某前置后驅(qū)車型發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理優(yōu)化

曉珍　和昌靜　郭濤

摘 要：本文基于某前置后驅(qū)車型整車開(kāi)發(fā)，運(yùn)用流體力學(xué)方法對(duì)該車型發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行流場(chǎng)分析、溫度場(chǎng)分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理的措施。通過(guò)仿真分析及實(shí)車驗(yàn)證結(jié)果表明，增加散熱器和中冷器導(dǎo)風(fēng)板、優(yōu)化前格柵開(kāi)口、增加下蓋板導(dǎo)風(fēng)板等熱管理優(yōu)化措施明顯提高了冷卻系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量、降低了變速器表面受熱溫度，成功解決了某前置后驅(qū)車型的熱害問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)艙 熱管理 仿真分析

Thermal Management Optimization of the Engine Compartment of a Front-rear-drive Vehicle

Huang Xiaozhen He Changjing Guo Tao

Abstract：Based on the development of a front-rear-drive vehicle， this paper uses fluid mechanics to analyze the flow field and temperature field of the engine compartment of a vehicle. According to the analysis results， measures to optimize the thermal management of the engine compartment are proposed. Simulation analysis and actual vehicle verification results show that thermal management optimization measures such as adding radiator and intercooler air deflector， optimizing the opening of the front grille， and increasing the lower cover air deflector significantly increase the air intake of the cooling system and reduce the transmission， and the heat damage problem of a front-rear-drive model is successfully solved.

Key words：engine compartment， thermal management， simulation analysis

1 引言

隨著科技的發(fā)展與生活水平的提供，人們對(duì)汽車的動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性、舒服性、安全性等方面要求越來(lái)越高。無(wú)論從功能配置需求導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)零部件的增加，或是人機(jī)空間、舒適性需求導(dǎo)致駕乘艙擠壓發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間，還是造型流暢、風(fēng)阻等方案要求壓低機(jī)艙，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)布置的零部件越來(lái)越多，空間越來(lái)越緊湊，機(jī)艙散熱挑戰(zhàn)愈發(fā)增大。為了避免因機(jī)艙溫度過(guò)高導(dǎo)致零部件工作溫度過(guò)高縮短使用壽命，甚至引發(fā)自燃，在整車開(kāi)發(fā)的前期，發(fā)動(dòng)機(jī)艙的熱管理研究十分必要。本文基于某前置后驅(qū)車型整車設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置前期，利用STAR-CCM+軟件對(duì)機(jī)艙進(jìn)行流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分析，發(fā)現(xiàn)前端散熱冷卻模塊進(jìn)風(fēng)量不足且存在高溫?zé)岷^(qū)域，并針對(duì)問(wèn)題提出解決方案，最后通過(guò)仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的有效性，解決了機(jī)艙熱害問(wèn)題[1]～[3]。

2 仿真分析

某前置后驅(qū)車型匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管位于機(jī)艙左側(cè)中部，三元催化器布置于左側(cè)大梁根部;由于車寬及輪胎限制，排氣系統(tǒng)周邊空間較為緊湊;三元催化器為國(guó)六排放，較國(guó)五排放的三元催化器體積增大、熱輻射溫度增高，同時(shí)騾子車測(cè)試發(fā)現(xiàn)三催旁邊的變速器表面溫度過(guò)高，不滿足工程要求。為避免機(jī)艙過(guò)熱問(wèn)題，在車型開(kāi)發(fā)的前期，利用CFD對(duì)機(jī)艙進(jìn)行流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分析并找出解決方案。

2.1 仿真分析模型

發(fā)動(dòng)機(jī)艙零部件眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，布置緊湊，為了簡(jiǎn)化仿真計(jì)算，在保證仿真結(jié)果比較準(zhǔn)確的前提下，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，去掉直徑較小的管路、線束等細(xì)小部件，最大限度保留原始機(jī)艙幾何模型。進(jìn)行簡(jiǎn)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)艙模型如圖1所示[4]。

采用CFD軟件STAR-CCM+進(jìn)行數(shù)值仿真。根據(jù)實(shí)際情況合理設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的零部件的材料屬性和熱邊界類型。將散熱器、冷凝器定義為多孔介質(zhì)，用軟件中的風(fēng)扇模型來(lái)模擬真實(shí)的冷卻風(fēng)扇。計(jì)算邊界條件約束：模型入口速度采用車速15km/h以及50km/兩種工況;出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;壁面邊界運(yùn)動(dòng)速度為0m/s;環(huán)境溫度為40°。

2.2 仿真分析結(jié)果

仿真計(jì)算工況條件為50Km/h和15Km/h，散熱器風(fēng)扇速度為2100rpm，冷卻模塊進(jìn)風(fēng)量仿真計(jì)算結(jié)果如表1所示。分析可見(jiàn)，50Km/h工況下，散熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)以及中冷系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量都沒(méi)有滿足設(shè)計(jì)目標(biāo);15Km/h工況下，散熱系統(tǒng)和中冷系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量也沒(méi)有滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖2為50Km/h和15Km/h兩種工況下，Y=-320截面的機(jī)艙速度矢量圖。圖中顯示，氣流經(jīng)過(guò)冷凝散熱器加熱再流過(guò)風(fēng)扇后，遇到發(fā)動(dòng)機(jī)及其附件的阻礙，有部分氣體從冷卻模塊兩側(cè)繞回前方，再次進(jìn)入冷卻模塊，有部分氣體向上流動(dòng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)上方形成漩渦，致使熱空氣滯留在發(fā)罩之下動(dòng)力總成上方。

圖3為50Km/h和15Km/h兩種工況下，Y=-320截面的機(jī)艙流線圖。從圖中可以看出，氣流受到發(fā)動(dòng)機(jī)附件發(fā)動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)、中冷管路、懸置的阻擋，流向機(jī)艙后方排氣歧管及三元催化器熱源的氣流很少，且氣體流速緩慢，導(dǎo)致三元催化器周邊的溫度過(guò)高。

圖4為車速50Km/h，7.2%坡度工況，三元催化器提供固定點(diǎn)的變速器表面溫度分布云圖。圖中顯示，雖然變速器與三元催化器之間增加了隔熱罩，但是靠近三催的變速器殼體表面溫度高達(dá)139℃，超過(guò)了變速的工作溫度120°。

以上仿真分析顯示，由于格柵進(jìn)風(fēng)未能充分利用，流入冷凝散熱器的冷空氣梁減少，散熱器實(shí)際散熱量降低，又存在氣體熱回流以及散熱困難，導(dǎo)致前端模塊進(jìn)風(fēng)量不足，且排氣歧管及三元催化器周邊溫度過(guò)高致使變速器表面溫度高于工作溫度。這些問(wèn)題必須通過(guò)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行解決。

3 方案優(yōu)化

3.1 增加前端冷卻模塊導(dǎo)風(fēng)罩

熱空氣回流產(chǎn)生的原因是冷卻模塊前后存在壓差和溫差以及發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)其他部件對(duì)空氣流動(dòng)的阻礙，為了減少回流，提高發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱性能，提出在前端冷卻模塊周圍加擋風(fēng)板的優(yōu)化方案。在冷凝器及中冷器四周加擋風(fēng)板，且擋風(fēng)板與進(jìn)氣格柵區(qū)域相連接，使格柵進(jìn)入的氣體可全部流入前端冷卻模塊。前端冷卻模塊增加導(dǎo)風(fēng)罩如圖5所示。

增加前端冷卻模塊導(dǎo)風(fēng)罩后的冷卻模塊進(jìn)風(fēng)量仿真計(jì)算結(jié)果如表2所示。仿真分析可見(jiàn)，通過(guò)增加前端冷卻模塊導(dǎo)風(fēng)罩，散熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)以及中冷系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量都有所提升，且都滿足了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.2 優(yōu)化格柵開(kāi)口

前端冷卻模塊增加導(dǎo)風(fēng)罩后，冷卻模塊的進(jìn)風(fēng)量都滿足要求，但是進(jìn)入格柵的空氣全部流經(jīng)冷凝氣和散熱器，溫度升高，速度下降，被加熱后的空氣經(jīng)過(guò)風(fēng)扇進(jìn)行向后流動(dòng)，與發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)其他高溫部件的溫差較小，對(duì)其冷卻效果相對(duì)較差。因此，針對(duì)2.2的溫度場(chǎng)分析變速器殼體表面溫度過(guò)高問(wèn)題，提出優(yōu)化前格柵開(kāi)口，將前端冷卻模塊導(dǎo)風(fēng)罩之外的格柵封堵打開(kāi)，讓更多的自然風(fēng)不經(jīng)過(guò)前端冷卻模塊，直接進(jìn)入機(jī)艙。優(yōu)化前后的前格柵對(duì)比如圖6所示。

優(yōu)化前格柵開(kāi)后，未流經(jīng)前端模塊的空氣溫度較低，速度較高，這部分空氣直接流向發(fā)動(dòng)機(jī)艙后方，可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)其他高溫部件起到較好的冷卻作用。溫度場(chǎng)仿真分析發(fā)現(xiàn)車輛啟動(dòng)時(shí)，自然風(fēng)進(jìn)入機(jī)艙，機(jī)艙前端部件表面溫度下降明顯，但由于三催、變速器布置與機(jī)艙后面，前方又有壓縮機(jī)等部件阻擋，氣體無(wú)導(dǎo)向流動(dòng)，三元催化器與發(fā)動(dòng)機(jī)之間氣體流速緩慢，此處熱量不能及時(shí)被冷空氣帶走，因此變速器表面溫度雖有所下降，但還未滿足要求。此外，也有些氣體從車底部流入冷卻模塊，而汽車底部流經(jīng)的冷空氣流量大、流速高，這些冷空氣大部分直接從車底流走，未能對(duì)變速器起到冷卻作用。怠速工況下的變速器表面溫度如圖7 所示，格柵開(kāi)口優(yōu)化后，怠速工況下變速器溫度有所下降，但未滿足要求，還需進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。

3.3 增加下蓋板導(dǎo)風(fēng)板

通過(guò)增加前端冷卻模塊導(dǎo)風(fēng)罩以及優(yōu)化前格柵開(kāi)口后，冷卻模塊進(jìn)風(fēng)量滿足要求，機(jī)艙受熱部件有所改善，但由于機(jī)艙內(nèi)氣流受阻，加上從汽車底部流失，氣流經(jīng)過(guò)三催與變速器處較小，怠速工況下變速表面溫度未到標(biāo)。針對(duì)此問(wèn)題，提出增加下蓋板導(dǎo)風(fēng)板，將電子風(fēng)扇吹出的風(fēng)集中導(dǎo)向三催與變速器之間，增加此處氣流流動(dòng)，既能起到冷卻作用又可更快帶走熱量，降低變速器表面溫度。增加的下蓋板導(dǎo)風(fēng)板如圖8所示。

增加下蓋板導(dǎo)風(fēng)板后的怠速流場(chǎng)仿真分析圖如圖9圖10所示。將增加下蓋板導(dǎo)風(fēng)板前后的速度分布云圖進(jìn)行對(duì)比可見(jiàn)，在怠速工況下，相比原方案，優(yōu)化方案Y和Z截面三催、變速器周邊風(fēng)速增大效果明顯。

基于以上優(yōu)化方案，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算分析，機(jī)艙各部件溫度均有所下降，且滿足各部件工在溫度要求。圖11為變速器表面溫度，圖中可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化方案，變速器表面殼體溫度下降明顯，最高溫度為105°，在變速器工作溫度120°之下，滿足要求。

4 變速器熱害試驗(yàn)

由以上仿真分析可知，通過(guò)增加前端冷卻模塊導(dǎo)風(fēng)罩、優(yōu)化格柵開(kāi)口、增加下蓋板導(dǎo)風(fēng)板三個(gè)措施方案都一定程度降低某前置后驅(qū)車型的發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱害。以下將優(yōu)化后的措施進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，測(cè)量各種工況下變速器表面溫度是否滿足要求。變速器溫度測(cè)試點(diǎn)如圖12所示。

變速器熱害實(shí)驗(yàn)的各工況溫度測(cè)試結(jié)果如表3所示，表格中溫度為監(jiān)測(cè)中最高值。與各溫度極限值對(duì)比，變速器各測(cè)點(diǎn)溫度測(cè)試值均滿足工程要求，變速熱害實(shí)驗(yàn)通過(guò)。通過(guò)仿真與實(shí)車驗(yàn)證以上對(duì)某前置后驅(qū)車型的發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理優(yōu)化解決了該車的前端進(jìn)風(fēng)量以及變速器熱害問(wèn)題。

5 結(jié)論

本文基于某前置后驅(qū)車型整車開(kāi)發(fā)，運(yùn)用流體力學(xué)方法對(duì)該車型發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行流場(chǎng)分析、熱管理分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出增加散熱器和中冷器導(dǎo)風(fēng)板、優(yōu)化前格柵開(kāi)口、增加下蓋板導(dǎo)風(fēng)板等熱管理優(yōu)化措施。實(shí)車驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，提高了冷卻系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量，且滿足工程進(jìn)風(fēng)量要求;降低了變速器表面受熱溫度，且滿足變速器正常工作溫度要求，成功解決了某前置后驅(qū)車型的熱害問(wèn)題。

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