發動機前置式機艙內氣熱模型的構建及分析

周亞文+魯錦濤+彭行翠

摘 要：采用實驗與數值計算相結合的方法，研究前置式發動機艙內空氣流場對散熱性能的影響，并進而探索前艙散熱與整車燃油經濟性之間的關系。

關鍵詞：發動機艙；空氣流場；耦合計算；結構優化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.251

1 引言

汽車前艙散熱性能直接影響著整車運行的可靠性，相關研究表明發動機故障的50%左右是由冷卻系統故障引起。其次是整車運行的經濟性，冷卻系的功用是保證發動機在任何負荷條件下和工作環境下，均能在最適合的溫度狀態下正常和可靠地工作。而目前冷卻系統通常按照滿足最大散熱要求進行設計，冷卻系統僅在3～5%的運行時間里達到極限設計狀態，因此在大部分時間里，系統處于過冷狀態，不利于車輛正常高效地工作。通過構造前艙的氣熱模型，分析探索優化散熱的方法極具研究價值。

2 模型構建及試驗

通過對原車進行整車熱平衡試驗搭建整車CFD仿真三維模型，將試驗結果與實驗結果對比來驗證仿真結果的正確性和優化方案的可行性。

2.1 原車改進

經CFD仿真分析可知，最優的優化方案為增加上中下導流板，并調節散熱器組之間的距離，最優組合為：上導流板向下傾斜0°、中導流板結構2、下導流板向上傾斜20°、風扇后移25mm、散熱器前移15mm、冷凝器35mm。

2.2 試驗過程

整車熱平衡實驗在室內排放實驗室進行，環境溫度為40℃，試驗車先以120km/h熱車15分鐘，怠速5min后進行室內模擬爬坡工況，7.2%坡度負載，試驗車以手動擋3檔速度37km/h-41km/h爬坡，空調為冷風模式外循環，風量最大，30min后熄火靜置15min，然后怠速5min后進行室內高速工況，試驗車以最高檔116-120km/h運行，空調為冷風模式外循環，風量最大。

3 驗證分析

3.1 冷卻系統散熱性能對比

通常以溫升曲線、冷卻常數和許用環境溫度作為汽車冷卻系統適應能力的評價指標。通過對比分析優化前后水溫和油溫的溫升曲線、冷卻常數以及許用環境溫度的變化，對改進前后的冷卻系統散熱能力進行評價。

在道路環境模擬實驗室內進行了實車的高速、模擬爬坡行駛、最大扭矩轉速行駛和額定功率轉速行駛四個工況下的道路環境模擬實驗，由于所用實驗室不能滿足將環境溫度穩定在所需的40℃，本次實驗所測的環境溫度是變化的，濕度33%。表1為改進前后環境模擬實驗各工況溫度參數記錄。

從表1可以看出，在原車的基礎上進行改造優化后，模擬爬坡工況和高速工況下機油溫度、發動機進水溫度、發動機出水溫度明顯下降，冷卻常數液氣溫差和油氣溫差也明顯下降。原車改造優化后，模擬爬坡工況下溫度浮動較大，效果較明顯；高速工況下，溫度浮動較小，提升較小。對原車進行改造優化后，模擬爬坡工況和高速工況下的發動機出水溫度、油底殼溫度和冷卻介質冷卻常數都相較原車的低，這也進一步說明了，原車改造優化提升了散熱效率，提高了散熱能力。

綜上所述，優化方案有效了提升了上下進氣格柵的進氣效率，原車改造優化提升了散熱效率，提高了散熱能力，提升了散熱器組的進氣量，改善了冷卻系統的散熱效率。

4 結束語

通過對CN210M優化前后進行室內環境模擬實驗，從冷卻系統散熱能力、發動機艙空間溫度變化、冷卻風風速變化等進行對比分析，對CN210M冷卻風進風效率優化方案進行驗證，證實了對冷卻系統和發動機艙的散熱性能的提高。

（1）通過使用溫升曲線、冷卻常數和許用環境溫度三個評價指標對改進前后的冷卻系統散熱能力進行對比分析，冷卻系統的冷卻效果均有明顯的改善，尤其是在模擬爬坡工況下的優化效果顯著，液氣溫差降低3.05℃，油氣溫差降低了2.27℃。證明冷卻系統進風效率的優化是可行的。

（2）通過對改進前后的發動機艙空間溫度進行對比分析，改造優化后，散熱器前后溫差變大，冷卻風帶走熱量增加，散熱性能提升；除散熱器組溫度變化較小外，前艙其他測點溫度基本都小于原車同測點溫度，其中蓄電池、發電機、發動機蓋、排氣歧管和底部出風口溫度下降較明顯。

（3）通過改進前后的冷卻風風速對比分析，在各工況下，上進氣格柵和下進氣格柵的進氣風速均增大，即流經散熱器組風量增加，提高了整個冷卻系統的散熱性能。

參考文獻：

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