雷冰芬，房拴虎，潘師民，陳　紀(jì)

（1.東風(fēng)汽車股份有限公司商品研發(fā)院，湖北　武漢　430057；2.東風(fēng)汽車集團(tuán)技術(shù)中心，湖北　武漢　430057）

Lei Bingfen1，F(xiàn)ang Shuanhu2，Pan Shimin1，Chen Ji1

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乘用車機(jī)艙溫度優(yōu)化研究

雷冰芬1，房拴虎2，潘師民1，陳紀(jì)1

（1.東風(fēng)汽車股份有限公司商品研發(fā)院，湖北武漢430057；2.東風(fēng)汽車集團(tuán)技術(shù)中心，湖北武漢430057）

Lei Bingfen1，F(xiàn)ang Shuanhu2，Pan Shimin1，Chen Ji1

摘要：為了解決某款乘用車機(jī)艙溫度過高的問題，首先通過在機(jī)艙內(nèi)特定點(diǎn)布置溫度傳感器進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，然后應(yīng)用CFD軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙進(jìn)行熱管理的流體仿真分析，找出造成機(jī)艙溫度高的主要原因，根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)影響機(jī)艙溫度的零部件總成進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：優(yōu)化電子風(fēng)扇參數(shù)、改進(jìn)格柵結(jié)構(gòu)和改變機(jī)艙內(nèi)氣流路徑可以解決機(jī)艙溫度過高的問題，提高系統(tǒng)的散熱效率。

關(guān)鍵詞：機(jī)艙溫度；CFD；優(yōu)化

0　引　言

發(fā)動(dòng)機(jī)艙是研究熱管理的重要區(qū)域，一方面發(fā)動(dòng)機(jī)主要熱源集中在機(jī)艙內(nèi)，高溫?zé)嵩此l(fā)的熱量對(duì)部分零件如冷凝器、散熱器等造成很大的影響；另一方面在布置空間緊張的機(jī)艙內(nèi)，如果流場(chǎng)設(shè)計(jì)不當(dāng)，氣流不能有效地帶走熱源散發(fā)出的熱量，則容易在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)產(chǎn)生渦流造成局部溫度過高。針對(duì)某款車型機(jī)艙溫度過高造成空調(diào)冷卻效果不佳的問題，通過采集機(jī)艙內(nèi)多點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，運(yùn)用CFD分析軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理模型，對(duì)機(jī)艙流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，并將實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)與理論分析相結(jié)合，分析影響機(jī)艙溫度高的主要原因，成功解決了機(jī)艙溫度高的問題，提高了整車熱管理系統(tǒng)的散熱效率。

1　問題解析

1.1結(jié)構(gòu)布置

研究對(duì)象為一款7座MPV，搭載排量2.0L、怠速（750±50）r/min的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的自動(dòng)擋車型，當(dāng)空調(diào)壓縮機(jī)開啟后發(fā)動(dòng)機(jī)怠速提高到900r/min，考慮機(jī)艙內(nèi)空間位置和艙內(nèi)流場(chǎng)分布，冷卻系統(tǒng)在機(jī)艙內(nèi)布置采用高低速控制的吹風(fēng)式雙電子風(fēng)扇，變速箱機(jī)油冷卻器集成于散熱器內(nèi)，結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

1.2機(jī)艙溫度測(cè)試

由于車輛在行駛后怠速狀態(tài)下出現(xiàn)自動(dòng)變速箱油溫報(bào)警、高速風(fēng)扇持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)艙溫度明顯高于其他同類型車輛，所以對(duì)該車型和競(jìng)品車型機(jī)艙溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測(cè)點(diǎn)位置按圖2方式布置。第1、2處布置在發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋上方50mm的前后，在發(fā)動(dòng)機(jī)右懸置和前懸置上方50mm處布置第3、4測(cè)點(diǎn)，發(fā)電機(jī)上方50mm處布置第5個(gè)測(cè)點(diǎn)，油底殼前端向下50mm處和變速箱上50mm處分別設(shè)置第6、7測(cè)點(diǎn)。

圖2　測(cè)點(diǎn)位置

考慮車輛前格柵和發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板對(duì)機(jī)艙流場(chǎng)的影響，試驗(yàn)分別按保留前格柵和下護(hù)板，取消前格柵和下護(hù)板2種方案進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度為（30±0.5）℃空調(diào)開啟，冷卻風(fēng)扇高速運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)采集本項(xiàng)目（A）與競(jìng)品車項(xiàng)目（B）溫度數(shù)據(jù)，具體如表1所示。

從以上數(shù)據(jù)可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)原地怠速時(shí)，熱氣流方向從散熱器吹向排氣管后（向發(fā)動(dòng)機(jī)上方）流動(dòng)，在氣缸罩蓋上方（測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2）形成高溫區(qū)，拆掉前格柵后由于進(jìn)風(fēng)干擾減小使該區(qū)域溫度降低7～8℃，整個(gè)機(jī)艙內(nèi)溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在變速箱上方（測(cè)點(diǎn)7）處。另外從數(shù)據(jù)中觀察測(cè)點(diǎn)5、測(cè)點(diǎn)6溫度可能存在異常，在保留格柵時(shí)拆下發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板溫度高于保留發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板溫度，但在取消格柵時(shí)測(cè)點(diǎn)6拆下發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板溫度低于保留發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板溫度，其他測(cè)點(diǎn)溫度差異不大，可能此處流場(chǎng)發(fā)生改變，需要進(jìn)一步對(duì)機(jī)艙進(jìn)行流場(chǎng)分析以查找原因。

表1　機(jī)艙測(cè)點(diǎn)溫度℃

1.3機(jī)艙流場(chǎng)分析

1.3.1計(jì)算模型及邊界條件

根據(jù)整車的布置情況并結(jié)合冷卻包的初步分析，計(jì)算域的尺寸為4m×3m×1.4m，采用切割體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為1853581。分析中設(shè)置了計(jì)算的邊界條件，計(jì)算域出入口均為壓力出口，其他壁面均為滑移壁面。電子風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速為1400r/min，散熱器和冷凝器采用多孔介質(zhì)模型來模擬。散熱器的慣性阻力系數(shù)為122.5kg/m4，粘性系數(shù)為531.5kg/(m3s)；冷凝器的慣性阻力系數(shù)為100kg/m4，粘性系數(shù)為500kg/(m3s)。分析工況為車輛怠速工況，計(jì)算模型如圖3、圖4所示。

圖3　機(jī)艙內(nèi)網(wǎng)格面

圖4　冷卻包網(wǎng)格面

1.3.2計(jì)算結(jié)果分析

首先分析整車中心Y平面切過發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管所形成的截面，如圖5、圖6所示。

圖5　流線分布圖

圖6　流速分布圖

根據(jù)圖5、圖6分析結(jié)果可知，氣流進(jìn)入機(jī)艙后流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)吸收熱量后在1、2處形成渦流，熱空氣無法順利排出。在風(fēng)扇前端上方3處存在氣流二次冷卻現(xiàn)象，車頭格柵下方進(jìn)氣口進(jìn)氣利用率比較高，機(jī)艙冷卻包下方有進(jìn)氣，增加了機(jī)艙空間的氣流量。圖7中可以看出，2處的氣流可以順利排出，而在3處風(fēng)速較低，氣流流通不暢。

進(jìn)一步分析整車中心Z平面切過發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管所形成的截面，如圖7、圖8所示。

圖8　流速分布圖

圖7、圖8分析結(jié)果可知，冷卻包左右兩側(cè)（圖7中1、2兩處）存在渦流和氣流二次冷卻現(xiàn)象，不利于機(jī)艙內(nèi)氣流散發(fā)出去。在發(fā)動(dòng)機(jī)左后方（圖7中3處）氣流未能充分利用，圖8中1、2兩處風(fēng)速較低是氣流不能有效利用的主要原因。

2　優(yōu)化措施及驗(yàn)證

2.1增加擋風(fēng)板

在風(fēng)扇左右兩側(cè)及上側(cè)增加擋風(fēng)板，減少進(jìn)入機(jī)艙上方的氣流量，盡量避免氣流產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，提高系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)效率。在機(jī)艙下方增加空氣導(dǎo)流罩，使熱空氣有效地導(dǎo)出，進(jìn)一步降低機(jī)艙溫度。

2.2調(diào)整前格柵導(dǎo)風(fēng)板角度

根據(jù)前面數(shù)據(jù)測(cè)試表明，格柵對(duì)機(jī)艙溫度的影響比較大，格柵導(dǎo)風(fēng)板的角度設(shè)計(jì)是否合理直接影響進(jìn)氣量和氣流方向。由于在機(jī)艙上方出現(xiàn)大量空氣產(chǎn)生渦流的情況，故將導(dǎo)風(fēng)板傾斜角度向下調(diào)整2°，使通過散熱器正面積的有效氣流增加。

2.3改進(jìn)驗(yàn)證結(jié)果

將上述一系列改進(jìn)措施應(yīng)用在整車中，通過試驗(yàn)測(cè)試效果非常明顯，不但降低了機(jī)艙內(nèi)的溫度，而且使系統(tǒng)的散熱能力增強(qiáng)，空調(diào)效果也得到改善。驗(yàn)證結(jié)果如表2所示。

表2　改進(jìn)后機(jī)艙測(cè)點(diǎn)溫度℃

3　結(jié)束語

在設(shè)計(jì)研發(fā)過程中通過理論匹配、軟件分析、試驗(yàn)驗(yàn)證等一系列嚴(yán)格的流程來解決出現(xiàn)的問題，具體總結(jié)如下：

1）熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)前需要對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通過計(jì)算機(jī)分析模擬流場(chǎng)分布、氣流速度和溫度分布，為設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2）試驗(yàn)測(cè)試必須結(jié)合理論分析，通過測(cè)試結(jié)果來驗(yàn)證理論分析的準(zhǔn)確度，反過來可以為熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論積累經(jīng)驗(yàn)。

3）研究結(jié)果所采取的改變格柵導(dǎo)風(fēng)板角度、冷卻包周邊增加擋風(fēng)板和機(jī)艙下部設(shè)計(jì)導(dǎo)流罩等方法對(duì)解決熱管理問題非常有效，為后續(xù)設(shè)計(jì)提供了參考方法。

參考文獻(xiàn)

[1]將光福.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱特性研究[J].汽車科技.2006（05）：18-23.

[2]陳濤，諸葛偉林，趙凱，等.發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理的系統(tǒng)整體熱流分析研究[C].中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)，2005.

收稿日期：2015?08?28

文章編號(hào)：1002-4581（2016）01-0025-04

中圖分類號(hào)：U462.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2016.01.007