發動機冷卻系統的熱風回流分析與優化

肖 飛 ，唐榮江 ，，張 淼 ，童 浙 ，陸增俊 ，李申芳

（1.東風柳州汽車有限公司商用車技術中心，廣西 柳州545005；2.桂林電子科技大學，廣西 桂林541004）

0 前言

冷卻系統是發動機的重要組成部分，汽車發動機艙是個半封閉的空間，對溫度場的要求特別高，一方面艙內各種材料的零件如橡膠件、線束對溫度有一定的要求；另一方面發動機本身需要適當的散熱，以保證在各種工況下都具有最佳的動力性和經濟性[1]。散熱器是一個散熱裝置，上面布置著很多的散熱片，通過這些散熱片將熱量從水傳遞到空氣中。為了加快散熱器的散熱速度，風扇在這里起到了很關鍵的作用，通過風扇的轉動，加速了空氣流經散熱器的速度，從而加快了散熱器的散熱速度。在此經過冷卻的水再次被水泵送進發動機缸套中，由此不斷循環，控制發動機的溫度過高。而當空冷器排出的熱風，其中一部分又被風機抽吸至空冷器的入口，此現象稱之為熱風回流（也稱熱風再循環）[2]。

針對某款國產卡車機型散熱不合格問題，使用CFD軟件對發動機艙冷卻系統流場進行仿真模擬。通過仿真模擬找出問題產生的原因，對其冷卻系統進行分析和優化，并對整改措施進行實驗驗證。

1 問題描述

某國產商用車在以1 300 r/min發動機負荷100%為基準，環境溫度為33.3℃下進行拖車實驗，經過測試發現發動機出水溫度為98.4℃，進水溫度為89.6℃，液氣溫差為65.1℃，極限許用環境溫度為40.6℃，冷卻系統不合格。

對散熱器水箱進風面溫度進行測試，本次測試在環境溫度為32.8℃，發動機達到最大扭矩工況之下測試水箱進風面的溫度，從車頭往后看，水箱進風面的溫度如圖1所示。

圖1 水箱進風面的溫度

從圖可以看出，水箱進風面溫度相對環境溫度都超過了30℃，說明冷卻系統存在著很大的熱分回流。在某些情況下，熱風回流使冷卻風扇的空氣溫度增加5℃，就會使散熱器的傳熱量降低30%，嚴重影響散熱器的傳熱性能，降低機組的經濟性，有時會導致機組背壓大幅波動而使機組停運[3]。

2 數值分析

2.1 理論基礎

本文以空氣的流動為研究對象，質量守恒定律是任何流體運動都需要滿足的一個基本方程。按照這一定律，可以得出質量守恒方程：

動量守恒定律是描述流體運動的一個基本定理。該定律是牛頓定律的推論，但應用的研究領域更加廣泛。按照這一定律，可導出動量守恒方程：

式中：ρ為空氣密度；μ為流體動力粘度；u為速度矢量。

該模型以k-ε模型為基礎，湍流動能k方程：

湍動能耗散方程：

式中：Gb為氣流引起的湍流動能；GK為速度梯度引起的湍流動能；YM為湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；ε為湍流動能耗散率，為湍流有效黏性系數；ρ為空氣密度；C1ε、C2ε為參考常數，取 1.6 和 1.5[6].σk、σε為湍流動能及其耗散率的湍流普朗特數，取1.1和1.3.

2.2 模型的建立

本文通過三維CAD軟件CATIA建立冷卻系統和發動機艙幾何模型，內機構復雜零件眾多，需要耗費大量時間進行網格劃分，這不符合實際工程要求。在工程分析時需要對模型進行簡化處理[5]，只保留底盤、發動機、進氣系統、散熱器、中冷器、車架、車輪、水箱等主要零部件，如圖2所示。

圖2 發動機艙簡化模型

2.3 邊界設定與網格劃分

通過ANSYS對幾何模型進行流場模擬，發動機艙內流場，采用 RNG k-ε模型，穩態不可壓縮流體；定義以下邊界條件：（1）車輛正方向端面為入口邊界，風速為行駛車速12 km/h（.2）出口為壓力邊界條件，車身后端面為出口邊界，壓強為 0Pa（3）環境溫度25℃，空氣密度1.185 kg/m3.整個流體三維計算區域為長105 m，寬15 m，高16 m，理想的風洞模型為：車身前方留5倍車長，車身后方留10倍車長，車身上方留5倍車高，車身側面留5倍車寬，網格類型為多面體網格，邊界層3層，總厚度2 mm，總網格數量約3 110千萬個。劃分網格時在進氣管附近進行局部加密，最小尺寸為5 mm，以提高收斂性和加快運算速度[6]。如圖3所示。

圖3 模型三維計算區域

2.4 仿真結果分析

流場模擬如圖4所示，不難發現，左方和上方回風嚴重，從車前向后看，風扇順時針旋轉，將風經護風罩導風后，流向發生改變，一部分直接沿車架回流，一部分打到發動機擋泥板上。

圖4 冷卻系統流場模擬

由流場圖可以看出，氣流從中冷器吹向散熱器，流場風向與實驗風向一致；當仿真結果收斂以后，液氣溫差仿真值為67.2℃，仿真值與實測值相對誤差為3.23%，仿真結果精度較高。

3 冷卻系統的優化及改進措施

3.1 更換風扇

風扇的扇風量主要與風扇的結構形式、直徑、轉速、轉速、葉片形狀、葉片安裝角及葉片數目有關[7]。針對散熱器散熱能力基本滿足使用要求的特點，考慮到盡量使用現有生產制造工藝，決定先采用改變風扇的葉片數目的方法，增大風扇的扇風量。

由于發動機振動過大，風扇和護風罩運動干涉，所以加大護風罩直徑，減少對高速運轉的風扇干擾，原護風罩孔直徑717 mm，如圖5（c）所示，現選護風罩孔直徑為730 mm，如圖5（d）所示。原狀態風扇的投影寬度為69 mm，由于風扇的安裝空間十分狹窄，風扇的投影寬度不能大于75 mm，否則風扇距離發動機太近；雪龍、霍頓都沒有小葉寬的風扇，選擇了采購推薦的河北納州的7葉和9葉風扇，進行試驗。原風扇和原護風罩以及修改后的如圖5（a）、（b）所示。

圖5 風扇和護風罩模型圖

3.2 安裝防熱風回流擋板

使散熱器的進風溫度接近環境溫度，合理布置散熱器的進風口，提高散熱器與車身、發動機艙接合處的密封性，能有效地阻擋和降低熱空氣回流。由于發罩及橫梁阻擋產生回風，在散熱器兩邊加裝熱風回流的防止板，如圖6（a）所示，盡可能地減少熱風回流。將左側擋泥板卷起，如圖6（c）所示，有利于風扇甩出的風從此處瀉出。并通過軟件對其進行仿真模擬，如圖4所示。

圖6 堵風和導風實驗及仿真

由圖6（b）可以看出，通過在散熱器兩側增加擋風板，有效地減少了上方的熱風回流；將左側擋泥板卷起，從而風扇甩出的風從此處泄出，如圖6（d）所示。由此可見，堵風和導風對熱風回流有明顯的改善效果。

3.3 加高水箱

水箱是水冷式發動機的重要部件，作為水冷式發動機散熱回路的一個重要組成部件，能夠吸收缸體的熱量，防止發動機過熱由于水的比熱容較大，吸收缸體的熱量后溫度升高并不是很多，所以發動機的熱量通過冷卻水這個液體回路，利用水作為載熱體傳導熱，再通過大面積的散熱片以對流的方式散熱，以維持發動機的合適工作溫度。

本文通過加高水箱85 mm來增加水箱的容量來改進水箱的吸熱量，從而更好的降低發動機的溫度。

4 實驗驗證

通過上述一系列措施，提出三種改進方案對實驗車輛再次進行熱平衡實驗，實驗室時采用負荷拖車使發動機在標準工況下實驗，方案一通過改用9葉風扇和改良風扇罩，方案二通過對發動機機艙急性堵風和導風，方案三在堵風和導風的情況下，再加高水箱85 mm和限扭1 500 N·m進行實驗，實驗數據如表1所示。

表1 實驗測試結果

測得冷卻系統在扭矩點時的冷卻常數K（K=T出水-T環境）。極限環境使用溫度T使用（T使用=T極限-（T出水-T環境）），當使用水作為冷卻介質時：T使用為41 ℃[8]。

通過上述實驗數據可知，更換風扇和護風罩并未使水溫高問題有改善的趨勢；通過對水箱四周進行防回風封堵，可以改善熱風回流，但無法根治；水箱加高85 mm，進行導風和隔風；以及將發動機限扭至1 500 N·m，K值為56.8℃，有效了提高了發動機的冷卻性能。

5 結論

本文通過對某商用車發動機冷卻系統進行實驗和仿真分析，發現熱風回流是導致冷卻系統不合格的主要原因。

根據發動機冷卻系統空氣流場特點，利用ANSYS平臺對冷卻系統性能進行仿真。對仿真結果與實驗結果進行比較，仿真值與實驗數據基本一致，說明本文的仿真可行。

為了解決熱風回流問題，本文提出了三種解決方案。通過對三個方案進行實驗驗證，最終通過水箱加高85 mm，對發動機艙進行導風和隔風，以及將發動機限扭至1 500 N·m，結果表明，冷卻常數降低了8.3℃，有效地提高了發動機冷卻系統性能。