cooling capability;Analysis of flow field

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1671-7988(2018)24-83-03

U271

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1671-7988(2018)24-83-03

U271

馬驍宇（1985-）男，工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.028