某輕型客車熱適應性問題分析

馬驍宇，張偉

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某輕型客車熱適應性問題分析

馬驍宇，張偉

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章利用三維分析軟件，對某輕型客車發動機艙冷流場進行仿真模擬分析，獲取流場狀態，提出整改意見及措施，并制定優化方案，提升整車熱平衡性能。經過實際環境模擬測試，結果表明性能提升較顯著，達到預期效果。

熱平衡；冷卻系統；散熱性能；流場分析

1 問題來源

某輕型客車開發過程中，在進行實際環境模擬測試中，出現個別工況發動機水溫過高現象，不滿足使用要求，如不加以適當的冷卻，會使內燃機過熱，燃燒不正常，機油變質和燒損，零件的摩擦和磨損加劇，引起內燃機的動力性、經濟性、可靠性和耐久性全面惡化。

2 冷卻系統流場分析

2.1 冷卻系統工作環境

目前國內載貨柴油機車型冷卻系統的工作環境大多如圖1所示。發動機散發的熱量經過循環冷卻水送至散熱器總成，并與大氣進行熱交換。冷風從駕駛室前格柵（流經冷凝器、中冷器，圖略）到達散熱器芯子，熱風從散熱器芯子流出，從發動機四周散開。

圖1 冷卻系統工作環境

2.2 流場對冷卻性能的影響

2.2.1分析模型建立

可以看到，艙內的布置是比較緊湊，機艙的空間占有率較高，對于整個機艙的流場有較大影響，前格柵的開孔面積較小，迎風系數僅為12.7%，對于熱平衡有較大的影響。

分析模型采用Trimmed體網格模型，共生成體網格數量為560萬。

圖2 建立模型圖示

表1 邊界分析

（注：阻尼系數是根據各換熱器的風阻試驗數據計算得到的。）

2.2.2分析結果

2.2.2.1 空氣流量數據

圖3 風扇試驗結果

表2 風扇試驗與計算結果對比

表3 冷卻模塊各部件流量計算值

圖4 各部件流向

2.2.2.2 艙內流場整體情況

通過軟件分析各斷面流場如下所示（整車坐標系）：

圖5 Y=0斷面速度云圖

從分析結果來看，發動機頂部和底部還是存在流通路徑的，但由于發動機與防火墻之間空間較小，所以在頂部圖示A區域存在較為嚴重的回流。

由于機艙布局的局限性，導致艙內熱風在防火墻與變速箱前端面處，形成較大的縱向突變面，且間隙較小，導致機艙上部流場被切斷，使得局部壓力增大，導致熱風無法順暢通過，不能順著車身底板流向整車后部，只能流向壓力較小的前部，從而導致熱風在艙內循環，致使艙內溫度升高，對于整車冷卻性能產生較為嚴重的影響，同時，給艙內部件的耐高溫、老化性能，提出了更高的要求。

圖6 Y=200斷面速度云圖

從Y=200斷面可以看出以下三個流場問題：

（a）散熱器總成與散熱器上安裝橫梁之間存在較為嚴重的漏風情況，致使部分冷風不經過散熱器，直接流向機艙內部，減少了散熱器熱交換帶走的熱量，冷卻性能變差；

（b）風扇的后方為發電機、空調壓縮機等輪系所在位置，由于輪系阻擋了空氣向發艙后方流動，所以此處產生一個高速流動的渦流，使得風扇后熱風流動不暢；

（c）發動機右側的氣流向發艙前部流動，形成一個大范圍的回流。第一橫梁后方圖示B區域一個高速流動的渦流。

圖7 X=-260斷面速度云圖

解決措施：

（a）通過調整風扇位置，使氣流從輪系的下方流向發艙后方；

（b）在圖示B區域設置一個導流板，使氣流從輪系下方流向發艙后方。

從上圖可以看出，發動機左右兩側的速度分布有明顯差異，這是由風扇的安裝位置引起的，分析顯示發動機右側流動相對比較順暢，且有比較高的流速，如右圖所示。導致此問題的產生是由于發動機風扇位置布局不佳，風扇右后側相對空間較大，阻擋較小，具有較好的流體流動的空間及路線；然而風扇左后方布置有發電機、空調壓縮機，且發動機前端面幾乎全部遮擋左半邊風扇的扇葉，致使氣流受阻，流動不暢，產生回流現象。

圖8 中冷器速度云圖

通過中冷器速度云圖可以看到：

（a）中冷器只有下半部分與格柵相對，而且下進氣格柵的四個通道中，下面兩個通道C區域沒有起到良好的作用，C區域對著第一橫梁，流經中冷器的冷風較少，從而降低了中冷器的冷卻效率；

（b）中冷器上半部分內部速度明顯低于其它部位，降低了中冷器的冷卻效果；

（c）中冷器內部流速比冷凝器和散熱器都要小；

（d）中冷器與第一橫梁之間圖示D區域存在漏風現象，進一步降低了通過中冷器的冷風流量。

解決措施：

（a）將下進氣格柵上移或優化格柵斷面形狀，將四道風口覆蓋中冷器前端面，最大限度的使冷風流經中冷器芯體，提高中冷器效率；

（b）將中冷器周圍盡量密封，減少漏氣。

圖9 冷凝器、散熱器速度云圖

通過圖9的分析可以得到：

（a）散熱器和冷凝器上方圖示E區域有明顯的漏風；

（b）從下進氣格柵進入的氣流一部分繞過中冷器，進入冷凝器和散熱器，圖示F區域。

解決措施：

（a）將散熱器上部和下部盡量密封，減少漏風；

（b）優化上進氣格柵造型，增加通風面積，提高迎風系數（我們的車型當中，網狀格柵的邊設計的比較粗，網格較小，使有效的通風面積較小，前格柵的迎風系數僅為12.7%，遠遠低于乘用車30%的設計要求）。

2.2.2.3 分析結果

（a）發動機右側存在較為明顯，且范圍較大的回流現象，對機艙散熱存在較為嚴重的影響；

（b）發動機左右兩側的速度分布有明顯差異，左側流速明顯較低；

（c）中冷器內部流動速度偏低，且分布不均，降低了其冷卻效果，使進氣溫度偏高；

（d）冷凝器和散熱器周圍存在漏風和回流情況，影響了冷卻效果；

（e）機艙布局較凌亂，過于密集，致使艙內熱空氣沒有有效地通道疏導。

2.2.3試驗結果對比

表4 熱平衡試驗數據對比

注：優化措施：增大前格柵孔面積，迎風系數提高到20%左右；增加熱風回流護板，防止散熱器四周漏風；局部部件管路走向變更，優化空間結構。

3 結論

（1）防熱風回流裝置可以阻止發動機倉經過熱交換的熱風回流至散熱器前再次參與換熱。不言而喻，對于熱風回流較明顯的冷卻系統，該裝置能有效地降低液氣溫差；

（2）前隔柵開口面積對冷卻系統冷風的流通有很大影響，為了獲得最佳的冷卻效果，應在不影響其他性能的前提下，盡量增大該面積；

（3）若保險杠的形狀符合空氣動力學原理，也有利于冷卻風的流通；

（4）零部件、機艙布局及內造型對于艙內流場具有較大的影響。

文章通過對整車冷卻系統軟件流場分析，對其進行校核和優化，結合實際整車狀態進行實車熱平衡試驗驗證，對于冷卻性能的提升具有較高的指導價值。

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Analysis on thermal adaptability of passenger cars

Ma Xiaoyu, Zhang Wei

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In this paper, the cold flow field of engine cabin of a light passenger car is simulated and analyzed by using three-dimensional analysis software, and the flow field state is obtained, and some suggestions and measures are put forward to improve the heat balance performance of the whole vehicle. The simulation results show that the performance is improved significantly and the expected effect is achieved.

Thermal balance;Cooling system;Cooling capability;Analysis of flow field

B

1671-7988(2018)24-83-03

U271

B

1671-7988(2018)24-83-03

U271

馬驍宇（1985-）男，工程師，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.028