汽車進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化分析與環(huán)模試驗(yàn)驗(yàn)證

梁婷　郭瑞庭　王磊　唐海國

摘 要：CFD分析與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合已經(jīng)被各汽車行業(yè)普遍應(yīng)用于汽車設(shè)計(jì)與開發(fā)研究中，在本文中主要論述了某車企工程師在研究某渦輪增壓汽車進(jìn)氣系統(tǒng)時(shí)利用CFD軟件分析其前端進(jìn)氣流場和溫度，然后根據(jù)優(yōu)化方案改制零件并裝車進(jìn)行整車熱管理試驗(yàn)驗(yàn)證方案有效性。

關(guān)鍵詞：汽車進(jìn)氣系統(tǒng) CFD分析 環(huán)模試驗(yàn)驗(yàn)證

1 引言

汽車進(jìn)氣系統(tǒng)主要作用是為發(fā)動機(jī)提供高壓力、大密度的新鮮空氣，從而提高發(fā)動機(jī)功率及轉(zhuǎn)矩，降低油耗比。單渦輪增壓汽車進(jìn)氣系統(tǒng)主要有空氣濾清器、中冷器、諧振室、節(jié)氣門、進(jìn)氣管、壓氣機(jī)、渦輪機(jī)、催化轉(zhuǎn)換器、排氣管等[1]。進(jìn)氣溫度過高會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)發(fā)生爆震，縮短使用壽命，對汽車正常使用極為不利，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致車輛自燃。針對這一問題，本文簡述了某渦輪增壓新車型在開發(fā)前期，利用CFD手段分析該車型進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣溫度和流場并加以優(yōu)化改善，再利用整車熱管理環(huán)模試驗(yàn)測試驗(yàn)證了優(yōu)化方案有效性。

2 原方案CFD模型建立與結(jié)果分析

該渦輪增壓汽車的中冷器采用的是前下橫置布置方式，便于維修，利用整車前蒙皮格柵進(jìn)風(fēng)進(jìn)行冷卻散熱，冷卻性能與進(jìn)風(fēng)量有關(guān)[2]。根據(jù)該車的前臉造型和進(jìn)氣系統(tǒng)部件（見圖1），以及發(fā)動機(jī)艙內(nèi)其他影響空氣流動的主要部件冷卻模塊、發(fā)動機(jī)、變速器等數(shù)模抽面建立CFD模型，并對整個(gè)模型進(jìn)行包面處理，形成封閉的區(qū)域，置于一個(gè)長方體計(jì)算域中，計(jì)算域的長、寬、高為：7.5倍車長，5倍車寬，5倍車高[3]。劃分計(jì)算網(wǎng)格，并生成網(wǎng)格文件。

本文主要研究的是在低速工況和車速50km/h，7.2%坡度爬坡工況（環(huán)境溫度38℃）下，該渦輪增壓汽車進(jìn)氣系統(tǒng)溫度和流場分析，輸入溫度邊界條件，輸入中冷器、冷凝器、散熱器性能曲線，其中風(fēng)扇為實(shí)體模型，散熱器使用熱交換模型，利用求解器算法進(jìn)行求解計(jì)算[4]。

由分析結(jié)果可知：原方案發(fā)動機(jī)艙內(nèi)有較多熱回流，且在低速情況下空濾進(jìn)氣口吸取大量機(jī)艙熱氣流（見圖2），導(dǎo)致空濾進(jìn)氣溫度高，達(dá)到80℃以上。

3 改進(jìn)后優(yōu)化方案與結(jié)果分析

制定優(yōu)化方案如下：（1）前格柵增開格柵孔，空濾進(jìn)氣口延長至正對格柵開口位置，且延長部分增加導(dǎo)風(fēng)格柵并用海綿將四周密封;（2）散熱器和中冷器四周增加導(dǎo)風(fēng)板（見圖3）。替換原方案模型進(jìn)行仿真分析。

優(yōu)化方案低速工況前格柵進(jìn)風(fēng)量無明顯變化，但在50km/h工況下進(jìn)風(fēng)量有較大提升。低速工況空濾進(jìn)氣口吸取機(jī)艙熱氣流明顯減少（見圖4），在前端進(jìn)風(fēng)冷卻下，空濾進(jìn)氣溫度降低了50℃之下，冷卻性能明顯增強(qiáng)。

4 整車熱管理環(huán)模試驗(yàn)驗(yàn)證

環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)室由于不受地域、季節(jié)和時(shí)間的限制，測試環(huán)境和條件較為穩(wěn)定，一般的整車熱管理試驗(yàn)都是在環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行測試。根據(jù)CFD的優(yōu)化方案，將改制零件裝車在環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)室進(jìn)行整車熱管理測試，設(shè)置溫度測點(diǎn)位于空濾進(jìn)口，測試結(jié)果見下表1。

從數(shù)據(jù)對比可以驗(yàn)證CFD仿真方案的可行性，進(jìn)一步說明該方案對于提高該渦輪增壓汽車進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量，改善中冷器的散熱性能還是有顯著效果的。

5 結(jié)語

（1）增加前格柵開口的有效面積，確保前端模塊零件之間良好的密封性，能有效提高前格柵進(jìn)風(fēng)量，改善風(fēng)冷式散熱零件的性能。（2）通過CFD分析與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，不僅減少整車研發(fā)周期還節(jié)約了零件開發(fā)成本，目前被各車企廣泛應(yīng)用于汽車設(shè)計(jì)與開發(fā)研究中。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖生發(fā)，趙樹朋.汽車構(gòu)造[M].北京：中國林業(yè)出版社;北京大學(xué)出版社，2006.8.

[2]余迅，南海秋.淺談汽車增壓發(fā)動機(jī)中冷器[J]車輛與動力工程2017年7月上.

[3]劉芳，朱貞英，門永新，趙福全.發(fā)動機(jī)艙流場仿真分析[J]第七屆中國CAE工程分析技術(shù)年會論文2011.