某長頭卡車后處理熱防護控制

莫榮博,許恩永

(東風柳州汽車有限公司 商用車技術中心,廣西 柳州 545005)

隨著科技的發展和人民生活水平的提高,人們對卡車舒適性和安全性要求也水漲船高,同時伴隨排放法規的升級、排放檢測的重視,排氣系統后處理器應用愈發廣泛.溫度是后處理器再生效率的重要參數,在一定程度上溫度越高,催化效率越高,使得后處理系統成為排氣系統的重要熱源之一[1].如果行駛過程中排氣系統附近重要部件周圍流速過低、流量過小,則容易引起散熱不足,導致局部溫度偏高[2].此時熱管理不當將容易導致周圍橡膠、塑料零部件溫度過高,嚴重影響其使用壽命和行車安全[3].

在解決熱管理問題上,存在理論分析、實驗分析和數值模擬分析3種方法[4].理論分析通過研究流體運動規律找出可描述流動特性的簡化模型,建立控制方程獲得問題的解析解,但由于機艙內呈非線性流動計算復雜,因此,該方法應用具有局限性;而實驗分析可得到準確、可靠和直觀的測試結果,但耗時、費力,投入大、周期長;數值模擬分析中計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)是對流體流動、熱傳導等進行計算機數值計算和圖像顯示分析的方法,為汽車流場溫度場分布規律研究提供了更為便捷的模擬手段,提高了效率,降低了成本,彌補了理論分析和實驗分析的不足,獲得了廣泛應用.

本文針對某型長頭卡車車門下飾板、腳踏板過熱以及示廓燈烤焦等熱管理問題,采用三維建模軟件實現卡車機艙和底盤的實體建模,通過CFD數值模擬手段完成卡車排氣系統的流場狀況和溫度場分布規律的分析;結合實車測試分析,找出產生問題的主要原因,基于理論分析提出多個解決方案;最后通過數值仿真，測試驗證方案的實際效果,解決排氣系統熱防護問題.

1 原因分析

根據售后反饋,某長頭卡車存在車門下飾板、腳踏板過熱及示廓燈烤焦等問題.本文選擇同一型號標準滿載車，進行10 km的爬坡測試對該問題進行復現.實驗過程中布置了測試點1(后處理器上部)、測試點2(后處理器側上部)、測試點3(門檻飾板內側面)和測試點4(示廓燈內側面)4個測試點,如圖1所示.測試過程采用INTEST汽車無線數據記錄儀進行數據測量,結果如表1所示.由表1可見：后處理器表面最高達到了249.2 ℃,周邊附件最高溫度也達到84.3 ℃,超過了80.0 ℃的耐溫限值,驗證了售后反映問題.

圖1 測點分布圖Fig.1 Layout of measuring points

表1 試驗測試結果Tab.1 Test results of experiment

2 建模分析

2.1 理論基礎

長頭卡車發動機艙內氣體流動速度低,湍流系數小,可認為是不可壓縮湍流流動,對其進行數值模擬時，滿足下面基本控制方程[5].

質量守恒方程:

(1)

式中:ρ為空氣的密度;t為時間;u,v,w分別為速度矢量在x,y,z3個方向的分量.

動量守恒方程:

式中:p為作用在控制體表面上的應力;u,w,v分別為速度在x，y，z3個坐標軸上的分量值；τxx,τyx,τzx為黏性應力在各個方向的分力;U為速度矢量;Fx,Fy,Fz質量力F在3個方向的分力.

能量守恒方程:

(5)

式中:cp為比熱容;T為溫度;κ為空氣傳熱系數;ST為空氣的內熱源.

考慮到冷卻風扇的旋轉效應對湍流的影響,本文采用重整化群k-ε模型.

湍流動能k方程:

(6)

(7)

式中:Gk為湍流動能k的產生項;ε為湍流動能耗散率;ui為x，y，z3個坐標上的速度分量值；xi為對應的x，y，z3個坐標軸的求導，i=1，2，3.

湍動能耗散方程:

(8)

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;Cμ,C1ε和C2ε為經驗常數,分別取0.084 6,1.43和1.68.

長頭卡車發動機艙熱環境包括對流換熱、熱傳導和熱輻射3種形式,熱源主要是發動機和排氣系統.

熱傳導方程:

(9)

熱對流方程:

(10)

式中:Q為對流換熱熱量;A為與流體接觸壁面面積;tw為固體表面溫度;tf為環境溫度.

熱輻射方程:

(11)

式中:M為熱輻射力;θ為輻射系數;δ為輻射率.

2.2 數值建模分析

本文采用三維建模軟件CATIA完成卡車機艙和底盤前部的三維模型.由于卡車機艙和底盤內機構復雜、零件眾多,完整實車建模費時費力,不符合解決實際問題的宗旨.因此,本文在建模過程中和工程分析時,在保證模型精度的前提下,對模型進行了簡化處理[6],保留發動機、渦輪增壓器、排氣管、后處理器、油箱、踏板、擋泥板等主要零部件,如圖2所示.

圖2 整車機艙簡化模型(俯視)Fig.2 Simplified model of vehicle engine room(vertical view)

2.3 邊界條件與網格劃分

本文流場分析采用重整化群k-ε模型,并定義邊界條件:① 車輛正方向端面為入口邊界,外流場入口速度20 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0 Pa;③ 環境溫度20.2 ℃,發動機及其附件設為發熱源,按扭矩點工況賦予體積熱源,水箱、中冷器和冷凝器3個部件采用多孔介質模型,排氣管表面各段溫度根據測試經驗值輸入;④ 風扇參數為1 400 r/min.發動機艙各表面為固定邊界[7],各物件的邊界設置如表2所示.

表2 各物件邊界參數Tab.2 Object boundary parameters

整個流體三維計算區域長為70 m,寬為20 m,高為30 m,如圖3所示.數模導入CFD軟件,采用多面體網格樣式對數模進行劃分,總網格數量約為2 407萬個;劃分網格時在排氣管附近進行局部加密,最小尺寸為4 mm,以提高收斂性和加快運算速度.

圖3 模型三維計算區域Fig.3 3D calculation zone of model

2.4 仿真分析

結合前面測試工況,通過仿真模擬卡車重載情況下的惡劣行駛工況,環境溫度20 ℃.在車門下飾板內側、示廓燈內側、后處理器上部、后處理器側上部設置4個監測點,到達3 500步之后溫度振幅不超過最大振幅1%,結果收斂.后處理器溫度場仿真對比如圖4所示.圖4中顯示,溫度分布不均勻,由于排氣管和后處理器的表面輻射散熱,其周圍溫度呈現出階梯狀分布狀態,高溫區域為車門下飾板下側與腳踏板上側交接區域,下飾板內側溫度達到87.1 ℃,示廓燈內側溫度82.8 ℃.實測結果和仿真結果如表3所示.從表3中可見模擬過程中,仿真值與實測值相比誤差在4%以內,模擬仿真精準度足以用于工程分析.

圖4 后處理器溫度場仿真對比Fig.4 Simulation and comparison of temperature field of post-processor

表3 實測值與仿真值對比Tab.3 Comparison between measured andsimulated values

截取艙內Z=0.7 m俯視截面矢量圖如圖5(a)所示,機艙Y=0橫截面速度矢量圖如圖5(b)所示.從圖5(a)和圖5(b)中可知,因長頭卡車的布置與眾不同,整個發動機艙內部結構緊湊,密閉性較好,車架與擋泥板的阻擋,使得氣流從外界很難進入機艙內部,冷空氣很難冷卻后處理器前端面,形成了流動死區,引起熱聚集.

綜上所述,由于排氣管和后處理器作為高溫輻射熱源產生高溫熱量,又因擋泥板阻擋使得后處理器前部形成了流動死區,封閉區域流場環境差,容易造成聚熱現象,使局部區域溫度偏高;同時后處理器端面、踏板和示廓燈距離較近,亦受強輻射與渦流影響,導致熱空氣直接流向其表面,造成下飾板過熱.

圖5 截面速度矢量圖Fig.5 Cross section velocity vector diagram

3 優化方案與效果

針對量產車型出現的售后問題,一般考慮盡可能采用改動最小、成本最低、可實施性最便利的方案解決出現的問題.而根據前面分析結果,考慮到排氣管、后處理器和車門下飾板、腳踏板以及示廓燈空間位置相對固定,基于流體力學和傳熱學相關理論,可從正向加強導流、改善區域流動情況和反向阻隔熱源的隔熱等方式進行分析,并找出最優的解決方案.

3.1 增加導流板

為了改善處理器前端流動死區的流動狀況,在車架處安裝導流板,將機艙內的風導向流動死區,從而利用加強流場擾動帶走熱量達到降低溫度的效果,如圖6(a)所示.為了驗證效果,對增加導流板后的模型進行機艙流場仿真分析,結果如圖6(b)所示.

圖6 導流板效果圖Fig.6 Effect diagram of guide plate

從圖6(b)仿真結果可見:由發動機艙進入駕駛艙下的空氣較少,直接吹向后倉板方向,導流板作用不大;而車輪旋轉,冷空氣受到擋泥板阻礙,吹向外側和車架方向,無冷風經過后處理器前端面;同時該車型發動機罩流線順暢,外部冷空氣直接吹向后方,腳踏板位置為流動死區,無冷空氣進入.因此,增加導流板效果并不理想.

3.2 增加排熱風扇

鑒于前面被動導風改善流場效果不理想,提出增加排熱風扇,利用風扇主動改善、加強流場散熱狀況,提高熱交換率的解決方案.排熱風扇安裝位置如圖7(a)所示,安裝風扇后的溫度云圖如圖7(b)所示.

排熱風扇可以將冷空氣吹向車門下飾板,加強了排氣彎管與后處理器的對流換熱,車門下飾板表面溫度降低12.4 ℃.排熱風扇的存在可降低區域局部高溫,但僅能針對小部分區域,同時熱量會隨著風向向后傳遞,影響油箱系統,而且風扇安裝困難,不便維護,不利于通用化.

圖7 安裝排熱風扇效果圖Fig.7 Effect chart of installing the exhaust fan

3.3 隔熱板

前面兩種方案從正方向改善流場,以尋求達到降低溫度解決實際問題的目的,然而效果不佳.下面通過反方向的阻隔方式,對排氣系統周圍零部件進行防護.增加后處理器側面隔熱板并對其進行數值模擬仿真,得到后處理器隔熱表面溫度云圖如圖8(a)所示,車身外部溫度云圖如圖8(b)所示,機艙內部溫度云圖如圖8(c)所示.

圖8 隔熱板仿真結果Fig.8 Simulation results of heat insulation panel

從圖8(a)可見，安裝隔熱板時,未能完全遮擋,依然存在局部高溫,隔熱板還會產生二次熱輻射;圖8(b)方框處包括車門下飾板、側護裙、燈飾線束等部位,依然高于80 ℃限值;而圖8(c)冷空氣吹向地面,后處理器前端面持續高溫.因此,隔熱板雖然能起到一定的隔熱效果,但防護效果依然不夠理想.

3.4 半包圍隔熱墊

對隔熱板進行優化改進成半包圍的隔熱墊形式,增大了隔熱材料的熱阻及覆蓋范圍,進行數值模擬仿真分析,同樣得到后處理器隔熱表面溫度云圖如圖9(a)所示,車身外部溫度云圖如圖9(b)所示,機艙內部溫度云如圖9(c)所示.

圖9 半包圍隔熱墊仿真結果Fig.9 Simulation results of semi-enclosed heatinsulation panel

由圖9(a)可見,隔熱墊外表面溫度顯著降低,避免了隔熱后產生二次熱輻射影響;而圖9(b)車門下飾板、側護裙、燈飾線束等部位表面平均溫度均降至60 ℃以下;同時從圖9(c)半包圍隔熱墊有效將熱量進行隔離,消除了車門腳踏板附近的高溫區域,對油箱也起到一定保護作用.

綜合上述方案仿真分析可知,半包圍隔熱墊的隔熱性能效果達到預期,將所有高溫區域均降至80 ℃以下,達到設計要求.

4 實驗驗證

為了驗證半包圍隔熱墊仿真效果,本文對其進行實驗驗證.隔熱墊采用駕駛室玻璃纖維鋁箔板,厚度為10 mm,熱傳導率小于0.03 W·m-1·K-1.按照圖10(a)所示進行安裝,隔熱墊實物如圖10(b)所示.

圖10 半包圍隔熱墊安裝圖Fig.10 Installation diagram of heat insulation semi- enclosed panel

完成安裝后,進行樣車爬坡測試,樣車依然采用均布滿載,行程條件、測試儀器、測點位置與前面測試相同,如圖11所示,測試結果如表4所示.由表可見，下飾板溫度由85.6 ℃降到了54.1 ℃,示廓燈內側溫度由84.3 ℃降到了57.5 ℃.通過實驗驗證,半包圍隔熱墊有很好的隔熱效果,阻擋了部分熱氣流,且減少了后處理器對車門下飾板和腳踏板以及示廓燈的熱輻射,解決了排氣系統熱防護問題.

圖11 實測測點布置Fig.11 Arrangement of measuring points

發動機轉數測點1測點2測點3測點4環境溫度1 400 r/min248.3 ℃138.2 ℃54.1 ℃57.5 ℃23.0 ℃

5 結論

本文針對售后反饋的某長頭卡車零部件過熱問題,進行實車驗證復現.通過建模仿真分析得出排氣管后處理器的表面輻射和周圍高溫熱流傳導是造成過熱問題的主要原因.基于傳熱學理論和輻射原理,提出多個改進方案和優化措施,并通過仿真分析驗證改進效果;最后確定對后處理器加裝半包圍隔熱墊的優化方案,并通過實車測試驗證了該方案的合理性與有效性,仿真與實測結果基本一致.該方案的實施使得車門下飾板和示廓燈內側面溫度分別降低了31.5 ℃和26.8 ℃,溫度均下降至60.0 ℃以下,達到了設計目標.本文運用數值模擬的手段,通過對卡車排氣系統進行輻射熱流耦合分析,對解決產品熱防護問題有很強的指導意義,該方法具有普適性,提高了實際工程問題解決能力.