汽車散熱器清潔裝置設計與研究

田騰飛，王寶中，李嘉旭，滕懷鈺，郭輝，武建秋

(華北理工大學，河北 唐山 063210)

0 引言

傳統車輛的發動機在工作時產生大量熱量，為保證發動機正常工作，通常使用散熱器進行溫度管理，因此，散熱器的性能對發動機的正常工作至關重要。散熱器的幾何特征決定了其在實際工作環境中會積攢灰塵，從而降低換熱系數、散熱效率，導致發動機工作溫度過高，甚至導致發動機的損壞。為保證發動機工作穩定性，散熱器的除塵工作尤為重要。

現階段散熱器的清洗除塵主要是通過高壓水流的沖擊去除沉積物，而散熱器的材質主要是鋁合金，材料本身的剛度與強度較低，同時散熱器翅片的幾何特征進一步強化了翅片容易受損的特性，所以高壓水流的沖擊以及散熱器的拆卸與安裝都極易造成翅片損傷，從而降低散熱器的散熱性能[1-3]。

針對以上問題，提出一種集成在導風罩上的散熱器清潔裝置，利用冷卻風扇產生的氣流，經過一系列裝置的處理，對散熱器附著灰塵進行吹洗，從而達到維護散熱器工況，使冷卻系統穩定運行的目的。

1 功能結構分析與工作原理

1.1 功能分析

汽車散熱器清潔裝置應當具備如下功能：

1) 能穩固地安裝在汽車動力艙中，不受汽車運動影響；

2) 能較好地去除散熱器上積存灰塵；

3) 能回收清除的灰塵，以免污染車輛動力艙。

此外, 考慮到車輛動力艙中空間狹小，散熱器清潔裝置應當盡可能地不影響車輛動力艙布局。因此, 其結構需具有輕巧和易拆卸的工程要求。

1.2 功能結構分解

為實現汽車散熱器清潔裝置的功能要求，總體結構按導流裝置、吸塵腔、百葉窗裝置、集塵裝置及導軌裝置進行模塊分解。其中導流裝置、吸塵腔與百葉窗裝置用于灰塵的掃除；集塵裝置用于灰塵的收集；導軌裝置用于吸塵腔的運動限位及清潔裝置整體的安裝。

1.3 工作原理

基于散熱器灰塵附著情況，決定利用冷卻風扇產生的氣流對灰塵進行吹洗，具體工作原理如下：

冷卻風扇工作產生壓力差，造成空氣流動；空氣在導風罩、導流裝置、集塵裝置及吸塵腔所共同形成的空腔中流動，從而在吸塵腔空氣輸入面所對應的散熱器部位形成氣流；氣流保持一定速度，對散熱器翅片上附著的灰塵起到沖擊作用；灰塵受到氣流沖擊，從散熱器翅片上脫落，并隨氣流進入吸塵腔、管道，最終到達集塵裝置；集塵裝置中設置有靜電除塵裝置，能夠濾除氣流中混雜的灰塵。

2 具體結構設計

根據清潔裝置功能結構分析與工作原理, 對裝置進行總體設計，最終結構見圖1。其主要由導流裝置、吸塵腔、百葉窗裝置、集塵裝置及導軌裝置5個功能模塊組成，其中導流裝置、吸塵腔及導軌裝置是散熱器清潔裝置的關鍵模塊。

1—冷卻風扇；2—導風罩；3—導流裝置；4—散熱器1；5—集塵裝置；6—導軌裝置；7—散熱器2；8—進氣格柵。圖1 散熱器清潔裝置總體結構設計

2.1 導流裝置結構設計

導流裝置的作用是與導風罩配合，將冷卻風扇工作產生的氣流引導至吸塵腔中。導流裝置應當能夠較好地與導風罩進行密封，從而高效率地對氣流進行引導，減少能量損失。

設計出的導流裝置如圖2所示。

1—導流裝置主體；2—集塵裝置接口；3—導風罩連接位置。圖2 導流裝置結構設計

2.2 吸塵腔與集塵裝置結構設計

吸塵腔是清潔裝置的直接工作機構，其作用是將導流裝置傳遞的負壓進一步作用到散熱器上，為提高氣流速度、增強清潔效果，吸塵腔的壓力輸出面應當較小[4-6]。

集塵裝置的主要作用是收集吸塵腔吸入的灰塵，防止灰塵重復污染動力艙環境，影響動力系統工作。吸塵腔與集塵裝置的結構設計圖如圖3所示。

1—集塵裝置；2—皮管；3—吸塵腔。圖3 吸塵腔結構設計

2.3 導軌裝置結構設計

鑒于吸塵腔壓力輸入面應當較小的要求，其應當能夠在散熱器空氣側運動，從而完成散熱器的整體清潔。因此設計了導軌裝置，將吸塵腔安裝在導軌裝置上，從而在電機帶動下在法方向上運動。導軌裝置的結構設計如圖4所示。

1—軌道；2—滑輪；3—卡扣；4—電機。圖4 導軌裝置結構設計

3 工作過程

當車輛發動機處于停機狀態時，駕駛員啟動散熱器輔助除塵裝置，裝置的工作過程可分為以下3步：

1) 冷卻風扇通電運轉，在導風罩與導流裝置的空腔中產生負壓力，壓力經管道等傳遞到吸塵腔開口處。開口處壓力為大氣壓力，在該壓力差作用下，裝置中產生氣流。

2) 導軌中電機啟動運轉，經過傳動裝置帶動吸塵腔在導軌上運動，運動方向為豎直方向，速度大小根據風扇轉速確定。吸塵腔的開口掃過散熱器空氣側，從而使氣流掃過散熱器，沖擊灰塵。

3) 集塵裝置通電啟動，通過靜電除塵除去氣流中夾雜的灰塵顆粒，保證車輛動力艙的清潔。

4 清潔裝置性能分析

4.1 物理模型與網格劃分

該散熱器清潔裝置的動力源是動力艙中的冷卻風扇，對風扇壓力的轉化效果決定了本裝置的工作效果。因此，利用CFD仿真技術，研究散熱器清潔裝置的工作性能。根據文獻[7-9]建立流體力學模型，并劃分網格模型如圖5所示。

圖5 網格模型示意圖

4.2 仿真與分析

根據散熱器測試數據，由相關公式進行轉化，得到多孔介質模型的黏阻系數為1.332×107,慣阻系數為144.39，孔隙率為0.78[9]。

裝置中的空氣運動可認為是不可壓縮定常流動，結合物理學三大定律即質量守恒定律、能量守恒定律及牛頓第二定律，根據流體力學計算分析需要，應用其相應的連續性方程、能量方程和動量方程[10-11]。

應用FLUENT軟件，分別對冷卻扇旋轉速度為1 600r/min、1 900r/min和2 200r/min的模型進行仿真。提取吸塵腔空氣輸入面的流量數據，如表1所示。

表1 不同冷卻扇轉速下空氣輸入面流量數據

根據仿真數據可知，汽車冷卻風扇產生的負壓力，經散熱器清潔裝置轉化，作用至吸塵腔空氣輸入面時仍能產生足夠速度與流量的氣流。這反映出散熱器清潔裝置能夠滿足基本的工作要求，符合設計預期目標。

5 結語

根據散熱器使用需求，針對汽車動力艙實際條件，初步設計了一種汽車散熱器清潔裝置，并對其工作效果進行了仿真分析。

該汽車散熱器清潔裝置的運用，能夠使得散熱器的清潔便利，且避免了散熱器拆除的繁瑣，節省了清灰工作所需的時間與成本；避免了傳統清潔方式易造成的散熱器翅片折彎等問題；為增強汽車散熱器作用效果，提高冷卻系統工作效率提供了有效保障。