發動機艙熱管理性能改進與成本最低化研究

齊凱，鄭鑫，孔繁華，李飛（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

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發動機艙熱管理性能改進與成本最低化研究

齊凱，鄭鑫，孔繁華，李飛
（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

摘要：隨著汽車業的迅猛發展，汽車性能品質越發提升，銷售價格卻連連降低。發動機艙熱管理的改進研究不再停留對發動機艙熱管理性能的改進提升，更加關注對研發成本的影響。高性能、低成本已經成為汽車業新時代發展的代名詞。文章主要對發動機艙熱管理的改進過程中，考慮優化成本因素，達到了既提升性能，又降低成本的目標。

關鍵詞：發動機艙；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，對發動機艙性能需求也越來越高，這將導致艙內零部件總數量不斷增加，艙內空間變得越來越緊湊。在今日競爭激烈的汽車市場中，如何改進發動機艙熱管理，提升發動機艙散熱性能，同時又使成本最低化，逐步成為汽車廠提高整車性能的焦點。本文采用CFD模擬和熱負荷試驗相結合的方法，從理論分析到科學實踐與工程實際，徹底地解決發動機艙熱管理方面出現的問題。考慮到優化成本問題，合理的處理了性能與成本問題，提高了整車開發的優越性。

1、性能分析及優化

1.1流動與傳熱的基本方程組

動機艙熱管理的仿真分析屬于流動與傳熱范疇，通過計算流體力學的手段更好的解析發動機艙熱管理問題，更加高效的針對熱管理問題進行改進研究。

1.1.1質量守恒方程

質量守恒定律：單位時間內，流入微元體的凈質量，與在同一時間間隔下，該微元體中流體質量的增量是相等的。由此可以得到質量守恒定律方程：

1.1.2動量守恒方程

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

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；T為流體溫度；Cp為比熱容；ST為剩余能量，即內部熱源，與由于存在流體粘性作用，流體機械能轉化為熱能的部分能量的統稱。

1.2性能分析

1.2.1模型建立

整車發動機艙熱管理的模型與外流場分析模型一致。一般計算域設置為車前三倍車長，五倍車高，車后七倍車長，提高計算一致性，基本消除了阻塞效應的影響。整車模型，如圖1所示。計算域模型，如圖2所示。

圖1　整車模型圖

1.2.2仿真分析

本次仿真計算基于零部件供應商提供的冷卻系統和發動機相關實驗數據。通過計算高速、爬坡工況對發動機艙熱管理分析，找到問題原因，探索解決方案及成本優化。仿真工況的相關內容如下：

工況一：風扇關閉，車速為最高車速，高速工況；

工況二：爬坡工況，風扇轉數為2450rpm，車速為33.4km/h。

如表1所示，仿真系統計算出各個系統的進入量：

表1　散熱系統進風量統計表　單位：kg/s

通過散熱系統進風量統計表分析可知，高速工況下散熱系統的進風量都沒有滿足設計目標值要求；爬坡工況下的散熱器和中冷器進風量均無法滿足設計目標值。這表明汽車在高速、爬坡工況下，發動機存在冷卻液沸騰的風險。

1.3仿真優化

根據仿真分析可以通過增加導風板把從散熱器上方泄露的氣流攔截，進而增加散熱器和冷凝器的進風量。同時，在中冷器上、下方增加導風板，增加中冷器進風量。為了避免氣流從橫梁兩側泄露，可以在橫梁兩側增加導風板，進一步提高散熱器和冷凝器的進風量，具體的優化方案見圖3所示。

在反饋給設計部門關于增加導風板之前，先對增加導風板的效果進行仿真、評估。通過計算結果表明散熱系統中所有進風量都有所提升，且各零部件的進風量都滿足設計目標要求。其中，冷凝器的進風量效果比較明顯，在一定程度上，可以提升空調性能，提高整車空調舒適性，表2為散熱系統進風量。

圖3　導風板所在位置示意圖

表2　散熱系統進風量統計表

2、成本優化

2.1成本優化

圖3中描述了導風板形狀數量和位置。將仿真優化好的導風板結構數據進行格式轉換，反饋給設計部門，設計部門會根據導風板數據進行確認布置空間及結構細化工作。仿真優化的導風板一共6塊，供應商反饋需要500元成本費用，由于項目成本的限制，需要重新優化導風板數量。

對所有擋風板計算分析：散熱器導風板被優化，由于它的作用是增加進風量；橫梁導風板可以考慮取消；中冷器導風板可以被取消。考慮仿真時間問題，僅對高速工況進行導風板組合優化，高速工況達標后，進行爬坡驗證；相比前期優化，散熱器和冷凝器進氣量有所增加，中冷器進氣量有所下降，但仍滿足目標值；最終取消中冷器上導風板，節約成本100元，完成了成本控制的目標，散熱系統進風量統計表如表3所示。

表3　散熱系統進風量統計表

2.2仿真驗證

發動機艙內空氣流動狀況與發動機艙散熱息息相關。一旦散熱系統的進風量不滿足目標，將會影響散熱系統的散熱效率，進而導致發動機性能下降，甚至發動機冷卻液沸騰。

散熱器導風板攔截了氣流，增加了冷卻模塊的進氣量，通過增加中冷器下方的導風板，使得中冷器下方泄露的氣流被攔截，從而增加中冷器的進風量。高速工況下，Y=-140mm對比流線，如圖4所示。

圖4　高速工況切面速度流線對比

爬坡工況下，散熱系統的進風量主要是風扇旋轉提供的，通過云圖對比分析，導風板對散熱系統的進風量影響不明顯，如圖5所示。

圖5　爬坡工況切面速度流線對比

最終的導風板方案為：散熱器、橫梁兩側、中冷器下側導風板。將最終導風板方案提交給設計部門，得到其認可，完成前期發動機艙流場仿真優化任務。

3、總結

通過仿真分析發現原車的散熱系統進風量不滿足散熱性能目標，通過增加導風板的方法，使得散熱系統進氣量明顯提升并達到散熱目標要求。由于導風板存在成本控制，限制了其使用情況，故需在滿足性能要求的前提下，對其方案進行降低成本。最后通過仿真分析及優化方案的選取，確定導風板最終優化方案，達到了即滿足性能目標，完成了成本控制目標，而且通過流場分析，即驗證了導風板的作用，又找出了在后期做溫度場分析中需要關注的零部件，防止其出現溫度過高現象，避免熱害的發生。

參考文獻

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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

中圖分類號：U472.6

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988（2016）05-151-03

作者簡介：齊凱，就職于華晨汽車工程研究院。