冷卻模塊獨立風道對發動機艙熱管理的影響

羅雪香

（廈門金龍聯合汽車工業有限公司，福建 廈門 361023）

0 引言

近幾年，隨著國內汽車出口量的增加，覆蓋區域擴大，汽車所適應的環境越來越復雜苛刻，對發動機艙的熱管理性能要求也隨之提高，因此急需研究如何優化發動機艙散熱性能。目前發動機艙熱管理主要研究方向：一是考慮發動機及冷卻系統部件，在冷卻液這個維度上確保發動機在安全溫度下工作；另一方面通過合理布置發動機艙內各種元件，確保發動機艙內的流場和溫度場合理[1-2]，保證在不同工況下發動機艙內部各個零部件都在其最佳工作溫度范圍內[3]。

本文是基于某型客車發動機艙艙溫過熱導致零部件損毀的背景，提出一種改善發動機艙艙溫方案。即在換熱器與發動機之間安裝一個開口向下的導流罩，形成獨立的風道，隔絕熱風吹向發動機艙，并將熱風直接導出車外。通過CFD數值仿真計算探討風道形狀參數對冷卻系統進風量的影響，從而指導獨立風道的設計參數，以達到最佳散熱效果[4]。

1 仿真模型的建立

1.1 獨立風道CAD模型

冷卻模塊獨立風道幾何模型如圖1所示。在冷卻系統末端與發動機之間安裝一個開口朝下的風道。考慮到冷卻系統后端增加風道會影響進風量，為了最大限度減小風道對進氣的阻礙作用，因此有必要對風道結構參數進行研究。風道結構參數主要考慮深度和傾角，為使熱風更通暢流出，風道上表面設定一定的斜向下傾角Θ。深度d由100mm按Δd=50等差增加到350mm；傾角Θ由0度按等差值ΔΘ=10°增加至70°，見圖2。

圖1 風道安裝示意圖

圖2 風道結構

1.2 數學模型

所有流體流動都必須遵守物理守恒定律：質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律[5]。

質量守恒

ρ密度，vx，vy，vz速度在x，y，z方向上分量，質量守恒方程也稱連續性方程。

動量守恒方程[3]

能量守恒方程

cp：比熱容，K傳熱系數，ST黏性耗散項

對于速度小于0.3Ma的流動空氣一般可以看作是不可壓縮氣體[6]。汽車的行駛速度遠小于0.3Ma=360km/h。因此，本文采用不可壓縮、分離流進行穩態計算，湍流模型采用SST k-ω模型。

1.3 網格劃分

對模型進行幾何處理，去除一些不重要的零部件及特征，形成封閉的空間。根據整車形狀尺寸按比例建立一個長方體的計算域，車前為3倍車長、車后為4倍車長，寬度為7倍車長，高度為5倍車長。采用STARCCM+的切面體網格模型（Trimer）生成體網格，邊界層厚度設為16，增長比為1.2，共43381862個網格，50098431個節點，見圖3。

圖3 發動機艙網格

1.4 邊界條件

仿真計算工況為最大功率工況，車速為100km/h，相關的邊界條件如表1所示：

?

2 仿真分析結果

2.1 風道參數對進風量的影響

風道結構參數的變化對發動機艙側格柵、中冷器、散熱器的進風量變化如圖4 所示。隨著風道深度d增加，左進氣格柵、中冷器和散熱器的進風量均逐漸增大，當d=350mm時，各進風量與無導風罩基本相當。因此風道深度應取350mm，能保證進風量。

圖4 風道參數對進風量的影響

基于深度d=350mm風道，隨著風道上部傾角Θ的變化，發動機艙側格柵、中冷器、散熱器的進風量變化如圖5所示。當風道傾角在10°～30°范圍內各項進風量比較大，其中以20°最優。結合發動機艙內的安裝空間，最終選擇深度為350mm，傾角為10°的導風罩。

2.2 風道對發動機艙流場的影響

風道對發動機艙內流場的見圖5所示，風道隔斷了換熱器流出的熱風直接吹向發動機，而是從底部排出。風道的深度和風道上方的傾角對流場有一定的影響，隨著導流罩深度的增大，對進氣的阻擋用作越小，氣流越順暢；當上表面傾角較小時可減弱矩形導流罩產生的渦流，使氣流更加順暢，當傾角增大到一定角度后，斜邊會阻擋中冷器，減小中冷器的進風量。

圖5 x=8.7截面溫度分布

2.3 風道對發動機艙流場的影響

發動機艙橫截面x=8.7上的溫度分布顯示：增加獨立風道后發動機艙的艙溫明顯降低。發動機頂部溫度下降明顯，渦輪增壓器附近由150℃降到87.5℃，發動機右側高溫區由135℃降低到103℃。這主要是因為風道隔絕熱風流向發動機艙。

圖6 x=8.7截面溫度分布

由z=0截面溫度顯示：加了獨立風道后發動機左側以及末端的艙溫明顯降低。機艙的右側、左側后處理器、空濾器，渦輪增壓器附近，發動機末端溫度均明顯下降。

圖7 z=0截面上溫度分布

根據受熱件極限溫度保護要求，在發電機線束附近、艙溫報警器附近設置監測點監測溫度，見表2。溫度場計算結果表明：在換熱器末端增加導流罩形成獨立風道，阻止熱風吹向發動機，可有效降低艙內溫度。

表2 各監測點的溫度

3 試驗驗證

試驗在轉鼓實驗室中進行，車型選擇與仿真車型相似，但具體配置稍有區別。當天室內環境溫度為32℃，測試工況為發動機最大功率點，試驗方法參照GBT12542-2009《汽車熱平衡能力道路試驗方法》執行。

艙溫傳感器布置見圖12，溫度測試結果列于表3。

表3 轉鼓試驗溫度測試結果

圖8 艙溫測試點分布

表中數據顯示在額定功率工況下，除了空調電機外，其他測點的艙溫均有所下降，說明獨立風道起到降低艙溫效果。試驗測試結果與仿真結果兩者整體趨勢一致，由于試驗測試的車型與仿真計算用的車型配置上不一樣，且試驗布點位置與仿真監測點無法完全吻合，因此仿真與試驗具體數值上存在10%左右誤差，在可接受范圍內。

4 結語

冷卻模塊獨立風道對冷卻系統的進風量有影響。隨著導風罩深度的增加，進風量增大；導風罩上表面傾斜角度由小變大，進風量呈拋物線變化，在10°～30°之進風量最大。結合發動機艙安裝空間，最終導風罩深度d取350mm，上表面傾角取10°。

冷卻模塊獨立風道可有效降低發動機艙內溫度。開口向下的導風罩將熱風隔絕，直接引出車外，從而降低艙溫，避免熱風二次加熱機艙內零部件。