齊凱，鄭鑫，孔繁華，李飛（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

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發(fā)動機(jī)艙熱管理性能改進(jìn)與成本最低化研究

齊凱，鄭鑫，孔繁華，李飛
（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

摘要：隨著汽車業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車性能品質(zhì)越發(fā)提升，銷售價格卻連連降低。發(fā)動機(jī)艙熱管理的改進(jìn)研究不再停留對發(fā)動機(jī)艙熱管理性能的改進(jìn)提升，更加關(guān)注對研發(fā)成本的影響。高性能、低成本已經(jīng)成為汽車業(yè)新時代發(fā)展的代名詞。文章主要對發(fā)動機(jī)艙熱管理的改進(jìn)過程中，考慮優(yōu)化成本因素，達(dá)到了既提升性能，又降低成本的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)艙；熱管理；高性能；低成本

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033

CLC NO.: U472.6Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-151-03

前言

隨著人們生活水平不斷提高，對發(fā)動機(jī)艙性能需求也越來越高，這將導(dǎo)致艙內(nèi)零部件總數(shù)量不斷增加，艙內(nèi)空間變得越來越緊湊。在今日競爭激烈的汽車市場中，如何改進(jìn)發(fā)動機(jī)艙熱管理，提升發(fā)動機(jī)艙散熱性能，同時又使成本最低化，逐步成為汽車廠提高整車性能的焦點(diǎn)。本文采用CFD模擬和熱負(fù)荷試驗(yàn)相結(jié)合的方法，從理論分析到科學(xué)實(shí)踐與工程實(shí)際，徹底地解決發(fā)動機(jī)艙熱管理方面出現(xiàn)的問題?？紤]到優(yōu)化成本問題，合理的處理了性能與成本問題，提高了整車開發(fā)的優(yōu)越性。

1、性能分析及優(yōu)化

1.1流動與傳熱的基本方程組

動機(jī)艙熱管理的仿真分析屬于流動與傳熱范疇，通過計(jì)算流體力學(xué)的手段更好的解析發(fā)動機(jī)艙熱管理問題，更加高效的針對熱管理問題進(jìn)行改進(jìn)研究。

1.1.1質(zhì)量守恒方程

質(zhì)量守恒定律：單位時間內(nèi)，流入微元體的凈質(zhì)量，與在同一時間間隔下，該微元體中流體質(zhì)量的增量是相等的。由此可以得到質(zhì)量守恒定律方程：

1.1.2動量守恒方程

動量守恒定律是任何流體系統(tǒng)都必須滿足的，其定義為流體所受外界作用合力，等于流體微元的動量對時間的變化率。通過動量守恒定律，可以拆分出x、y和z三方向的分向動量守恒方程：

式中：p為微元體受的壓力。

1.1.3能量守恒方程

在能量守恒方程中，變量為溫度值的控制方程為：

式中：k為流體傳熱系數(shù)；T為流體溫度；Cp為比熱容；ST為剩余能量，即內(nèi)部熱源，與由于存在流體粘性作用，流體機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分能量的統(tǒng)稱。

1.2性能分析

1.2.1模型建立

整車發(fā)動機(jī)艙熱管理的模型與外流場分析模型一致。一般計(jì)算域設(shè)置為車前三倍車長，五倍車高，車后七倍車長，提高計(jì)算一致性，基本消除了阻塞效應(yīng)的影響。整車模型，如圖1所示。計(jì)算域模型，如圖2所示。

圖1　整車模型圖

1.2.2仿真分析

本次仿真計(jì)算基于零部件供應(yīng)商提供的冷卻系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過計(jì)算高速、爬坡工況對發(fā)動機(jī)艙熱管理分析，找到問題原因，探索解決方案及成本優(yōu)化。仿真工況的相關(guān)內(nèi)容如下：

工況一：風(fēng)扇關(guān)閉，車速為最高車速，高速工況；

工況二：爬坡工況，風(fēng)扇轉(zhuǎn)數(shù)為2450rpm，車速為33.4km/h。

如表1所示，仿真系統(tǒng)計(jì)算出各個系統(tǒng)的進(jìn)入量：

表1　散熱系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量統(tǒng)計(jì)表　單位：kg/s

通過散熱系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量統(tǒng)計(jì)表分析可知，高速工況下散熱系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量都沒有滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)值要求；爬坡工況下的散熱器和中冷器進(jìn)風(fēng)量均無法滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)值。這表明汽車在高速、爬坡工況下，發(fā)動機(jī)存在冷卻液沸騰的風(fēng)險。

1.3仿真優(yōu)化

根據(jù)仿真分析可以通過增加導(dǎo)風(fēng)板把從散熱器上方泄露的氣流攔截，進(jìn)而增加散熱器和冷凝器的進(jìn)風(fēng)量。同時，在中冷器上、下方增加導(dǎo)風(fēng)板，增加中冷器進(jìn)風(fēng)量。為了避免氣流從橫梁兩側(cè)泄露，可以在橫梁兩側(cè)增加導(dǎo)風(fēng)板，進(jìn)一步提高散熱器和冷凝器的進(jìn)風(fēng)量，具體的優(yōu)化方案見圖3所示。

在反饋給設(shè)計(jì)部門關(guān)于增加導(dǎo)風(fēng)板之前，先對增加導(dǎo)風(fēng)板的效果進(jìn)行仿真、評估。通過計(jì)算結(jié)果表明散熱系統(tǒng)中所有進(jìn)風(fēng)量都有所提升，且各零部件的進(jìn)風(fēng)量都滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。其中，冷凝器的進(jìn)風(fēng)量效果比較明顯，在一定程度上，可以提升空調(diào)性能，提高整車空調(diào)舒適性，表2為散熱系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量。

圖3　導(dǎo)風(fēng)板所在位置示意圖

表2　散熱系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量統(tǒng)計(jì)表

2、成本優(yōu)化

2.1成本優(yōu)化

圖3中描述了導(dǎo)風(fēng)板形狀數(shù)量和位置。將仿真優(yōu)化好的導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，反饋給設(shè)計(jì)部門，設(shè)計(jì)部門會根據(jù)導(dǎo)風(fēng)板數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)布置空間及結(jié)構(gòu)細(xì)化工作。仿真優(yōu)化的導(dǎo)風(fēng)板一共6塊，供應(yīng)商反饋需要500元成本費(fèi)用，由于項(xiàng)目成本的限制，需要重新優(yōu)化導(dǎo)風(fēng)板數(shù)量。

對所有擋風(fēng)板計(jì)算分析：散熱器導(dǎo)風(fēng)板被優(yōu)化，由于它的作用是增加進(jìn)風(fēng)量；橫梁導(dǎo)風(fēng)板可以考慮取消；中冷器導(dǎo)風(fēng)板可以被取消?？紤]仿真時間問題，僅對高速工況進(jìn)行導(dǎo)風(fēng)板組合優(yōu)化，高速工況達(dá)標(biāo)后，進(jìn)行爬坡驗(yàn)證；相比前期優(yōu)化，散熱器和冷凝器進(jìn)氣量有所增加，中冷器進(jìn)氣量有所下降，但仍滿足目標(biāo)值；最終取消中冷器上導(dǎo)風(fēng)板，節(jié)約成本100元，完成了成本控制的目標(biāo)，散熱系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量統(tǒng)計(jì)表如表3所示。

表3　散熱系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量統(tǒng)計(jì)表

2.2仿真驗(yàn)證

發(fā)動機(jī)艙內(nèi)空氣流動狀況與發(fā)動機(jī)艙散熱息息相關(guān)。一旦散熱系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量不滿足目標(biāo)，將會影響散熱系統(tǒng)的散熱效率，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)性能下降，甚至發(fā)動機(jī)冷卻液沸騰。

散熱器導(dǎo)風(fēng)板攔截了氣流，增加了冷卻模塊的進(jìn)氣量，通過增加中冷器下方的導(dǎo)風(fēng)板，使得中冷器下方泄露的氣流被攔截，從而增加中冷器的進(jìn)風(fēng)量。高速工況下，Y=-140mm對比流線，如圖4所示。

圖4　高速工況切面速度流線對比

爬坡工況下，散熱系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量主要是風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)提供的，通過云圖對比分析，導(dǎo)風(fēng)板對散熱系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量影響不明顯，如圖5所示。

圖5　爬坡工況切面速度流線對比

最終的導(dǎo)風(fēng)板方案為：散熱器、橫梁兩側(cè)、中冷器下側(cè)導(dǎo)風(fēng)板。將最終導(dǎo)風(fēng)板方案提交給設(shè)計(jì)部門，得到其認(rèn)可，完成前期發(fā)動機(jī)艙流場仿真優(yōu)化任務(wù)。

3、總結(jié)

通過仿真分析發(fā)現(xiàn)原車的散熱系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量不滿足散熱性能目標(biāo)，通過增加導(dǎo)風(fēng)板的方法，使得散熱系統(tǒng)進(jìn)氣量明顯提升并達(dá)到散熱目標(biāo)要求。由于導(dǎo)風(fēng)板存在成本控制，限制了其使用情況，故需在滿足性能要求的前提下，對其方案進(jìn)行降低成本。最后通過仿真分析及優(yōu)化方案的選取，確定導(dǎo)風(fēng)板最終優(yōu)化方案，達(dá)到了即滿足性能目標(biāo)，完成了成本控制目標(biāo)，而且通過流場分析，即驗(yàn)證了導(dǎo)風(fēng)板的作用，又找出了在后期做溫度場分析中需要關(guān)注的零部件，防止其出現(xiàn)溫度過高現(xiàn)象，避免熱害的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

[1]Wambsganss MW. Thermal Management in Heavy Vehicles: A Review Identifying Issues and Research Requirements[C]. Vehicle Thermal Management Systems 4 Conference. London,1999:651~ 664.

[2]蔣光福.發(fā)動機(jī)艙散熱特性研究.[華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文].武漢:華中科技大學(xué),2005.

[4]Couetouse H,Gentile D. Cooling System Control in Automotive Engines[C]. SAE Paper，No.920788， Detroit，MI,1992.

[5]Choi US,Yu W et al. Nanofluids for Vehicle Thermal Management [C]. SAE Paper 2001-01-1706,Nashville，Tennessee,2001.

[6]Alajbegovic A, Xu B, Konstantinov A, et al. Simulation of cooling Airflow under Different Driving Condintions[C]. SAE 2007-01-0766, Detroit, MI, 2007.

Research on Improving the Thermal Management of the Engine Room and minimize the cost of production

Qi Kai, Zheng Xin, Kong Fanhua, Li Fei
( Brilliance automotive engineering research institute, Liaoning Shenyang 110141 )

Abstract:With the rapid development of the automotive industry, vehicle performance quality improved so fast, the sales price repeatedly lower. Research on improving the thermal management of the engine room not only stays on enhancing the performance improvements, more concerned about the impact of R&D costs. High-performance, low-cost automobile industry has become synonymous with the development of a new era. During the process of improvement the thermal management of the engine room, optimizing cost factors, to enhance both the performance and cost reduction goals.

Keywords:Engine room; Thermal management; High performance; Low cost

中圖分類號：U472.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-7988（2016）05-151-03

作者簡介：齊凱，就職于華晨汽車工程研究院。