增程式混動車輛排氣系統(tǒng)熱管理分析

孫小岡

（浙江零跑科技股份有限公司，浙江 杭州 310000）

近年來，汽車成為人們生活中不可或缺的一 部分，汽車行駛的安全性及舒適性成為人們的關(guān)注點。在國家“碳中和”的戰(zhàn)略背景下，新能源汽車普及度不斷地提升，但是其頻發(fā)的自燃等熱害事件也引發(fā)了人們對新能源汽車可靠性的懷疑。因此，如何有效地降低整車熱害風(fēng)險，成為研發(fā)人員工作的重心。

目前，大部分的汽車公司選擇通過計算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）虛擬仿真與實際試驗相結(jié)合的方法來提高汽車產(chǎn)品的設(shè)計可靠性。CAE虛擬仿真技術(shù)可以縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期、減少研發(fā)費用，而試驗結(jié)果又可用于修正CAE虛擬仿真的參數(shù)，二者相輔相成。

增程式混動車輛具有純電與燃油的雙動力系統(tǒng)，既保持了純電駕駛的舒適性，又有燃料添加的便利性，令消費者沒有里程焦慮，目前已經(jīng)成為新能源技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。然而這對汽車研發(fā)人員而言，卻有著新的挑戰(zhàn)。

增程式混動車輛在有限的機(jī)艙空間內(nèi)除了要布置發(fā)動機(jī)以及相關(guān)附件系統(tǒng)外，還需加入發(fā)電機(jī)、驅(qū)動電機(jī)等電控系統(tǒng)，空間環(huán)境更加擁擠。而發(fā)動機(jī)內(nèi)汽油燃燒會產(chǎn)生大量的熱量，目前大部分汽車發(fā)動機(jī)的熱效率只有30%～50%[1]，其余大部分熱量通過冷卻系統(tǒng)、廢氣排放以及熱輻射形式傳遞到外界。

發(fā)動機(jī)廢熱可以將排氣系統(tǒng)加熱至 600℃甚至更高，機(jī)艙整體環(huán)境溫度將會升至90 ℃及以上[2]。這導(dǎo)致在緊湊的汽車機(jī)艙內(nèi)、沿排氣系統(tǒng)布置的機(jī)艙和底盤零部件（其中含大量的塑料、橡膠、電子控制單元等器件）在持續(xù)的高溫環(huán)境下快速老化從而喪失功能[3]?，F(xiàn)實生活中很多汽車自燃的事件，大多數(shù)是因為持續(xù)的高溫導(dǎo)致零件失效。

本文以零跑汽車某項目增程式混動車輛開發(fā)為背景，結(jié)合計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）仿真分析與環(huán)境艙熱平衡試驗，對排氣系統(tǒng)及其周邊零部件的溫度場進(jìn)行了研究，通過采用隔熱板阻斷熱輻射的傳遞路徑，設(shè)計導(dǎo)風(fēng)結(jié)構(gòu)改善機(jī)艙流場[4]，從而降低機(jī)艙和底盤的環(huán)境溫度，降低整車零部件的熱害風(fēng)險，從而達(dá)到保護(hù)沿排氣系統(tǒng)布置的零部件、提高整車駕駛安全性的目的。

1 整車CFD仿真模型的建立

本次研究基于零跑某款增程車型，進(jìn)行三維建模分析[5]，圖1、圖2為模型圖。

圖1 CFD分析整車模型

圖2 CFD分析整車模型（截面）

CFD仿真邊界條件：

1）工況設(shè)置：環(huán)境溫度40 ℃，怠速、低速爬坡（車速：40 km/h；坡度：10%）、高速爬坡（車速：100 km/h；坡度：4%）；

2）入口類型：速度入口；

3）出口類型：壓力出口；

4）湍流模型：k-epsilon模型；

5）離散格式：二階迎風(fēng)式；

6）冷卻模塊阻力參數(shù)（表1）&換熱量（表2）；

表1 冷卻模塊阻力參數(shù)

表2 冷卻模塊換熱量 單位：kW

7）基于發(fā)動機(jī)臺架試驗采集的數(shù)據(jù)，結(jié)合工程經(jīng)驗，熱源溫度的設(shè)定如表3所示。

表3 熱源溫度 單位：℃

表3 續(xù)

2 機(jī)艙底盤零部件的熱害風(fēng)險識別

仿真結(jié)果顯示，沿排氣系統(tǒng)的周邊件的熱害問題非常明顯，具體如下。

機(jī)艙件：怠速、低速爬坡、高速爬坡工況下，前艙內(nèi)的渦輪增壓器、預(yù)催、排氣管等高溫?zé)嵩磳ζ涓浇臋C(jī)艙鎖、燃油管、前懸置膠墊、發(fā)動機(jī)進(jìn)出水管、風(fēng)扇電機(jī)及護(hù)圈、機(jī)油管、渦流水膠管、油膠管、前艙線束、高壓線束、發(fā)動機(jī)上蓋板、發(fā)動機(jī)下護(hù)板、發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)控制器等零部件進(jìn)行高溫?zé)彷椛洌瑢?dǎo)致機(jī)艙內(nèi)零部件的平均溫度超過 95 ℃，超出部分零部件耐受溫度上限，存在風(fēng)險（圖3）。

圖3 低速爬坡-機(jī)艙溫度云圖

電池包：怠速、低速爬坡、高速爬坡工況下，高溫排氣管對電池包、驅(qū)動電機(jī)出水管表面直接進(jìn)行高溫?zé)彷椛?，且來自前艙?nèi)的高溫氣流對電池包上端面對流換熱，導(dǎo)致電池包表面最高溫度達(dá)到181.4 ℃，存在風(fēng)險（圖4）。

圖4 怠速-底盤&動力電池溫度云圖

后艙件：怠速、低速爬坡、高速爬坡工況下，后艙內(nèi)的排氣管、后消等高溫?zé)嵩磳ζ涓浇碾姍C(jī)控制器、后橫向穩(wěn)定桿襯套、后懸置膠墊、備胎池等零部件直接進(jìn)行高溫?zé)彷椛?，且流向后保的高溫氣流?jīng)后保流向兩側(cè)，導(dǎo)致零部件溫度超標(biāo)，存在風(fēng)險（圖5）。

圖5 低速爬坡-底盤&后懸溫度云圖

整理相關(guān)零部件的耐受溫度及各工況溫度，僅列舉主要零部件，如圖6所示。

圖6 零部件極限溫度（CFD仿真）-首輪

此輪分析中，熱源（排氣系統(tǒng)）的設(shè)計方案如圖7所示，采取的是在局部區(qū)域隔熱，其他區(qū)域裸露的策略。

圖7 排氣系統(tǒng)局部隔熱板包裹區(qū)域

局部隔熱的方案如圖8所示方案，由一層的0.5 mm不銹鋼層（SUH409L）、一層的8 mm玻璃纖維層和第三層的排氣管管體組成，合計三層結(jié)構(gòu)，工程上常常稱之為“三明治”方案。

圖8 三明治隔熱方案示意圖

若布置空間允許，此方案還有一種擴(kuò)展型，即在三明治方案基礎(chǔ)上，玻璃纖維和排氣管管體之間再增加一層空氣隔熱，結(jié)構(gòu)即0.5 mm不銹鋼+ 8 mm玻璃纖維+ 0.5 mm不銹鋼+ 8 mm空氣+熱源本體。

此擴(kuò)展型三明治方案理論上保溫和隔熱的性能更優(yōu)，但是對成本及布置空間提出了更高的要求，工程上需要綜合考慮。本研究經(jīng)分析，決定不采用此擴(kuò)展型三明治方案。

3 整車熱平衡試驗

為了進(jìn)一步識別整車熱害風(fēng)險，同時驗證CFD仿真結(jié)果的可靠性，本研究進(jìn)行了環(huán)境艙熱平衡試驗[6]。

環(huán)境艙試驗邊界：

1）環(huán)境溫度：40 ℃；

2）濕度：50%；

3）光照：1 000 W/m2；

4）試驗工況：怠速、低速爬坡（車速：40 km/h；坡度：10%）；高速爬坡（車速：100 km/h；坡度：4%）；

5）試驗時間：30 min。

試驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 零部件極限溫度（熱平衡）-首輪

4 熱害分析及修正優(yōu)化

在多輪CFD仿真以及首次環(huán)境艙熱平衡試驗后，研究發(fā)現(xiàn)，低速爬坡工況相對于其他工況（怠速和高速爬坡）的熱害風(fēng)險更大，因此，后續(xù)CFD仿真分析將主要集中針對低速爬坡工況進(jìn)行。

對比CFD計算值（圖6）和熱平衡測量值（圖9），可以發(fā)現(xiàn)，理論計算結(jié)果與試驗測量結(jié)果具有一定的偏差（對比圖為圖10）。

圖10 CFD仿真與熱平衡對比-低速爬坡-首輪

本研究決定基于試驗數(shù)據(jù)對CFD的仿真模型進(jìn)行一定的修正。

冷卻模塊阻力參數(shù)：模型合理，無需修正；

冷卻模塊換熱量：環(huán)境艙測量值與經(jīng)驗值相差較大，需基于環(huán)境艙實測值進(jìn)行修正（表4）；

表4 冷卻模塊換熱量（修正） 單位：kW

熱源溫度：環(huán)境艙測量值與發(fā)動機(jī)臺架數(shù)值相差較大，需基于環(huán)境艙實測值修正（圖11）。

圖11 熱源溫度設(shè)定（修正前/后）

修正后如表4、圖11所示。

在對CFD仿真模型進(jìn)行修正的同時，本研究還對排氣系統(tǒng)的設(shè)計方案進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化。

本研究發(fā)現(xiàn)，整車機(jī)艙及底盤溫度超標(biāo)的零部件都存在一個共性，即被排氣管的裸露區(qū)域直接熱輻射。故得到結(jié)論：長期的、直接的熱輻射會導(dǎo)致零件表面持續(xù)升溫，超出零件的耐溫上限。

因此，如何阻斷熱輻射的傳遞以及提升周邊零部件的耐溫極限，成為解決熱害問題的關(guān)鍵。

本研究決定采用一種排氣系統(tǒng)的隔熱板全包裹的設(shè)計方案。方案如下：在排氣系統(tǒng)與周邊零部件之間布置鋁制隔熱板，用以阻斷熱輻射（圖12）。同時對周邊件進(jìn)行材質(zhì)提升，在其性能容許范圍內(nèi)選取極限耐溫值高的材料，關(guān)于材質(zhì)提升的部分本文不作詳細(xì)闡述。

圖12 壓花鋁板隔熱板方案

鋁制隔熱板采用單層壓花鋁板材料，此材質(zhì)具備易成型、輕量化、成本低、隔熱性能優(yōu)以及輻射低等多項優(yōu)點。

試驗表明在距離熱源25 mm處，壓花鋁板外表面溫度相對于熱源溫度的降幅約 350 ℃，距離壓花鋁板外表面10 mm處（隔著隔熱板，距離熱源約35 mm）的測點溫度可繼續(xù)降低約150 ℃。

壓花鋁板一般有0.5 mm、0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm等多種厚度規(guī)格，具體的選用標(biāo)準(zhǔn)需結(jié)合隔熱板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需求來確定。

壓花鋁板表面的壓花處理工藝，提升材料輻射反射面積的同時，還增強(qiáng)了材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

模態(tài)可作為判斷隔熱板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高低的一項重要指標(biāo)。

一般地，根據(jù)工程經(jīng)驗，對于安裝在副車架等運動件上的隔熱板，要求模態(tài)≥140 Hz；對于安裝在車身鈑金上的隔熱板，要求模態(tài)≥50 Hz。

另外，隔熱板型面的導(dǎo)流設(shè)計是關(guān)鍵：在滿足隔熱板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、可制造、易裝配等性能和工藝要求的前提下，還需引入導(dǎo)風(fēng)板的設(shè)計思想，將前艙熱流引向地面方向，避免前艙熱流沿著車身鈑金流竄與堆積。具體設(shè)計效果如圖13所示。

圖13 隔熱板導(dǎo)流設(shè)計效果-CFD仿真

參照以上設(shè)計，可以有效降低動力電池上表面、油箱上表面、油泵上表面以及水管線束等靠近車身鈑金的零部件的熱害風(fēng)險。

5 修正后的CFD仿真及熱平衡試驗

按修正后的輸入?yún)?shù)、優(yōu)化后的設(shè)計方案，進(jìn)行CFD仿真，結(jié)果如圖14所示。

圖14 零部件極限溫度（CFD仿真）-終輪

按新方案改制樣車，進(jìn)行環(huán)境艙熱平衡試驗，結(jié)果如圖15所示。

圖15 零部件極限溫度（熱平衡）-終輪

結(jié)果顯示，無論是CFD理論計算和環(huán)境艙熱平衡實測，相關(guān)零部件的最高溫度均在允許設(shè)計范圍內(nèi)。而且，對比CFD仿真與環(huán)境艙熱平衡試驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)二者結(jié)果高度一致，對比圖示如圖16所示。

至此，本研究所涉及的相關(guān)零部件的熱害風(fēng)險解除，設(shè)計目標(biāo)達(dá)成。

6 結(jié)論

綜合本研究內(nèi)容，可以得到如下結(jié)論：

1）增程式混動車型熱害風(fēng)險最大的工況為低速爬坡工況，可集中資源針對此工況進(jìn)行研究，提升效率；

2）長期的、持續(xù)的熱輻射是導(dǎo)致零部件表面溫度超標(biāo)的最直接原因。阻斷熱輻射的傳遞路徑與提升零件耐溫上限是最直接有效的措施；

3）壓花鋁板隔熱板易成型、輕量化、成本低、隔熱性能優(yōu)以及輻射低，工程上應(yīng)優(yōu)先選擇采用此材料；

4）表面積直接影響隔熱板隔熱性能，模態(tài)是隔熱板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的關(guān)鍵參數(shù)；

5）隔熱板型面的設(shè)計應(yīng)該結(jié)合導(dǎo)流的設(shè)計思想；

6）CFD虛擬仿真應(yīng)該有個持續(xù)修正的過程，尤其需要結(jié)合環(huán)境艙熱平衡試驗采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的修正，這樣才能更好地指導(dǎo)設(shè)計。

建議后來者進(jìn)行熱管理研究時，可以考慮機(jī)艙底盤零部件的優(yōu)化布置，比如管線同側(cè)以避開排氣管，又比如元器件布置在迎風(fēng)面等等。合理利用零件本身的特性進(jìn)行熱分配。此外提升冷卻模塊進(jìn)風(fēng)量、增加進(jìn)氣格柵開度、關(guān)鍵流道處增加導(dǎo)風(fēng)板等等措施也很重要，只是相對成本較大，可酌情考慮進(jìn)行綜合利用。