齊凱，鄭鑫，孔繁華，李飛（華晨汽車(chē)工程研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

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發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理性能改進(jìn)與成本最低化研究

齊凱，鄭鑫，孔繁華，李飛
（華晨汽車(chē)工程研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

摘要：隨著汽車(chē)業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車(chē)性能品質(zhì)越發(fā)提升，銷(xiāo)售價(jià)格卻連連降低。發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理的改進(jìn)研究不再停留對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理性能的改進(jìn)提升，更加關(guān)注對(duì)研發(fā)成本的影響。高性能、低成本已經(jīng)成為汽車(chē)業(yè)新時(shí)代發(fā)展的代名詞。文章主要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理的改進(jìn)過(guò)程中，考慮優(yōu)化成本因素，達(dá)到了既提升性能，又降低成本的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)艙；熱管理；高性能；低成本

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033

CLC NO.: U472.6Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-151-03

前言

隨著人們生活水平不斷提高，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙性能需求也越來(lái)越高，這將導(dǎo)致艙內(nèi)零部件總數(shù)量不斷增加，艙內(nèi)空間變得越來(lái)越緊湊。在今日競(jìng)爭(zhēng)激烈的汽車(chē)市場(chǎng)中，如何改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理，提升發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱性能，同時(shí)又使成本最低化，逐步成為汽車(chē)廠提高整車(chē)性能的焦點(diǎn)。本文采用CFD模擬和熱負(fù)荷試驗(yàn)相結(jié)合的方法，從理論分析到科學(xué)實(shí)踐與工程實(shí)際，徹底地解決發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理方面出現(xiàn)的問(wèn)題。考慮到優(yōu)化成本問(wèn)題，合理的處理了性能與成本問(wèn)題，提高了整車(chē)開(kāi)發(fā)的優(yōu)越性。

1、性能分析及優(yōu)化

1.1流動(dòng)與傳熱的基本方程組

動(dòng)機(jī)艙熱管理的仿真分析屬于流動(dòng)與傳熱范疇，通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)的手段更好的解析發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理問(wèn)題，更加高效的針對(duì)熱管理問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)研究。

1.1.1質(zhì)量守恒方程

質(zhì)量守恒定律：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，流入微元體的凈質(zhì)量，與在同一時(shí)間間隔下，該微元體中流體質(zhì)量的增量是相等的。由此可以得到質(zhì)量守恒定律方程：

1.1.2動(dòng)量守恒方程

動(dòng)量守恒定律是任何流體系統(tǒng)都必須滿足的，其定義為流體所受外界作用合力，等于流體微元的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率。通過(guò)動(dòng)量守恒定律，可以拆分出x、y和z三方向的分向動(dòng)量守恒方程：

式中：p為微元體受的壓力。

1.1.3能量守恒方程

在能量守恒方程中，變量為溫度值的控制方程為：

式中：k為流體傳熱系數(shù)；T為流體溫度；Cp為比熱容；ST為剩余能量，即內(nèi)部熱源，與由于存在流體粘性作用，流體機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分能量的統(tǒng)稱(chēng)。

1.2性能分析

1.2.1模型建立

整車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理的模型與外流場(chǎng)分析模型一致。一般計(jì)算域設(shè)置為車(chē)前三倍車(chē)長(zhǎng)，五倍車(chē)高，車(chē)后七倍車(chē)長(zhǎng)，提高計(jì)算一致性，基本消除了阻塞效應(yīng)的影響。整車(chē)模型，如圖1所示。計(jì)算域模型，如圖2所示。

圖1　整車(chē)模型圖

1.2.2仿真分析

本次仿真計(jì)算基于零部件供應(yīng)商提供的冷卻系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)計(jì)算高速、爬坡工況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理分析，找到問(wèn)題原因，探索解決方案及成本優(yōu)化。仿真工況的相關(guān)內(nèi)容如下：

工況一：風(fēng)扇關(guān)閉，車(chē)速為最高車(chē)速，高速工況；

工況二：爬坡工況，風(fēng)扇轉(zhuǎn)數(shù)為2450rpm，車(chē)速為33.4km/h。

如表1所示，仿真系統(tǒng)計(jì)算出各個(gè)系統(tǒng)的進(jìn)入量：

表1　散熱系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量統(tǒng)計(jì)表　單位：kg/s

通過(guò)散熱系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量統(tǒng)計(jì)表分析可知，高速工況下散熱系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量都沒(méi)有滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)值要求；爬坡工況下的散熱器和中冷器進(jìn)風(fēng)量均無(wú)法滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)值。這表明汽車(chē)在高速、爬坡工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)存在冷卻液沸騰的風(fēng)險(xiǎn)。

1.3仿真優(yōu)化

根據(jù)仿真分析可以通過(guò)增加導(dǎo)風(fēng)板把從散熱器上方泄露的氣流攔截，進(jìn)而增加散熱器和冷凝器的進(jìn)風(fēng)量。同時(shí)，在中冷器上、下方增加導(dǎo)風(fēng)板，增加中冷器進(jìn)風(fēng)量。為了避免氣流從橫梁兩側(cè)泄露，可以在橫梁兩側(cè)增加導(dǎo)風(fēng)板，進(jìn)一步提高散熱器和冷凝器的進(jìn)風(fēng)量，具體的優(yōu)化方案見(jiàn)圖3所示。

在反饋給設(shè)計(jì)部門(mén)關(guān)于增加導(dǎo)風(fēng)板之前，先對(duì)增加導(dǎo)風(fēng)板的效果進(jìn)行仿真、評(píng)估。通過(guò)計(jì)算結(jié)果表明散熱系統(tǒng)中所有進(jìn)風(fēng)量都有所提升，且各零部件的進(jìn)風(fēng)量都滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。其中，冷凝器的進(jìn)風(fēng)量效果比較明顯，在一定程度上，可以提升空調(diào)性能，提高整車(chē)空調(diào)舒適性，表2為散熱系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量。

圖3　導(dǎo)風(fēng)板所在位置示意圖

表2　散熱系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量統(tǒng)計(jì)表

2、成本優(yōu)化

2.1成本優(yōu)化

圖3中描述了導(dǎo)風(fēng)板形狀數(shù)量和位置。將仿真優(yōu)化好的導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，反饋給設(shè)計(jì)部門(mén)，設(shè)計(jì)部門(mén)會(huì)根據(jù)導(dǎo)風(fēng)板數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)布置空間及結(jié)構(gòu)細(xì)化工作。仿真優(yōu)化的導(dǎo)風(fēng)板一共6塊，供應(yīng)商反饋需要500元成本費(fèi)用，由于項(xiàng)目成本的限制，需要重新優(yōu)化導(dǎo)風(fēng)板數(shù)量。

對(duì)所有擋風(fēng)板計(jì)算分析：散熱器導(dǎo)風(fēng)板被優(yōu)化，由于它的作用是增加進(jìn)風(fēng)量；橫梁導(dǎo)風(fēng)板可以考慮取消；中冷器導(dǎo)風(fēng)板可以被取消?？紤]仿真時(shí)間問(wèn)題，僅對(duì)高速工況進(jìn)行導(dǎo)風(fēng)板組合優(yōu)化，高速工況達(dá)標(biāo)后，進(jìn)行爬坡驗(yàn)證；相比前期優(yōu)化，散熱器和冷凝器進(jìn)氣量有所增加，中冷器進(jìn)氣量有所下降，但仍滿足目標(biāo)值；最終取消中冷器上導(dǎo)風(fēng)板，節(jié)約成本100元，完成了成本控制的目標(biāo)，散熱系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量統(tǒng)計(jì)表如表3所示。

表3　散熱系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量統(tǒng)計(jì)表

2.2仿真驗(yàn)證

發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空氣流動(dòng)狀況與發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱息息相關(guān)。一旦散熱系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量不滿足目標(biāo)，將會(huì)影響散熱系統(tǒng)的散熱效率，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降，甚至發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液沸騰。

散熱器導(dǎo)風(fēng)板攔截了氣流，增加了冷卻模塊的進(jìn)氣量，通過(guò)增加中冷器下方的導(dǎo)風(fēng)板，使得中冷器下方泄露的氣流被攔截，從而增加中冷器的進(jìn)風(fēng)量。高速工況下，Y=-140mm對(duì)比流線，如圖4所示。

圖4　高速工況切面速度流線對(duì)比

爬坡工況下，散熱系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量主要是風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)提供的，通過(guò)云圖對(duì)比分析，導(dǎo)風(fēng)板對(duì)散熱系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量影響不明顯，如圖5所示。

圖5　爬坡工況切面速度流線對(duì)比

最終的導(dǎo)風(fēng)板方案為：散熱器、橫梁兩側(cè)、中冷器下側(cè)導(dǎo)風(fēng)板。將最終導(dǎo)風(fēng)板方案提交給設(shè)計(jì)部門(mén)，得到其認(rèn)可，完成前期發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)仿真優(yōu)化任務(wù)。

3、總結(jié)

通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)原車(chē)的散熱系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量不滿足散熱性能目標(biāo)，通過(guò)增加導(dǎo)風(fēng)板的方法，使得散熱系統(tǒng)進(jìn)氣量明顯提升并達(dá)到散熱目標(biāo)要求。由于導(dǎo)風(fēng)板存在成本控制，限制了其使用情況，故需在滿足性能要求的前提下，對(duì)其方案進(jìn)行降低成本。最后通過(guò)仿真分析及優(yōu)化方案的選取，確定導(dǎo)風(fēng)板最終優(yōu)化方案，達(dá)到了即滿足性能目標(biāo)，完成了成本控制目標(biāo)，而且通過(guò)流場(chǎng)分析，即驗(yàn)證了導(dǎo)風(fēng)板的作用，又找出了在后期做溫度場(chǎng)分析中需要關(guān)注的零部件，防止其出現(xiàn)溫度過(guò)高現(xiàn)象，避免熱害的發(fā)生。

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Research on Improving the Thermal Management of the Engine Room and minimize the cost of production

Qi Kai, Zheng Xin, Kong Fanhua, Li Fei
( Brilliance automotive engineering research institute, Liaoning Shenyang 110141 )

Abstract:With the rapid development of the automotive industry, vehicle performance quality improved so fast, the sales price repeatedly lower. Research on improving the thermal management of the engine room not only stays on enhancing the performance improvements, more concerned about the impact of R&D costs. High-performance, low-cost automobile industry has become synonymous with the development of a new era. During the process of improvement the thermal management of the engine room, optimizing cost factors, to enhance both the performance and cost reduction goals.

Keywords:Engine room; Thermal management; High performance; Low cost

中圖分類(lèi)號(hào)：U472.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988（2016）05-151-03

作者簡(jiǎn)介：齊凱，就職于華晨汽車(chē)工程研究院。