某新車型發(fā)動機(jī)艙熱管理仿真與試驗

施鵬飛 于劍澤 李飛 劉歡

（華晨汽車工程研究院）

隨著汽車性能和技術(shù)的不斷提高，對發(fā)動機(jī)的冷卻性能以及發(fā)動機(jī)艙熱管理技術(shù)的要求越來越嚴(yán)格。發(fā)動機(jī)的冷卻性能必須要滿足一定的設(shè)計要求，發(fā)動機(jī)艙也要能夠保持一個相對合理的溫度。因為這將對車輛的進(jìn)氣系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)及排氣系統(tǒng)等產(chǎn)生重要的影響，對提高整車的能量利用率和燃油經(jīng)濟(jì)性起到關(guān)鍵性的作用。對于發(fā)動機(jī)的冷卻性能及發(fā)動機(jī)艙熱管理技術(shù)國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行過深入的研究。文獻(xiàn)[1]利用CFD分析軟件Fl uent對汽車發(fā)動機(jī)艙進(jìn)行仿真計算，并與試驗數(shù)據(jù)對標(biāo)，驗證了仿真分析的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[2]利用一維和三維耦合仿真分析的方法，分析了發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的氣流流動情況和零部件之間的熱傳遞情況。文獻(xiàn)[3]研究了發(fā)動機(jī)艙在不同控制方法下的散熱性能，并應(yīng)用Fl owM ast er軟件驗證了該方法的可行性。文獻(xiàn)[4]應(yīng)用Fl owM ast er軟件分析了整個柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的熱平衡及循環(huán)過程，并通過試驗方法驗證了仿真模型的準(zhǔn)確性，針對存在的問題進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。文獻(xiàn)[5]利用Fl uent軟件對某款轎車的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，并與試驗進(jìn)行對比，評估了冷卻系統(tǒng)的性能。文章以某款柴油輕型客車為研究對象，建立了完整的整車仿真分析模型，利用CFD商業(yè)軟件STAR-CCM+分析了發(fā)動機(jī)艙內(nèi)流場的分布情況，并且指出了在結(jié)構(gòu)設(shè)計上存在的問題。在原有仿真分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，并通過整車熱平衡試驗來驗證優(yōu)化前后冷卻系統(tǒng)中冷卻液水溫是否滿足目標(biāo)要求。

1 基本控制方程及湍流模型

1.1 基本控制方程

考慮到汽車機(jī)艙內(nèi)部的氣流流動速度較低且密度變化小，假設(shè)氣體為黏性定常不可壓縮流體，基本控制方程，如式（1）～（3）所示[6]。

連續(xù)方程：

動量守恒方程：

能量方程：

ρ——流體體積質(zhì)量，kg/m3；

vi——平均速度在3個坐標(biāo)軸上的分量，m/s；

μ——流體的運動黏度，m2/s；

p——流體微元體上的壓強，Pa；

Si——動量守恒方程的廣義源項；

T——溫度，K；

k——流體的傳熱系數(shù)；

cp——比熱容，J/（kg·K）；

U——單位質(zhì)量的內(nèi)能，J；

ST——流體的黏性耗散項，J。

1.2 湍流模型

根據(jù)確定黏度方法的不同，湍流方程可以分為零方程模型、一方程模型及兩方程模型，其中常用到的模型是兩方程模型。基本的兩方程模型是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，此外還有修正的RNG模型和Realizablek-ε模型[7]。因Realizablek-ε模型在邊界層及剪切流流動中的適應(yīng)性較好，因此，文章選用Realizablek-ε模型。

2 仿真模型搭建

考慮汽車行駛的極限情況為汽車爬坡的情況，環(huán)境溫度設(shè)定為38℃。確定計算工況后，使用三維整車仿真計算出一維所需要的計算邊界條件（格柵進(jìn)氣量、多孔芯體風(fēng)速等），再運用一維仿真分析出發(fā)動機(jī)冷卻液的溫度，用以判斷是否滿足汽車的冷卻性能。

2.1 網(wǎng)格劃分

文章搭建了完整的整車仿真模型，在網(wǎng)格劃分時，忽略少量小尺寸零部件。設(shè)汽車長、寬、高分別為L，W，H，外部流體域為車前3L，車后6L，寬度為6W，高為6H。體網(wǎng)格劃分在機(jī)艙內(nèi)部、前保險杠及車燈附近添加邊界層，并且在發(fā)動機(jī)艙和底盤添加網(wǎng)格加密區(qū)。采用Trimmer網(wǎng)格進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，生成體網(wǎng)格數(shù)為44 886 385個，Y=0剖面的網(wǎng)格，如圖1所示。

圖1 Y=0剖面整車體網(wǎng)格模型圖

2.2 邊界條件設(shè)定及參數(shù)設(shè)置

三維仿真分析計算的邊界條件，如表1所示。控制方程采用有限體積法進(jìn)行離散，物理量選擇全隱式分離求解，壓力與速度耦合采用SIM PLE算法，空間離散格式為二階精度迎風(fēng)格式。

表1 整車三維仿真分析計算邊界條件

3 計算結(jié)果

汽車在行駛過程中，機(jī)艙內(nèi)冷卻模塊表面的散熱主要是通過來自進(jìn)氣格柵和冷卻風(fēng)扇的氣流進(jìn)行熱交換，從而帶走零部件表面的熱量，來達(dá)到冷卻的目的。圖2示出高速爬坡工況（車速100 km/h，坡度9%）下該車發(fā)動機(jī)艙對稱面（Y=0）上的速度分布云圖（速度顯示范圍0～20 m/s）。從圖2可以看出，空氣從格柵流入到發(fā)動機(jī)艙后，散熱器上下部都有明顯的氣流泄漏現(xiàn)象。圖3示出高速爬坡工況發(fā)動機(jī)艙速度分布云圖。從圖3可以看出，不論是通過上進(jìn)氣格柵還是下進(jìn)氣格柵的氣流，在通過冷凝器后兩側(cè)都有氣流從冷凝器兩側(cè)泄漏出去，氣流的泄漏導(dǎo)致中冷器和散熱器的進(jìn)氣量不足，進(jìn)而會降低發(fā)動機(jī)的冷卻性能。

圖2 高速爬坡工況發(fā)動機(jī)艙速度分布云圖（Y=0，車速 100 km/h，坡度 9%）

圖3 高速爬坡工況下部進(jìn)氣格柵速度分布云圖（Y=25 mm，車速100 km/h，坡度 9%）

4 整車熱平衡試驗

4.1 熱平衡試驗介紹

汽車各個系統(tǒng)和零部件都存在一個最佳工作溫度區(qū)間，可以保證零部件的各項性能指標(biāo)得以完全的發(fā)揮。例如：發(fā)動機(jī)的活塞、缸蓋、缸套及噴油嘴等零件的工作溫度，以及液壓傳動系統(tǒng)的工作溫度和剎車系統(tǒng)的工作溫度等等[8]。在汽車的開發(fā)過程中，整車熱平衡試驗是必不可少的一個環(huán)節(jié)。整車熱平衡試驗的目的一方面是檢驗汽車性能是否達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，另一方面也能夠驗證發(fā)動機(jī)艙熱管理優(yōu)化方案的效果。

文章中熱平衡試驗的主要目的在于驗證發(fā)動機(jī)的冷卻性能，因此，在考察部件上有所篩選，主要測量發(fā)動機(jī)冷卻液和機(jī)油溫度，暫不考慮熱害對零部件的影響。

4.2 測點位置及工況

為了驗證整車?yán)鋮s系統(tǒng)的性能，在整車的開發(fā)過程中需要在熱平衡試驗環(huán)境艙中進(jìn)行試驗。基于當(dāng)前的設(shè)計狀態(tài)對本款車型進(jìn)行了第1輪整車熱平衡試驗。第1輪試驗的主要目的在于驗證汽車當(dāng)前狀態(tài)下冷卻系統(tǒng)是否滿足設(shè)計要求。

整車熱平衡試驗測點位置，如圖4所示。

圖4 整車熱平衡試驗測點位置示意圖

一般整車熱平衡工況主要包括最高車速、怠速、爬坡、走停及浸車等工況，考察汽車在極限工況下的運行狀態(tài)。為了與仿真分析結(jié)果相結(jié)合，文章中進(jìn)行的熱平衡試驗主要采集了爬坡工況下的數(shù)據(jù)，主要試驗條件及評價標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。

表2 整車熱平衡試驗條件及評價標(biāo)準(zhǔn)

4.3 第1輪試驗結(jié)果與分析

第1輪試驗結(jié)果，如表3所示。從表3可以看出，在高速爬坡工況時，發(fā)動機(jī)冷卻液溫度不能滿足要求，因此需要對汽車進(jìn)行優(yōu)化。發(fā)動機(jī)冷卻液水溫過高，一般可以采取以下7種方法進(jìn)行改進(jìn)：1）通過更改進(jìn)氣格柵結(jié)構(gòu)形式增加車輛前端的進(jìn)氣量；2）增加導(dǎo)風(fēng)板，進(jìn)而增加冷卻模塊的進(jìn)氣量；3）在冷卻模塊周圍增加密封，用于改善冷卻模塊周圍的氣體泄漏現(xiàn)象；4）增大冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速或尺寸來強制增加散熱器的進(jìn)氣量；5）更換散熱效率更高的散熱器；6）調(diào)整相關(guān)標(biāo)定策略，比如調(diào)整空調(diào)的開啟溫度或者節(jié)溫器的開度等策略；7）更改冷凝器，降低冷凝器的散熱量等。文章僅從增大冷卻模塊進(jìn)氣量的角度來降低發(fā)動機(jī)冷卻液的溫度。

5 優(yōu)化方案及試驗結(jié)果

由初始仿真計算結(jié)果可知，在冷卻模塊周圍存在氣體泄漏的現(xiàn)象，降低了冷卻模塊的換熱效率，導(dǎo)致冷卻液溫度無法滿足設(shè)計要求。因此，文章優(yōu)化了原導(dǎo)風(fēng)板的結(jié)構(gòu)形式，通過結(jié)構(gòu)的更改使氣流能夠更多的導(dǎo)向冷凝器后部的中冷器和散熱器，并且不改變原有安裝點的位置。此外，在散熱器的上部和下部添加密封措施，防止氣流從散熱器的上下兩側(cè)泄漏。原導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)，如圖5所示，其中原導(dǎo)風(fēng)板的內(nèi)側(cè)擋板貼在冷凝器的兩側(cè)（虛線圈處表示導(dǎo)風(fēng)板與冷凝器貼合位置），這種設(shè)計形式對空調(diào)性能固然有增益的作用，但是這種設(shè)計降低了散熱器和中冷器的進(jìn)風(fēng)量，散熱器進(jìn)氣量的減少會導(dǎo)致冷卻液溫度上升，中冷器進(jìn)氣量的減少會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)進(jìn)氣溫度的上升，這都將增加發(fā)動機(jī)的負(fù)荷，會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)整體性能的下降。

優(yōu)化后的導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)，如圖6所示。采用導(dǎo)風(fēng)板兩側(cè)與中冷器的兩側(cè)（虛線表示導(dǎo)風(fēng)板與中冷器貼合位置）對齊，并且不改變原有導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)的安裝點位置，采用這樣的結(jié)構(gòu)形式既能夠增加散熱器的進(jìn)氣量，同時也可以增加中冷器的進(jìn)氣量，這不但能夠有效地降低發(fā)動機(jī)冷卻液的溫度，同時還能降低發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣溫度，有效地提升發(fā)動機(jī)的冷卻性能。此外，在散熱器上部和下部增加的密封措施（圖7），能夠有效地減少氣流的泄漏。

圖6 優(yōu)化后發(fā)動機(jī)艙導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 散熱器上下兩側(cè)密封措施示意圖

優(yōu)化前后冷卻模塊的進(jìn)風(fēng)量對比，如表4所示。從表4可以看出，在高速爬坡工況下，散熱器的進(jìn)風(fēng)量增加13.1%，中冷器的進(jìn)風(fēng)量增加11.3%；低速爬坡工況下，散熱器的進(jìn)風(fēng)量增加6.1%，中冷器的進(jìn)風(fēng)量增加5.2%。通過對導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及添加密封措施的方法能夠有效地增加冷卻模塊的進(jìn)氣量，這說明文章中所采用的優(yōu)化方案是有效的。圖8示出第2輪熱平衡試驗中優(yōu)化方案實施的效果圖。

表4 爬坡工況發(fā)動機(jī)冷卻模塊進(jìn)風(fēng)量仿真結(jié)果

圖8 導(dǎo)風(fēng)板及散熱器優(yōu)化方案圖

從圖8可以看出，在冷卻模塊兩側(cè)更換了優(yōu)化后的新導(dǎo)風(fēng)板；在散熱器上下兩側(cè)增加了密封措施。由于是設(shè)計驗證階段，因此在試驗中采用較軟的材料來代替海綿進(jìn)行密封。

優(yōu)化后的試驗結(jié)果，如表5所示。從表5可以看出，高速爬坡工況下冷卻液的水溫由110℃下降到108℃，優(yōu)化后該車的冷卻液和機(jī)油溫度都能夠滿足工程應(yīng)用要求。

表5 整車熱平衡第2輪試驗結(jié)果 ℃

6 結(jié)論

1）通過對導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化以及在散熱器附近添加密封的方法，有效地提高了冷卻模塊的進(jìn)風(fēng)量。在高速爬坡工況下，散熱器的進(jìn)風(fēng)量增加13.1%，中冷器的進(jìn)風(fēng)量增加11.3%；低速爬坡工況下，散熱器的進(jìn)風(fēng)量增加6.1%，中冷器的進(jìn)風(fēng)量增加5.2%。

2）通過整車熱平衡試驗，驗證了發(fā)動機(jī)的冷卻性能，并根據(jù)仿真分析所提出的優(yōu)化方案進(jìn)行了第2輪的驗證試驗。試驗結(jié)果表明，在原始狀態(tài)下，汽車的冷卻性能不能滿足設(shè)計要求，在高速爬坡工況下，冷卻液水溫超過目標(biāo)值；優(yōu)化后，冷卻液水溫能夠達(dá)到工程要求。