汽車下護板對發動機艙散熱性能的影響

王東 陳嘉羲

摘要：

為提高汽車發動機艙的散熱性能，通過計算流體力學數值仿真研究汽車下護板對整車散熱性能的影響。研究表明：在高速工況下，增加下護板后格柵和冷卻模塊進氣量增加；在高負荷工況下，下護板可改善發動機艙的空氣溫度分布形態。下護板開口可增加冷卻模塊進氣量，不開口時艙內溫度較低，所以在整車設計時應綜合考慮散熱量和熱害。下護板能明顯減少風阻，但開口會減弱其效果，因此設計時應多方面考慮。

關鍵詞：

下護板； 發動機艙； 計算流體力學； 冷卻模塊； 熱害； 風阻

中圖分類號： U463

文獻標志碼： B

Influence of bottom panel on engine cabin

heat dissipation performance

WANG Dong， CHEN Jiaxi

（

School of Automotive Studies， Tongji University， Shanghai 201804， China）

Abstract：

In order to improve the heat dissipation performance of automobile engine cabin， the numerical simulation of computational fluid dynamics is conducted to study the effects of bottom panel on the cooling performance of the vehicle. The research shows that， under highspeed conditions， the intake air volume of the grille and cooling module is increased after installing the bottom panel； under high load conditions， the bottom panel can improve the air temperature distribution pattern of the engine cabin. The opening of the bottom panel can increase the intake volume of the cooling module while the temperature in the engine compartment is lower without it. Therefore， the heat dissipation and heat damage should be comprehensively considered in the design of the entire vehicle. The bottom panel can also significantly reduce the wind resistance， but the opening can weaken the effect， so it should be considered from many aspects.

Key words：

bottom panel； engine cabin； computational fluid dynamics； cooling module； heat damage； wind resistance

0 引 言

汽車發動機下護板能有效防止托底對發動機、變速箱和其他部件的損傷。這些部件的外殼多由鋁合金材料制成，強度不高，一旦發生托底事故，容易造成殼體變形，甚至發生損壞，導致潤滑油泄漏。底盤護板具有很好的降阻整流效果，能提高車輛的高速操縱穩定性。[12]面對日益嚴格的排放標準，安裝下護板也是整車廠采取的節能措施之一。

整車熱管理技術是21世紀汽車發展的關鍵技術之一，也是汽車行業實現節能減排要求的途徑之一。發動機艙內氣體流動和熱環境十分復雜，艙內高溫部件散熱受到空氣流動阻力的影響，會引起艙內溫度過高，直接影響汽車的動力性和燃油經濟性，影響碳排放。[35]計算流體力學方法可以有效解決整車冷卻問題，縮短開發時間，降低開發成本。[67]PATIDAR等[8]研究發現，冷卻氣體回流是導致發動機艙過熱的主要原因。加裝發動機下護板后，艙內零部件布置形式會影響發動機艙內的氣體流動和傳熱。[9]

當前研究結果表明，前端冷卻模塊計算流體力學分析的準確度較高：怠速工況誤差在4%以內，高負荷工況誤差在7%以內，高速工況誤差在10%以內。[10]本文基于整車模型，模擬發動機下護板對發動機艙散熱性能的影響，保留發動機艙內的主要零部件和細節特征，通過三維計算流體力學仿真進行對比分析，在設定工況的邊界條件下，研究發動機下護板的開口面積對整車散熱性能的影響。

1 模型建立和計算方法

1.1 模型確定

所有工況均基于同一網格進行，僅改變邊界條件模擬不同工況，可基本消除網格因素的影響。

對整車模型進行散熱性能分析會受到外流場的影響，因此建立適用于外流場的計算域。計算域尺寸為10倍車長、5倍車寬、3倍車高（見圖1），網格劃分采用四面體非結構網格，網格數量約為919萬個。

提出3種下護板開口仿真方案，開口面積分別為0（整面）、12%、24%，均通過改變壁面的interior實現，不會對網格數量及拓撲結構造成明顯影響，保證其收斂條件一致。

發動機艙無下護板及3種下護板底視圖見圖2。

1.2 網格無關性

由于網格數量對計算結果影響較大，因此須對網格無關性進行驗證。分別對

網格數量

為919萬、1 109萬、1 344萬、1 498萬和1 605萬個的冷卻模塊進氣量和格柵進氣量進行對比分析，見圖3。由此可知，919萬個網格的計算結果與1 605萬個網格的計算結果差別較小，故選擇計算網格數量為919萬個。

1.3 計算模型

計算域采用速度入口和壓力出口；湍流模型采用可實現的kε模型，此模型較適合汽車發動機艙熱管理的數值計算[11]；冷凝器、中冷器和散熱器均設為多孔介質；風扇部分采用MRF模型；熱交換模型采用傳熱單元數法（NTU模型）；輻射模型采用S2S模型。

2 仿真結果分析

發動機下護板對散熱性能的影響主要體現在對氣流的引導和阻礙方面。選擇怠速工況、高負荷工況（10%坡度爬坡）和高速工況作為對比分析的特征工況[12]，其對應車速分別為3.6、36.0和108.0 km/h。在高速工況下風扇轉速為500 r/min，

在怠速工況和高負荷工況下風扇轉速為2 500 r/min（見表1）。數值模擬采用的溫度邊界條件見表2。

2.1 下護板對發動機艙散熱性能的影響

2.1.1 對格柵進氣量的影響

發動機下護板可改變整車發動機艙的內流場和外流場，有、無下護板格柵進氣量對比見圖4。在怠速和高負荷工況時，無下護板的格柵比有下護板的進氣量稍多，但增加量很少，可認為基本一致。在高速工況下，有下護板的格柵比無下護板時進氣量明顯增加（增加0.24%）。由此可知，有、無下護板對怠速和高負荷工況下的格柵進氣量沒有影響，但在高速工況下增加下護板會對格柵進氣量的提高有一定作用。

2.1.2 對前端冷卻模塊進氣量的影響

前端冷卻模塊進氣量直接決定發動機的散熱能力，有、無下護板冷卻模塊進氣量對比見圖5。在怠速工況下，有、無下護板對前端冷卻模塊的進氣量基本沒有差別，但在高速工況下，加裝下護板后冷卻模塊的進氣量增加1.2%。

以左風扇中心截面為研究對象，在高速工況下有、無下護板發動機艙壓力分布見圖6。

下護板將發動機艙內部與車底的壓力場（灰圈部位）分割開，使風扇與發動機之間（黑圈部位）的壓強比無下護板時低，冷卻模塊前后壓力差更大，冷卻模塊進氣量增加。同時，由于艙內壓力低，氣流流向正對發動機排氣歧管，帶走更多熱量，可改善發動機艙熱害。因此，加裝下護板后，在怠速工況和高負荷工況下并不會對發動機的散熱能力有較大影響，但在高速工況下，增加下護板時效果更好。

2.1.3 對發動機艙熱分布的影響

選擇熱害最嚴重的高負荷工況，分析下護板對發動機艙熱分布的影響，發動機艙內部件表面最高溫度見表3。安裝下護板后，艙內壓力降低，導致電池和壓縮機表面的最高溫度均降低，使更多經過冷卻模塊上方的氣流進入發動機艙內（見圖7），此氣流流向正對發動機排氣歧管隔熱罩，因此帶走更多的熱量，可降低隔熱罩的溫度（見圖8），同時減少隔熱罩輻射對其他零部件的影響。

2.2 不同開口面積對散熱性能的影響

在下護板對發動機起保護作用的前提下，選擇

開口面積分別為0、12%、24%，研究下護板不同開口面積對整車散熱性能的影響。

2.2.1 對冷卻模塊進氣量的影響

在怠速工況下，格柵進氣主要是由于風扇的作用，且其距下護板較遠，因此在怠速工況下不同下護板開口面積冷卻模塊進氣量基本一致，見表4。

2.2.2 對發動機艙溫度的影響

對比發動機艙不同部位零部件（以左側的電池、前面的壓縮機為例）表面的最高溫度，選取熱害最嚴重的高負荷工況進行分析，見圖10。發動機艙不同部件表面的最高溫度變化趨勢與下護板開口大小

沒有十分確定的關系，下護板不開口時，發動機艙內的溫度最低。在高負荷工況下壓縮機表面溫度分布見圖11，不同開口面積下，高溫區域的大小不同，但整體溫度分布形態一致，此時對發動機艙零部件溫度影響最大的是排氣歧管等高溫部件的熱輻射。

綜合以上分析可知：如果在整車設計時發動機需要散熱量較大，那么應在下護板上按照實際情況開口；相反，如果發動機艙內熱害較嚴重，那么應設計為整面下護板。

2.3 下護板對汽車空氣阻力的影響

增加下護板后空氣阻力因數明顯降低，且阻力因數隨開口面積的增大呈上升趨勢，見圖12。下護板開口面積越大，汽車底部氣流和發動機艙內氣流壓力變化越連續；無下護板時，整個區域氣流壓力連續變化，見圖13。

3 結 論

下護板與熱管理緊密相關，針對下護板對整車散熱性能的影響進行計算流體力學仿真研究，得到以下結論：

（1） 在怠速和高負荷工況下，有、無下護板不會對發動機的散熱能力產生較大影響，但在發動機對散熱有一定要求的高速工況下，增加下護板后效果良好，冷卻模塊進氣量增加1.2%。

（2） 針對熱害最嚴重的高速工況，增加下護板后不會影響發動機艙的溫度分布，但由于發動機艙內壓力降低，會引入艙內更多冷卻氣流，降低排氣歧管隔熱罩的溫度，減小其他零部件受其熱輻射的影響，因此使某些零件表面最高溫度有所降低。

（3） 下護板開口后，冷卻模塊進氣量隨著開口面積增大而增加，不開口時整個發動機艙熱害有所減弱。在整車設計時，若發動機需要散熱量較大，則應在下護板上按照實際需要開口；若發動機艙內熱害較嚴重，則應設計為整面下護板。

（4） 增加下護板后，空氣阻力因數明顯降低，且阻力因數隨開口面積的增大呈上升趨勢。

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（編輯 付宇靚）