發動機艙布局對氣熱流場的影響研究

劉暢++蔡國慶

摘 要：隨著當今汽車工業的不斷進步，汽車前艙的散熱效果成為影響汽車油耗的重要因素之一，本文從實驗角度出發，研究汽車前艙各個主要部分布局不同對汽車氣熱流場的影響。通過汽車前艙主要部件的正交位置不同來得出結論。

關鍵詞：前艙布局；氣熱流場；測量；節能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.187

0 前言

隨著我國的工業化的快速推進，國家對環境保護的重視程度日益提高。國家工業和信息化部也出臺了《乘用車燃料消耗量限值》及《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》來進一步加嚴乘用車燃料消耗限值，從2017年1月開始執行。所以車輛燃油經濟性的進一步提高顯得迫在眉睫。此次研究對汽車前艙建立氣流場及熱流場，通過改變前艙各組件的相對位置進行試驗，進一步通過改進汽車前艙內部結構布局從而提高車輛的散熱效能。

1 硬件部分

運用SolidWorks完成三維模型的建立，并利用3D打印技術打印出等比例縮小的實物，完成物理模型的建立，制作汽車前艙模型，與汽車模型大致比例為1：5，模型前端開口模擬進風口，采用導軌移動散熱器及發動機位置，達到模擬位置變化的目的，采用單片機控制風扇轉速從而調節進風量。

1.1 小比例3D打印模型

本實驗研究將實際汽車模型作為建模藍本，借助SolidWorks搭建了發動機前艙模型。發動機前艙內的主要包含了散熱器、冷卻風扇以及冷卻水管等部件。汽車前艙格柵后相鄰的便是散熱器和冷卻風扇，此區域也是發動機前艙完成熱交換的核心區域，熱交換未處理的熱量還可以通過左右兩側繼續處理，但是通過左右兩側繼續處理的熱量對實驗結果影響不大，在本實驗中便忽略不計。

1.2 實驗模型

考慮到真實汽車前艙模型過于復雜，出于研究成本方面的考慮，所以最終將模型簡化，采用鋁合金板制作汽車前艙模型，與汽車模型大致比例為1：5，模型前端開口模擬進風口，采用導軌移動散熱器及發動機位置，達到模擬位置變化的目的。

1.3 風速控制模塊

由于需要控制風速來模擬實際不同速度下的工況，設計采用220V AC轉24V DC模塊、PWM直流電機調速器、RS775直流電機，將220V交流轉化為24V直流輸出，再由PWM直流電機調速器來對RS775直流電機的轉速進行控制，從而組成風速控制模塊。

1.4 三組件調節部分

三組件的相對位置以及在前艙中的絕對位置都會影響模型的散熱效率，采用軸承式可調節固定座對三組件做非連續性調節，通過導軌正交分布，將散熱器與發動機模型置于兩滑軌之上，通過改變滑軌位置達到改變其相對位置的目的，從而可以控制單一變量達到研究散熱器的位置或者是發動機位置的目的。。

1.5 測量電路

實驗需要對前艙模型內的組件取點測溫，以及對艙內的風速進行測量。其中溫度傳感器采用DS18B20，其優點是體積小，抗干擾能力強，應用簡單，只需要一條口線就可以實現通信、供電等功能。實驗中風速的測量包含兩個部分：一、前艙模型的進風風速測量；二、散熱器的進風風速測量，依次來推算出經過前艙模型的進風量以及經過散熱器的進風量。實驗中在散熱器的上部、下部、前部等三個部位分別安裝一個風速傳感器，實驗中盡可能的選用小體積的傳感器來減小體積會對氣流造成的影響，進而減小實驗的系統誤差。

2 軟件部分

軟件部分分為數據采集和風速控制兩部分。需要對溫度傳感器、風速傳感器的測量數據進行采集，同時需要滿足對電機轉速可調從而實現風速可調。采集系統的編寫是在LabVIEW軟件平臺上完成。LabVIEW采用圖形化編輯語言G語言編寫程序，產生的程序是框圖的形式。LabVIEW軟件的函數庫包括數據采集，GPIB、串口控制、數據分析、數據顯示及數據存儲等等。

2.1 風速調節

艙內風扇轉速及風速都屬于需要控制的實驗變量，而這兩個變量實際均由電機的轉速決定，故運用單片機并采用C語言編寫程序對電機轉速進行控制，完成控制系統搭建。采用PWM技術，利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中，其利用單片機的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種有效的技術，其實就是使用數字量輸出達到一個模擬量輸出的效果。

2.2 數據采集

基于LabVIEW的虛擬儀器數據采集系統方案。LabVIEW是美國國家儀器公司（NI）研發的圖形化開發環境，具有很高的靈活性和可拓展性，并且依靠計算機強大的分析計算能力以及靈活的數據處理功能，大大的降低了實驗的人力物力等資源的消耗。

3 結果分析

在1：5的前艙模型中，相對于冷凝器、散熱器和風扇原始的內部布局，前艙的散熱效率與散熱元器件及熱源兩者間的相對距離大致呈正態分布，通過優化前艙結構布局，從海量的實驗數據中找尋到最優的一組參數，最優化的布局可實現綜合工況散熱效率提升19.1%，效果十分顯著，可見通過優化發動機艙布局從而改進氣熱流場進而達到節能降耗的設想是完全可行的。

4 結語

發動機艙布局對氣熱流場的影響研究對提高汽車效率意義重大，通過提高散熱效率來降低能耗及碳排放是當今一個新穎的思路，現在很多國外知名車企都己經著手開始研究或是已經加以應用。本實驗研究提供了一個完整可行的方案，本次的實驗系統和數據是基于模擬前艙，對于現今的汽車工業有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]李傳峰.某新車型發動機艙熱管理的研究與改進[D].上海交通大學，2013.

[2]張坤，王玉璋，楊小玉.應用CFD方法改善發動機艙散熱性能[J].汽車工程，2011.

[3]高青，錢妍，戈非.Y.Y.Yan汽車動力艙多熱力系統模型分析方法[J].汽車工程學報，2012.

[4]常靜.基于前端格柵外形的轎車氣動特性研究[D].吉林大學，2015.

基金項目：武漢理工大學國家級大學生創新創業訓練計劃資助（編號：20161049704021）