基于CFD大功率汽車發(fā)動機散熱器匹配性分析

朱鏡瑾，介石磊

（黃河交通學(xué)院汽車工程學(xué)院，河南 焦作 454950）

1 引言

發(fā)動機的正常工作離不開附屬的冷卻系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、減振系統(tǒng)等的正常工作。對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計是汽車動力系統(tǒng)設(shè)計的重要組成部分[1]。大功率發(fā)動機散熱系統(tǒng)包括高溫散熱器和中冷散熱器，散熱器和冷卻風(fēng)扇等的選型設(shè)計和相互之間的匹配性直接影響散熱效率和效果，因此，采用不同的設(shè)計分析方法對散熱器匹配性進(jìn)行分析具有重要應(yīng)用價值。

學(xué)者們對散熱器系統(tǒng)進(jìn)行一定的研究：文獻(xiàn)[2]基于冷卻風(fēng)洞試驗平臺，分析散熱器與冷卻風(fēng)扇之間的最佳位置匹配；文獻(xiàn)[3]采用一維熱管理模型，分析散熱器不同的結(jié)構(gòu)形式對散熱性能的影響；文獻(xiàn)[4]采用三維建模分析冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)參數(shù)對冷卻系統(tǒng)性能的影響；文獻(xiàn)[5]采用計算立體力學(xué)分析方法，對影響散熱器性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，獲取影響規(guī)律用于優(yōu)化設(shè)計。

針對大功率汽車發(fā)動機散熱系統(tǒng)進(jìn)行匹配性設(shè)計，根據(jù)大功率發(fā)動機的散熱特點，對高溫散熱器、中冷散熱器和冷卻風(fēng)扇進(jìn)行選型設(shè)計并獲得各部分的特性曲線，并對三者之間的匹配性進(jìn)行分析，獲取標(biāo)定點的冷卻空氣流量和效率；采用組成單元影響系數(shù)，對系統(tǒng)的效率進(jìn)行計算；基于外循環(huán)阻力最小原則，對發(fā)動機的整個冷卻系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)布置；采用CFD 分析和冷卻試驗臺相結(jié)合的方法對系統(tǒng)進(jìn)行性能驗證。

2 散熱器參數(shù)設(shè)計

2.1 冷卻系統(tǒng)布置

大功率汽車發(fā)動機散熱器包括高溫散熱器和中冷散熱器，前者主要用于發(fā)動機缸套的散熱，后者主要用于渦輪增壓器等的散熱[6]。散熱器是兩個系統(tǒng)的核心部分，除了選擇好散熱器和冷卻風(fēng)扇以外，冷卻系統(tǒng)的總體布置結(jié)構(gòu)也是保證其冷卻性能的關(guān)鍵。合理設(shè)計空氣流通系統(tǒng)，減少氣流損失，可有效地提高進(jìn)風(fēng)系數(shù)。冷卻系統(tǒng)的布置，如圖1所示。

圖1 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)布置Fig.1 Engine Cooling System Layout

2.2 高溫散熱器設(shè)計

2.2.1 散熱器關(guān)鍵參數(shù)確定

（1）冷卻空氣需要量Va

式中：Qw—散熱量；

Δta—空氣溫度差；

γa—空氣的重量；

Cp—空氣定壓比熱。

（2）散熱器芯體正面面積Fr

式中：Va—空氣需求量；

va—散熱器芯體迎面的空氣流。

根據(jù)使用經(jīng)驗[7]，散熱器正面面積應(yīng)為：（0.31～0.37m2/100kW。

（3）散熱器散熱面積F

式中：Kr—散熱器傳熱系數(shù)；

α—散熱面積儲備系數(shù)。

（4）散熱器的芯厚T

式中：β—散熱器芯體的容積緊湊性系數(shù)。

2.2.2 散熱器芯體參數(shù)合理性校核

散熱器匹配設(shè)計流程，如圖2所示。

圖2 散熱器匹配設(shè)計流程Fig.2 Heat Sink and Engine Matching Check Flow Chart

根據(jù)圖中所示流程圖，對所研究的發(fā)動機高溫散熱器進(jìn)行校核[8]，必須滿足：

2.2.3 管帶式散熱器設(shè)計

發(fā)動機參數(shù)值，如表1所示。

表1 發(fā)動機參數(shù)表Tab.1 Engine Parameter Table

根據(jù)發(fā)動機的參數(shù)要求，結(jié)合式（1）至式（5）的設(shè)計參數(shù)，對參數(shù)進(jìn)行設(shè)計。據(jù)散熱器廠的試驗結(jié)果，散熱管內(nèi)實際水流速度在（0.8～1.4）m/s時散熱效果最佳，超過1.4 m/s后，對提高散熱率的效果不大，卻因為管子截面尺寸的加大，使芯子的材料消耗和重量都有較大增加[9]。但管內(nèi)實際水流速度在低于0.2 m/s時，單位時間的散熱量小，散熱器進(jìn)出水溫差較大，造成發(fā)動機進(jìn)水溫度偏低，不利于燃燒。散熱器廠的管型有16×1.8和16×2兩種，兩排管芯的排間距為（5～10）mm，16×1.8的管子過窄，會使管內(nèi)水流速度偏小，或為了保證一定的水流速度，需要的管子數(shù)量多，增大了阻力，因此選擇16×2管型結(jié)果，如表2所示。

表2 匹配設(shè)計計算結(jié)果Tab.2 Matching Design Calculation Result

為了充分利用發(fā)動機艙內(nèi)部空間，增加駕駛室周圍的活動空間現(xiàn)代礦用汽車常將副水箱與散熱器設(shè)計成一體。如圖3（a）所示，副水箱的位置處于散熱器上水室的上方，通過通氣立管連接，當(dāng)散熱器內(nèi)流體溫度升高體積膨脹時，水從通氣立管流到副水箱內(nèi)；當(dāng)溫度降低，體積變小時，水從副水箱的補水管流至發(fā)動機。散熱器內(nèi)的空氣也可通過通氣立管排到副水箱中，最終通過壓力蓋排到大氣中[10]。在副水箱的設(shè)計中，可先由確定的散熱器芯體流體體積、上下水室體積、發(fā)動機水套以及油冷卻器體積等確定整個冷卻系統(tǒng)的總水量，再由總水量確定副水箱的儲備空間和膨脹空間。最終可確定散熱器的尺寸，三維建模如圖3（b）所示。

圖3 散熱器三維設(shè)計圖Fig.3 3D Design of the Heat Sink

2.2.4 散熱器風(fēng)阻試驗測量

散熱器臺架風(fēng)洞性能試驗是在風(fēng)洞試驗臺上進(jìn)行的，試驗方法及數(shù)據(jù)處理按照機械工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)JB/T 2293-1978《汽車、拖拉機散熱器風(fēng)洞試驗方法》進(jìn)行。通過改變質(zhì)量流量，獲取散熱器的風(fēng)阻數(shù)據(jù)，制成性能曲線，如圖4所示。

圖4 高溫散熱器性能曲線圖Fig.4 Heat Sink Performance Graph

2.3 中冷器參數(shù)確定

增壓器向發(fā)動機提供增壓空氣以提高發(fā)動機的功率和效率。增壓器利用發(fā)動機尾氣提供動力，會使得進(jìn)氣溫度升高，因此，需要對其進(jìn)行降溫，通過中冷器進(jìn)行。大功率發(fā)動機工作環(huán)境多塵，使用環(huán)境惡劣，中冷器芯體的散熱片密度應(yīng)不多于32～40片/米，不使用百葉窗式的散熱片，因為散熱片密度過高容易堵塞，需要頻繁清洗[11]。最佳的散熱片密度和結(jié)構(gòu)需要通過實地試驗決定。芯體尺寸選取的原理與高溫散熱器基本相同，經(jīng)計算校核參數(shù)，如表3所示。

表3 中冷器芯體參數(shù)Tab.3 Intercooler Core Parameters

經(jīng)試驗得中冷器的性能曲線，如圖5所示。

圖5 中冷器性能曲線圖Fig.5 Cooler Performance Curve

3 冷卻風(fēng)扇的選型與匹配

3.1 冷卻風(fēng)扇的選型

由于發(fā)動機前置，行走速度不高，選擇吸風(fēng)扇能夠利用溫度較低的空氣冷卻水箱，效率高于排風(fēng)扇。相關(guān)參數(shù)的設(shè)計，是風(fēng)扇選型的基礎(chǔ)。

（1）冷卻風(fēng)量

式中：λ—漏損系數(shù)；ρa—空氣的密度；Δta—冷卻空氣的溫升。

（2）風(fēng)扇前后的溫差：

式中：T1—風(fēng)扇入口溫度；P1、P2—風(fēng)扇進(jìn)出口的壓力；ηis—等熵效率。

（3）風(fēng)扇風(fēng)壓

整個冷卻風(fēng)道的阻力為：

式中：△pk1—散熱器的阻力；△pk2—空氣通道的阻力。

（4）風(fēng)扇效率：

（5）風(fēng)扇功率

式中：Pf—風(fēng)扇消耗的功率；ηf—風(fēng)扇效率。

依據(jù)上述風(fēng)扇的計算要求，以及發(fā)動機連接尺寸的限制，選擇1067-6ZL-12-27.5型號的風(fēng)扇，其性能曲線，如圖6所示。

圖6 風(fēng)扇性能曲線Fig.6 Fan Performance Curve

3.2 冷卻系統(tǒng)匹配及效率分析

系統(tǒng)主要部件性能特性，如圖7所示。

圖7 中冷器、高溫散熱器和風(fēng)扇的匹配曲線Fig.7 Matching Curves of the Cooler，Radiator and Fan

由圖中可知，標(biāo)出點的空氣流量約為14 kg/s，靜壓約為800 Pa，效率為68%。系統(tǒng)總的散熱效率與各部分主要單元的效率具有直接的關(guān)系[12]，各部分影響因素的效率集合在一起即可得到系統(tǒng)的效率，通過查閱文獻(xiàn)，選取與設(shè)計參數(shù)相近的系數(shù)，估算得到系統(tǒng)的效率為68.92%，因此，可估算得到實際空氣流量為14.34 kg/s。

4 系統(tǒng)性能對比分析

基于計算流體力學(xué)軟件，建立風(fēng)扇、高溫散熱器、中冷散熱器及相關(guān)的其他零部件的三維模型，并根據(jù)相關(guān)之間的位置關(guān)系進(jìn)行裝配，如圖8所示。環(huán)境溫度為常溫20℃，運行速度為10m/s，對邊界條件進(jìn)行設(shè)計。求解殘差，如圖9所示。

圖8 系統(tǒng)部分單元三維模型Fig.8 System Part Unit 3D Model

圖9 殘差曲線Fig.9 Residual Curve

獲取高溫散熱器和中冷散熱器各相關(guān)溫度，及冷卻空氣和冷卻液的流速，如表5所示。由表可知，模擬分析結(jié)果與理論設(shè)計基本吻合。

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)實驗平臺由發(fā)動機、冷卻風(fēng)扇、散熱器、冷卻循環(huán)管路及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成試驗平臺簡圖如圖10所示。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)試驗平臺由發(fā)動機、冷卻風(fēng)扇，散熱器、冷卻循環(huán)管路、發(fā)電機、電動機、測功機、耗功電阻柜、勵磁電源、變頻器、軸流風(fēng)機、溫度及扭矩傳感器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。

圖10 試驗測試系統(tǒng)Fig.10 Test System

測試中，傳感器在水路布置為：在節(jié)溫器前出水總管處安裝溫度傳感器，測量出水溫度；在水泵進(jìn)水管處安裝溫度傳感器，測量進(jìn)水溫度[13]；在氣路布置為：在空氣濾清器后和渦輪增壓器后排氣總管處分別安裝溫度傳感器，測量進(jìn)氣溫度和排氣溫度。測量記錄發(fā)動機運行的環(huán)境空氣溫度，發(fā)動機的排氣溫度，冷卻水的進(jìn)出散熱器的溫度變化，空氣進(jìn)出中冷散熱器的溫度變化，發(fā)動機輸出端的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速。在發(fā)動機各個冷卻介質(zhì)溫度值變化在最后5min 內(nèi)不超0.3℃時認(rèn)為發(fā)動機發(fā)熱已達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，并記錄數(shù)據(jù)。每隔0.04s 記錄一次數(shù)據(jù)，直至冷卻液溫度達(dá)到每個階段的穩(wěn)定狀態(tài)。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的運行試驗中，發(fā)動機在轉(zhuǎn)速為1900rpm，輸出功率為22.3kW工況條件下工作時，其水冷和中冷介質(zhì)的溫度變化原始采集曲線和重新擬合曲線分別，如圖11所示。

圖11 冷卻介質(zhì)溫度擬合曲線Fig.11 Cooling Medium Temperature Fitting Curve

從圖中可以看出冷卻水的溫度能夠保持在發(fā)動機正常工作溫度（80～95）℃之間，說明了系統(tǒng)設(shè)計的正確性，穩(wěn)定后參數(shù)，如表5所示。

表5 溫度數(shù)據(jù)對比Tab.5 Comparison of Temperature Data

根據(jù)表中分析結(jié)果可知，試驗分析和仿真分析結(jié)果基本一致，二者之間的誤差在5%以內(nèi)。試驗值略大于仿真值主要由于試驗中存在各種損耗，而仿真中忽略了此部分的影響。

5 結(jié)論

針對大功率汽車發(fā)動機散熱器系統(tǒng)進(jìn)行匹配性設(shè)計，采用理論分析和仿真模擬、試驗測試相結(jié)合的分析方法，結(jié)果可知：

（1）采用中冷器、高溫散熱器和冷卻風(fēng)扇三者的性能曲線進(jìn)行匹配，確定了標(biāo)定點，標(biāo)出點的空氣流量約為14 kg/s，靜壓約為800 Pa，效率為68%；（2）通過冷卻系統(tǒng)各部分影響系數(shù)對整體的散熱效率進(jìn)行分析，選擇與特定安裝最接近的狀態(tài)，然后把所有的系數(shù)乘起來就可以得到整個系統(tǒng)的效率，經(jīng)估算系統(tǒng)效率68.92%，實際空氣流量為14.34 kg/s；（3）采用CFD仿真分析和試驗測試結(jié)果表明，誤差在5%以內(nèi)，冷卻系統(tǒng)滿足發(fā)動機的冷卻需求，系統(tǒng)的設(shè)計是正確的。根據(jù)熱流體和傳熱學(xué)知識，在考慮發(fā)動機布置空間的情況下，基于外循環(huán)阻力最小原則，對發(fā)動機的整個冷卻系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)布置，該冷卻系統(tǒng)匹配設(shè)計計算方法，對實際工程應(yīng)用具有重要意義。