輕型卡車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理優(yōu)化分析

陳玉鴻

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230022）

前言

發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理是從系統(tǒng)集成和整體角度，統(tǒng)籌熱管理系統(tǒng)與熱管理對(duì)象、整機(jī)的關(guān)系，采用綜合控制和系統(tǒng)管理的方法，將各個(gè)系統(tǒng)或部件如冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)及后處理系統(tǒng)等集成一個(gè)有效的熱管理系統(tǒng)，控制和優(yōu)化工程機(jī)械的熱量傳遞過(guò)程，保證各關(guān)鍵部件和系統(tǒng)安全高效運(yùn)行，完善地管理并合理利用熱能，降低廢熱排放，提高能源利用效率，減少環(huán)境污染。

通過(guò)三維流體分析軟件star-ccm+，對(duì)某型輕型卡車的發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分析，評(píng)價(jià)進(jìn)入冷卻系統(tǒng)的空氣流量，以及發(fā)動(dòng)機(jī)艙的溫度分布，去除熱害隱患。

1 三維熱管理分析

1.1 三維模型搭建

首先建立整車三維數(shù)模，建立熱管理的三維計(jì)算模型，模型包含了除駕駛艙內(nèi)飾外的所有部件，為了捕捉到細(xì)微的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，對(duì)格柵等部件進(jìn)行了特殊處理，如圖1。

圖1 三維計(jì)算模型

在整車模型的基礎(chǔ)上，建立流體計(jì)算空間，并劃分流體網(wǎng)格，如圖2。

圖2 三維網(wǎng)格

1.2 計(jì)算結(jié)果分析

1.2.1 流場(chǎng)分析

截取車身不同位置的截面，分析發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部的流場(chǎng)，如圖3。

由計(jì)算結(jié)果得到從格柵進(jìn)入的風(fēng)在中冷器處受到阻力，導(dǎo)致氣體上下分流，沒(méi)有很好的通過(guò)中冷器，風(fēng)扇護(hù)罩的布置不太合理，導(dǎo)致風(fēng)扇上半部分的高風(fēng)速?zèng)]有對(duì)散熱器起到散熱作用，風(fēng)扇的效率較低，另外，中冷器以及散熱器的布置不合理，中冷器的位置偏下，風(fēng)扇的強(qiáng)制對(duì)流作用沒(méi)有很好的作用到中冷器。

在車速 50km/h的工況下，通過(guò)中冷器的空氣流量為0.442kg/h，通過(guò)散熱器的空氣流量為1.052kg/h。

1.2.2 溫度場(chǎng)分析

通過(guò)施加溫度邊界，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部的溫度場(chǎng)，如圖4，可以分析機(jī)艙內(nèi)部是否有回流現(xiàn)象，以及局部熱害點(diǎn)。

通過(guò)溫度場(chǎng)分析得到流線圖以及溫度云圖，獲得了發(fā)動(dòng)機(jī)艙的溫度分布情況。中冷器以及散熱器作為熱交換器設(shè)置，外界冷空氣進(jìn)入中冷器和散熱器之后被逐步加熱，在散熱器前有熱回流產(chǎn)生，導(dǎo)致散熱器排風(fēng)的部分溫度較高，影響散熱效率，需要增加改進(jìn)措施。

圖4 溫度場(chǎng)分析

1.2.3 中冷器上移優(yōu)化方案

將中冷器上移160mm，并在中冷器下側(cè)增加導(dǎo)流板以增加通過(guò)中冷器的進(jìn)氣流量，如圖5。

圖5 中冷器上移

在移動(dòng)了中冷器并增加了導(dǎo)流板后，中冷器的進(jìn)氣風(fēng)量有所增加，如表 1，但是由于中冷器阻擋了散熱器的進(jìn)氣，導(dǎo)致散熱器的進(jìn)氣流量有所降低，如圖 6，可以通過(guò)下移風(fēng)扇的位置并修改風(fēng)扇護(hù)罩以及修改格柵方案提高通過(guò)中冷器以及散熱器的風(fēng)量。

表1 進(jìn)風(fēng)量對(duì)比

圖6 中冷器上移方案對(duì)比

1.2.4 增加導(dǎo)流板優(yōu)化方案

根據(jù)之前的分析結(jié)果，給出兩種不同的導(dǎo)流板如圖 7，計(jì)算在這兩種不同導(dǎo)流板作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部的流場(chǎng)情況。

圖7 兩種不同導(dǎo)流板

新增的導(dǎo)流板1由于遮擋了部分從機(jī)艙底部進(jìn)入到冷卻模塊的氣流，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)量反而有所下降，導(dǎo)流板2直接連接到進(jìn)氣格柵位置，對(duì)進(jìn)入格柵的氣流有一定的導(dǎo)向作用，但是效果并不明顯，如圖 8，建議將側(cè)面也增加導(dǎo)流板，形成從進(jìn)氣格柵到冷卻模塊之間的一個(gè)流動(dòng)通道，提高進(jìn)風(fēng)量。

圖8 截面流場(chǎng)圖

由流線圖可以看出，如圖 9，原始方案在底部有一部分氣流會(huì)流入發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)通過(guò)換熱模塊，導(dǎo)流板1遮擋了這部分氣流，但導(dǎo)流板2在通過(guò)進(jìn)氣格柵后氣流速度有所提高，一定程度上增加了進(jìn)氣量。

圖9 流線圖

1.2.5 發(fā)動(dòng)機(jī)上導(dǎo)流板優(yōu)化方案

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)上導(dǎo)流板

在散熱器上方增加導(dǎo)流板方案，減少風(fēng)扇排風(fēng)重新進(jìn)入到散熱器的熱回流，如圖10。

新增的導(dǎo)流板可以有效的隔絕風(fēng)扇排風(fēng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的熱回流重新進(jìn)入到散熱器，有效的排除了熱回流的問(wèn)題，如圖11、12，這樣的優(yōu)化設(shè)計(jì)提高了冷卻系統(tǒng)的工作效率。

圖11 截面溫度場(chǎng)對(duì)比

圖12 流線圖對(duì)比

2 總結(jié)

從三維分析中可以得到詳細(xì)的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布情況，為三維機(jī)艙優(yōu)化提供參數(shù)。該型輕型卡車從三維流場(chǎng)分析入手，計(jì)算了機(jī)艙流場(chǎng)、溫度場(chǎng)，進(jìn)行了多次優(yōu)化，最后找到一條切實(shí)可行，并且效果相對(duì)較好的優(yōu)化方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 周龍寶,劉忠長(zhǎng),高宗英.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[2] 謝輝,康娜.重型柴油機(jī)冷卻風(fēng)扇和水泵的功率分配對(duì)熱管理系統(tǒng)總能耗的影響[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2015.

[3] 肖能,王小碧,王偉民,等.前擾流板對(duì)機(jī)艙進(jìn)氣量和車輛氣動(dòng)阻力的影響研究[J].汽車工程,2014.

[4] 李毅,董琳,張延靜.電子風(fēng)扇與散熱器距離匹配的試驗(yàn)研究[J].裝備制造技術(shù),2012.