汽車進氣系統優化分析與環模試驗驗證

梁婷　郭瑞庭　王磊　唐海國

摘 要：CFD分析與試驗驗證相結合已經被各汽車行業普遍應用于汽車設計與開發研究中，在本文中主要論述了某車企工程師在研究某渦輪增壓汽車進氣系統時利用CFD軟件分析其前端進氣流場和溫度，然后根據優化方案改制零件并裝車進行整車熱管理試驗驗證方案有效性。

關鍵詞：汽車進氣系統 CFD分析 環模試驗驗證

1 引言

汽車進氣系統主要作用是為發動機提供高壓力、大密度的新鮮空氣，從而提高發動機功率及轉矩，降低油耗比。單渦輪增壓汽車進氣系統主要有空氣濾清器、中冷器、諧振室、節氣門、進氣管、壓氣機、渦輪機、催化轉換器、排氣管等[1]。進氣溫度過高會導致發動機發生爆震，縮短使用壽命，對汽車正常使用極為不利，嚴重時甚至會導致車輛自燃。針對這一問題，本文簡述了某渦輪增壓新車型在開發前期，利用CFD手段分析該車型進氣系統的進氣溫度和流場并加以優化改善，再利用整車熱管理環模試驗測試驗證了優化方案有效性。

2 原方案CFD模型建立與結果分析

該渦輪增壓汽車的中冷器采用的是前下橫置布置方式，便于維修，利用整車前蒙皮格柵進風進行冷卻散熱，冷卻性能與進風量有關[2]。根據該車的前臉造型和進氣系統部件（見圖1），以及發動機艙內其他影響空氣流動的主要部件冷卻模塊、發動機、變速器等數模抽面建立CFD模型，并對整個模型進行包面處理，形成封閉的區域，置于一個長方體計算域中，計算域的長、寬、高為：7.5倍車長，5倍車寬，5倍車高[3]。劃分計算網格，并生成網格文件。

本文主要研究的是在低速工況和車速50km/h，7.2%坡度爬坡工況（環境溫度38℃）下，該渦輪增壓汽車進氣系統溫度和流場分析，輸入溫度邊界條件，輸入中冷器、冷凝器、散熱器性能曲線，其中風扇為實體模型，散熱器使用熱交換模型，利用求解器算法進行求解計算[4]。

由分析結果可知：原方案發動機艙內有較多熱回流，且在低速情況下空濾進氣口吸取大量機艙熱氣流（見圖2），導致空濾進氣溫度高，達到80℃以上。

3 改進后優化方案與結果分析

制定優化方案如下：（1）前格柵增開格柵孔，空濾進氣口延長至正對格柵開口位置，且延長部分增加導風格柵并用海綿將四周密封;（2）散熱器和中冷器四周增加導風板（見圖3）。替換原方案模型進行仿真分析。

優化方案低速工況前格柵進風量無明顯變化，但在50km/h工況下進風量有較大提升。低速工況空濾進氣口吸取機艙熱氣流明顯減少（見圖4），在前端進風冷卻下，空濾進氣溫度降低了50℃之下，冷卻性能明顯增強。

4 整車熱管理環模試驗驗證

環境風洞試驗室由于不受地域、季節和時間的限制，測試環境和條件較為穩定，一般的整車熱管理試驗都是在環境風洞試驗室內進行測試。根據CFD的優化方案，將改制零件裝車在環境風洞試驗室進行整車熱管理測試，設置溫度測點位于空濾進口，測試結果見下表1。

從數據對比可以驗證CFD仿真方案的可行性，進一步說明該方案對于提高該渦輪增壓汽車進氣系統的進風量，改善中冷器的散熱性能還是有顯著效果的。

5 結語

（1）增加前格柵開口的有效面積，確保前端模塊零件之間良好的密封性，能有效提高前格柵進風量，改善風冷式散熱零件的性能。（2）通過CFD分析與試驗驗證相結合，不僅減少整車研發周期還節約了零件開發成本，目前被各車企廣泛應用于汽車設計與開發研究中。

參考文獻：

[1]肖生發，趙樹朋.汽車構造[M].北京：中國林業出版社;北京大學出版社，2006.8.

[2]余迅，南海秋.淺談汽車增壓發動機中冷器[J]車輛與動力工程2017年7月上.

[3]劉芳，朱貞英，門永新，趙福全.發動機艙流場仿真分析[J]第七屆中國CAE工程分析技術年會論文2011.