基于CFD的曲通管電加熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

于貴芙，黃昌瑞，張治國(guó)

基于CFD的曲通管電加熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

于貴芙，黃昌瑞，張治國(guó)

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

文章以整車高寒工況下曲軸箱通風(fēng)管口結(jié)冰問題布置的PTC電加熱單元為研究對(duì)象，通過對(duì)比不同電加熱單元布置結(jié)構(gòu)下竄氣氣流溫度和電加熱單元溫度，得出整車在極寒高速工況下受進(jìn)氣氣流影響更小，在使用相同加熱功率條件下加熱曲軸箱通風(fēng)管管口效果最優(yōu)的布置結(jié)構(gòu)。

曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)；電加熱結(jié)構(gòu)

前言

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，燃燒室內(nèi)由一部分燃油蒸汽、水蒸氣和燃燒廢氣等構(gòu)成，曲軸箱竄氣通過活塞環(huán)與氣缸套的間隙進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱，并通過發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)，為防止氣體中成分對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件及機(jī)油造成影響，需要通過強(qiáng)制曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)排入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)重新參與燃燒。但當(dāng)車輛在冬季行駛，曲軸箱竄氣中的水蒸氣極易受環(huán)境溫度影響，在與竄氣通道管口位置與冷空氣相遇結(jié)冰，當(dāng)結(jié)冰堵塞曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)管路時(shí)，曲軸箱內(nèi)竄氣無法及時(shí)排出將會(huì)導(dǎo)致曲軸箱壓力將急劇上升，產(chǎn)生曲軸箱油封滲漏、發(fā)動(dòng)機(jī)燒機(jī)油（排氣能夠觀察到藍(lán)色霧氣）、機(jī)油尺噴出等問題。為避免此問題產(chǎn)生，一般曲軸箱通風(fēng)管路末端結(jié)冰位置會(huì)布置利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水進(jìn)行加熱的結(jié)構(gòu)[1]，不同于水加熱結(jié)構(gòu)受限于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)布置，利用整車電瓶，由ECU控制的PTC電加熱單元更容易設(shè)計(jì)布置和針對(duì)不同工況利用ECU進(jìn)行控制[2]。但在?40 ℃極寒天氣下，受限于PTC電加熱單元功率，不合適的布置結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致加熱結(jié)構(gòu)未能發(fā)揮作用，管口仍會(huì)結(jié)冰。本文主要通過對(duì)不同PTC電加熱單元布置結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，得出“極寒”天氣下最適宜的結(jié)構(gòu)。

1 結(jié)冰問題描述

某車型前期研發(fā)時(shí)為防止后期曲軸箱通風(fēng)管路結(jié)冰，在曲軸箱通風(fēng)管口（潛在結(jié)冰位置）布置了PTC電加熱結(jié)構(gòu)，但車輛在海拉爾進(jìn)行高寒高速工況試驗(yàn)車輛行駛到120公里時(shí)出現(xiàn)曲軸箱壓力異常升高，停車檢查發(fā)現(xiàn)曲軸箱通風(fēng)管接口內(nèi)出現(xiàn)結(jié)冰狀況，拆卸相關(guān)零部件觀察進(jìn)氣管內(nèi)部確定結(jié)冰位置介于電加熱導(dǎo)熱管和進(jìn)氣管通道之間（如圖1）。通過對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行流場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)竄氣氣流在流出加熱器導(dǎo)熱管后即貼向管壁（見圖2圓圈處），由于進(jìn)氣管處于整車發(fā)倉迎風(fēng)面，進(jìn)氣管壁溫度極低，竄氣在該位置急速冷卻，竄氣內(nèi)水分也在此凝結(jié)，而導(dǎo)熱管熱量并不能覆蓋到該位置最終導(dǎo)致結(jié)冰問題產(chǎn)生。

圖1 原始方案曲軸箱通風(fēng)管接口內(nèi)結(jié)冰

圖2 結(jié)冰位置示意圖

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)

為規(guī)避圖2中圓圈位置曲軸箱竄氣從導(dǎo)熱管流出后與進(jìn)氣管管壁接觸的問題，將PTC電加熱結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱管延長(zhǎng)如圖3所示，延長(zhǎng)后重新進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算如圖4。延長(zhǎng)導(dǎo)熱管后曲軸箱竄氣從導(dǎo)熱管口流出后直接匯入進(jìn)氣管進(jìn)氣氣流，避免了之前結(jié)冰溫度。

圖3 導(dǎo)熱管延長(zhǎng)示意圖

圖4 結(jié)冰位置示意圖

對(duì)改進(jìn)后結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行高寒高速工況試驗(yàn)驗(yàn)證，車輛行駛至油量提醒未出現(xiàn)曲軸箱壓力異常升高問題，拆解PTC電加熱結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)在進(jìn)氣管內(nèi)出現(xiàn)豎起片狀結(jié)冰（如圖5所示）。

對(duì)比改進(jìn)前后通過試驗(yàn)溫度傳感器監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)電加熱結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)控點(diǎn)數(shù)據(jù)由原來約10 ℃降為0 ℃，加熱器熱量流失增大。經(jīng)分析是由于改進(jìn)后結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱管伸入進(jìn)氣管內(nèi)，其熱量被進(jìn)氣氣流帶走得更多，當(dāng)導(dǎo)熱管溫度低于10 ℃后，曲軸箱竄氣在流經(jīng)低溫的導(dǎo)熱管時(shí)會(huì)有部分水分冷凝，并被氣流帶動(dòng)沿管口流出，形成圖5中豎直積起的結(jié)冰。使用較之前更大功率的電加熱結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，電加熱結(jié)構(gòu)溫度并無可見提升，主要由于露出導(dǎo)熱管迎風(fēng)面過大，單純加大加熱器功率已無法彌補(bǔ)導(dǎo)熱管的熱量損失。

圖5 改進(jìn)結(jié)構(gòu)曲軸箱通風(fēng)管接口內(nèi)結(jié)冰

圖6 電加熱結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)比

經(jīng)驗(yàn)證，圖5中結(jié)冰在車輛停車怠速時(shí)會(huì)明顯消融，但對(duì)于非連續(xù)高寒高速行駛用戶和城市工況用戶無管路結(jié)冰堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

3 持續(xù)優(yōu)化

通過之前兩款加熱器布置的分析及試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，電加熱結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱管如果未探入進(jìn)氣管，就會(huì)在接口位置結(jié)冰；如果探入過長(zhǎng)，又會(huì)被竄氣帶走熱量失去加熱功能。目前布置結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱管軸線未指向進(jìn)氣管軸心，如果調(diào)整導(dǎo)熱管位置，將導(dǎo)熱管軸線指向進(jìn)氣管軸心，則可保證導(dǎo)熱管露出進(jìn)氣管且露出迎風(fēng)面積最小。對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析如圖7（c）所示，加熱器最高溫度42 ℃，導(dǎo)熱管末端最低溫度29.2 ℃，相較圖7（a）的原始結(jié)構(gòu)溫度要略低，但比改進(jìn)方案圖7（b）要明顯改善導(dǎo)熱管溫度。在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上將接口位置作局部凹陷設(shè)計(jì)，避免接口與進(jìn)氣氣流直接交匯則可以將加熱器最高溫度提升到62.2 ℃，導(dǎo)熱管末端最低溫度提升至53.5 ℃（見圖7（d））。將4種布置方案分析數(shù)據(jù)結(jié)果匯總至圖8，可明顯比較出不同布置結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)熱管溫度影響，從數(shù)據(jù)上采用圖7（d）中優(yōu)化布置方案分析結(jié)果最好，在實(shí)際布置時(shí)，可以調(diào)整凹陷位置，只需保證加熱器導(dǎo)熱管能均勻露出接頭一小部分即可，凹陷位置盡量正對(duì)進(jìn)氣管軸線即可。

圖7 不同布置結(jié)構(gòu)加熱器溫度分析

圖8 不同布置結(jié)構(gòu)加熱器溫度數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)論

電加熱結(jié)構(gòu)盡管可以有效融化曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)管口結(jié)冰，但由于電加熱結(jié)構(gòu)的金屬導(dǎo)熱材質(zhì)在實(shí)際使用過程中也更容易受進(jìn)氣氣流影響，如設(shè)計(jì)不當(dāng)，在低溫環(huán)境下反而加速管口結(jié)冰現(xiàn)象。通過分析之后，如能將加熱結(jié)構(gòu)適當(dāng)布置于不受進(jìn)氣氣流影響位置，就可以提升電加熱結(jié)構(gòu)熱量利用率，在保證功能前提下減少不必要能量損失。

[1] 袁海馬,黃昌瑞,李振華,等.汽油機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)加熱結(jié)構(gòu)[J].內(nèi)燃機(jī),2014(5):13-15.

[2] 簡(jiǎn)輝,張弘,朱戈,等.曲軸箱通風(fēng)呼吸管結(jié)冰問題解決方案[J].上海汽車,2014(12):53-55.

Optimization of Electric Heating Structure of Flexible Tube Based on CFD

YU Guifu, HUANG Changrui, ZHANG Zhiguo

( Brilliance Auto R&D Center, Liaoning Shenyang 110141 )

In this paper, the PTC electric heating unit is designed to solve the freezing problem of the blowby pipeline under the vehicle cold working condition. Under the same heating power, through the comparison of the blowby-air temperature and the temperature of the electric heating unit, the optimal layout scheme of electric heating is obtained under the condition of extremely cold and high speed, which is less affected by the inlet air flow.

Crankcase ventilation system; Electric heating structure

U464

A

1671-7988(2021)15-86-03

U464

A

1671-7988(2021)15-86-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.024

于貴芙，就職于華晨汽車工程研究院。