發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的熱風(fēng)回流分析與優(yōu)化

肖 飛 ，唐榮江 ，，張 淼 ，童 浙 ，陸增俊 ，李申芳

（1.東風(fēng)柳州汽車有限公司商用車技術(shù)中心，廣西 柳州545005；2.桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林541004）

0 前言

冷卻系統(tǒng)是發(fā)動機的重要組成部分，汽車發(fā)動機艙是個半封閉的空間，對溫度場的要求特別高，一方面艙內(nèi)各種材料的零件如橡膠件、線束對溫度有一定的要求；另一方面發(fā)動機本身需要適當(dāng)?shù)纳幔员ＷC在各種工況下都具有最佳的動力性和經(jīng)濟性[1]。散熱器是一個散熱裝置，上面布置著很多的散熱片，通過這些散熱片將熱量從水傳遞到空氣中。為了加快散熱器的散熱速度，風(fēng)扇在這里起到了很關(guān)鍵的作用，通過風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動，加速了空氣流經(jīng)散熱器的速度，從而加快了散熱器的散熱速度。在此經(jīng)過冷卻的水再次被水泵送進發(fā)動機缸套中，由此不斷循環(huán)，控制發(fā)動機的溫度過高。而當(dāng)空冷器排出的熱風(fēng)，其中一部分又被風(fēng)機抽吸至空冷器的入口，此現(xiàn)象稱之為熱風(fēng)回流（也稱熱風(fēng)再循環(huán)）[2]。

針對某款國產(chǎn)卡車機型散熱不合格問題，使用CFD軟件對發(fā)動機艙冷卻系統(tǒng)流場進行仿真模擬。通過仿真模擬找出問題產(chǎn)生的原因，對其冷卻系統(tǒng)進行分析和優(yōu)化，并對整改措施進行實驗驗證。

1 問題描述

某國產(chǎn)商用車在以1 300 r/min發(fā)動機負荷100%為基準(zhǔn)，環(huán)境溫度為33.3℃下進行拖車實驗，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)發(fā)動機出水溫度為98.4℃，進水溫度為89.6℃，液氣溫差為65.1℃，極限許用環(huán)境溫度為40.6℃，冷卻系統(tǒng)不合格。

對散熱器水箱進風(fēng)面溫度進行測試，本次測試在環(huán)境溫度為32.8℃，發(fā)動機達到最大扭矩工況之下測試水箱進風(fēng)面的溫度，從車頭往后看，水箱進風(fēng)面的溫度如圖1所示。

圖1 水箱進風(fēng)面的溫度

從圖可以看出，水箱進風(fēng)面溫度相對環(huán)境溫度都超過了30℃，說明冷卻系統(tǒng)存在著很大的熱分回流。在某些情況下，熱風(fēng)回流使冷卻風(fēng)扇的空氣溫度增加5℃，就會使散熱器的傳熱量降低30%，嚴重影響散熱器的傳熱性能，降低機組的經(jīng)濟性，有時會導(dǎo)致機組背壓大幅波動而使機組停運[3]。

2 數(shù)值分析

2.1 理論基礎(chǔ)

本文以空氣的流動為研究對象，質(zhì)量守恒定律是任何流體運動都需要滿足的一個基本方程。按照這一定律，可以得出質(zhì)量守恒方程：

動量守恒定律是描述流體運動的一個基本定理。該定律是牛頓定律的推論，但應(yīng)用的研究領(lǐng)域更加廣泛。按照這一定律，可導(dǎo)出動量守恒方程：

式中：ρ為空氣密度；μ為流體動力粘度；u為速度矢量。

該模型以k-ε模型為基礎(chǔ)，湍流動能k方程：

湍動能耗散方程：

式中：Gb為氣流引起的湍流動能；GK為速度梯度引起的湍流動能；YM為湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；ε為湍流動能耗散率，為湍流有效黏性系數(shù)；ρ為空氣密度；C1ε、C2ε為參考常數(shù)，取 1.6 和 1.5[6].σk、σε為湍流動能及其耗散率的湍流普朗特數(shù)，取1.1和1.3.

2.2 模型的建立

本文通過三維CAD軟件CATIA建立冷卻系統(tǒng)和發(fā)動機艙幾何模型，內(nèi)機構(gòu)復(fù)雜零件眾多，需要耗費大量時間進行網(wǎng)格劃分，這不符合實際工程要求。在工程分析時需要對模型進行簡化處理[5]，只保留底盤、發(fā)動機、進氣系統(tǒng)、散熱器、中冷器、車架、車輪、水箱等主要零部件，如圖2所示。

圖2 發(fā)動機艙簡化模型

2.3 邊界設(shè)定與網(wǎng)格劃分

通過ANSYS對幾何模型進行流場模擬，發(fā)動機艙內(nèi)流場，采用 RNG k-ε模型，穩(wěn)態(tài)不可壓縮流體；定義以下邊界條件：（1）車輛正方向端面為入口邊界，風(fēng)速為行駛車速12 km/h（.2）出口為壓力邊界條件，車身后端面為出口邊界，壓強為 0Pa（3）環(huán)境溫度25℃，空氣密度1.185 kg/m3.整個流體三維計算區(qū)域為長105 m，寬15 m，高16 m，理想的風(fēng)洞模型為：車身前方留5倍車長，車身后方留10倍車長，車身上方留5倍車高，車身側(cè)面留5倍車寬，網(wǎng)格類型為多面體網(wǎng)格，邊界層3層，總厚度2 mm，總網(wǎng)格數(shù)量約3 110千萬個。劃分網(wǎng)格時在進氣管附近進行局部加密，最小尺寸為5 mm，以提高收斂性和加快運算速度[6]。如圖3所示。

圖3 模型三維計算區(qū)域

2.4 仿真結(jié)果分析

流場模擬如圖4所示，不難發(fā)現(xiàn)，左方和上方回風(fēng)嚴重，從車前向后看，風(fēng)扇順時針旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)經(jīng)護風(fēng)罩導(dǎo)風(fēng)后，流向發(fā)生改變，一部分直接沿車架回流，一部分打到發(fā)動機擋泥板上。

圖4 冷卻系統(tǒng)流場模擬

由流場圖可以看出，氣流從中冷器吹向散熱器，流場風(fēng)向與實驗風(fēng)向一致；當(dāng)仿真結(jié)果收斂以后，液氣溫差仿真值為67.2℃，仿真值與實測值相對誤差為3.23%，仿真結(jié)果精度較高。

3 冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化及改進措施

3.1 更換風(fēng)扇

風(fēng)扇的扇風(fēng)量主要與風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)形式、直徑、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速、葉片形狀、葉片安裝角及葉片數(shù)目有關(guān)[7]。針對散熱器散熱能力基本滿足使用要求的特點，考慮到盡量使用現(xiàn)有生產(chǎn)制造工藝，決定先采用改變風(fēng)扇的葉片數(shù)目的方法，增大風(fēng)扇的扇風(fēng)量。

由于發(fā)動機振動過大，風(fēng)扇和護風(fēng)罩運動干涉，所以加大護風(fēng)罩直徑，減少對高速運轉(zhuǎn)的風(fēng)扇干擾，原護風(fēng)罩孔直徑717 mm，如圖5（c）所示，現(xiàn)選護風(fēng)罩孔直徑為730 mm，如圖5（d）所示。原狀態(tài)風(fēng)扇的投影寬度為69 mm，由于風(fēng)扇的安裝空間十分狹窄，風(fēng)扇的投影寬度不能大于75 mm，否則風(fēng)扇距離發(fā)動機太近；雪龍、霍頓都沒有小葉寬的風(fēng)扇，選擇了采購?fù)扑]的河北納州的7葉和9葉風(fēng)扇，進行試驗。原風(fēng)扇和原護風(fēng)罩以及修改后的如圖5（a）、（b）所示。

圖5 風(fēng)扇和護風(fēng)罩模型圖

3.2 安裝防熱風(fēng)回流擋板

使散熱器的進風(fēng)溫度接近環(huán)境溫度，合理布置散熱器的進風(fēng)口，提高散熱器與車身、發(fā)動機艙接合處的密封性，能有效地阻擋和降低熱空氣回流。由于發(fā)罩及橫梁阻擋產(chǎn)生回風(fēng)，在散熱器兩邊加裝熱風(fēng)回流的防止板，如圖6（a）所示，盡可能地減少熱風(fēng)回流。將左側(cè)擋泥板卷起，如圖6（c）所示，有利于風(fēng)扇甩出的風(fēng)從此處瀉出。并通過軟件對其進行仿真模擬，如圖4所示。

圖6 堵風(fēng)和導(dǎo)風(fēng)實驗及仿真

由圖6（b）可以看出，通過在散熱器兩側(cè)增加擋風(fēng)板，有效地減少了上方的熱風(fēng)回流；將左側(cè)擋泥板卷起，從而風(fēng)扇甩出的風(fēng)從此處泄出，如圖6（d）所示。由此可見，堵風(fēng)和導(dǎo)風(fēng)對熱風(fēng)回流有明顯的改善效果。

3.3 加高水箱

水箱是水冷式發(fā)動機的重要部件，作為水冷式發(fā)動機散熱回路的一個重要組成部件，能夠吸收缸體的熱量，防止發(fā)動機過熱由于水的比熱容較大，吸收缸體的熱量后溫度升高并不是很多，所以發(fā)動機的熱量通過冷卻水這個液體回路，利用水作為載熱體傳導(dǎo)熱，再通過大面積的散熱片以對流的方式散熱，以維持發(fā)動機的合適工作溫度。

本文通過加高水箱85 mm來增加水箱的容量來改進水箱的吸熱量，從而更好的降低發(fā)動機的溫度。

4 實驗驗證

通過上述一系列措施，提出三種改進方案對實驗車輛再次進行熱平衡實驗，實驗室時采用負荷拖車使發(fā)動機在標(biāo)準(zhǔn)工況下實驗，方案一通過改用9葉風(fēng)扇和改良風(fēng)扇罩，方案二通過對發(fā)動機機艙急性堵風(fēng)和導(dǎo)風(fēng)，方案三在堵風(fēng)和導(dǎo)風(fēng)的情況下，再加高水箱85 mm和限扭1 500 N·m進行實驗，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實驗測試結(jié)果

測得冷卻系統(tǒng)在扭矩點時的冷卻常數(shù)K（K=T出水-T環(huán)境）。極限環(huán)境使用溫度T使用（T使用=T極限-（T出水-T環(huán)境）），當(dāng)使用水作為冷卻介質(zhì)時：T使用為41 ℃[8]。

通過上述實驗數(shù)據(jù)可知，更換風(fēng)扇和護風(fēng)罩并未使水溫高問題有改善的趨勢；通過對水箱四周進行防回風(fēng)封堵，可以改善熱風(fēng)回流，但無法根治；水箱加高85 mm，進行導(dǎo)風(fēng)和隔風(fēng)；以及將發(fā)動機限扭至1 500 N·m，K值為56.8℃，有效了提高了發(fā)動機的冷卻性能。

5 結(jié)論

本文通過對某商用車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行實驗和仿真分析，發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)回流是導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)不合格的主要原因。

根據(jù)發(fā)動機冷卻系統(tǒng)空氣流場特點，利用ANSYS平臺對冷卻系統(tǒng)性能進行仿真。對仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進行比較，仿真值與實驗數(shù)據(jù)基本一致，說明本文的仿真可行。

為了解決熱風(fēng)回流問題，本文提出了三種解決方案。通過對三個方案進行實驗驗證，最終通過水箱加高85 mm，對發(fā)動機艙進行導(dǎo)風(fēng)和隔風(fēng)，以及將發(fā)動機限扭至1 500 N·m，結(jié)果表明，冷卻常數(shù)降低了8.3℃，有效地提高了發(fā)動機冷卻系統(tǒng)性能。