張馥荔,李義林
Zhang Fuli,Li Yilin
(長安汽車工程研究總院,重慶 401120)
前端封裝對發(fā)動機艙熱環(huán)境可靠性研究
張馥荔,李義林
Zhang Fuli,Li Yilin
(長安汽車工程研究總院,重慶 401120)
文中利用 STAR-CCM+軟件,對比分析了高溫熱害工況和極寒工況下添加前端封裝對發(fā)動機艙可靠性影響,通過相應試驗進行驗證。結果表明添加前端封裝在高溫熱害工況下使得發(fā)動機艙零部件溫度普遍升高,但均未超出溫度限值。在極寒工況下對發(fā)動機艙溫升能力及保溫性能都有改善。
前端封裝;發(fā)動機艙熱環(huán)境可靠性;熱害工況;極寒工況
目前市面上部分汽車發(fā)動機艙冷卻模塊安裝了前端封裝,其主要目的有 3個:一是提升怠速空調效果,減少機艙空氣熱回流,降低怠速工況冷凝器進風溫度,提高冷凝器散熱能力,提升空調效果[1];二是降低整車風阻,通過減少發(fā)動機艙進氣量,從而達到降低整車風阻的目的;三是提升散熱器散熱量,通過提升格柵進氣利用率,從而提升散熱器的換熱量[2]。
添加前端封裝后,會對發(fā)動機艙熱環(huán)境可靠性產生一定溫度影響,體現(xiàn)在高溫熱害工況和極寒工況。在高溫熱害工況主要考察發(fā)動機艙各個有溫度限值的零部件是否超出溫度限值。在極寒工況主要考察發(fā)動機表面及缸蓋內部溫度分布,發(fā)動機升溫、保溫性能,避免油水蒸汽在缸蓋處凝結而形成白色泡沫及機艙管路發(fā)生冰堵風險。
根據(jù)某發(fā)動機添加前端封裝的實際問題,利用STAR-CCM+軟件,分析高溫熱害工況和極寒工況下發(fā)動機艙溫度分布影響情況,并通過相應試驗進行驗證,使發(fā)動機艙熱環(huán)境可靠性滿足相應要求。
圖1 未添加前端封裝
圖2 添加前端封裝
1.1 幾何模型
某車型前端冷卻模塊如圖1所示,圖2為在冷卻模塊前端添加了“前端封裝”。前端封裝的添加,會使機艙溫度產生一定的影響。重點對高溫熱害工況和極寒工況下發(fā)動機艙的可靠性進行分析,高溫熱害工況不能超過零部件的溫度限值,極寒工況不得使機艙的升溫保溫能力變差。
1.2 計算區(qū)域及網(wǎng)格模型
利用STAR-CCM+軟件前處理功能,可以快速生成求解所需要的體網(wǎng)格。按發(fā)動機艙熱管理仿真分析規(guī)范進行建模及網(wǎng)格劃分,發(fā)動機艙各個零部件基本保留,在計算敏感區(qū)域,如冷卻模塊、發(fā)動機艙和整車等進行加密,達到提高計算精度的目的,CFD的計算精度在很大程度上依賴于所生成網(wǎng)格的質量[3]。冷凝器和散熱器芯體采用結構化網(wǎng)格,如圖3所示,網(wǎng)格總數(shù)為15萬,風扇區(qū)域體網(wǎng)格模型選擇多面體網(wǎng)格(Polyhedral),體網(wǎng)格數(shù)量為90萬,圖4為整車網(wǎng)格模型,最終生成的體網(wǎng)格總數(shù)為758萬。
圖3 冷卻模塊前端網(wǎng)格模型
圖4 整車熱管理網(wǎng)格模型
1.3 計算條件設置
由于發(fā)動機艙空氣密度變化不大,可近似為常數(shù),模型選用不可壓縮定常流,湍流模型選用k-ε模型,并在壁面附近的粘性層中采用壁面函數(shù)法,空間離散采用二階迎風差分格式[4]。
模型采用速度入口邊界條件,其中 x、y、z方向速度均為零,出口為壓力出口邊界條件,相對壓力為零。冷卻模塊設置為多孔介質,采用Darcy定律設定相應的阻力特性,冷卻模塊內部結構化網(wǎng)格與主流區(qū)外部多面體網(wǎng)格用 interface連接。風扇選用MRF模型,風扇內部多面體旋轉區(qū)域與主流區(qū)外部多面體網(wǎng)格用 interface連接,其余邊界均采用不可滑移壁面(Wall)。
2.1 高溫熱害工況分析結果對比
如圖5和圖6所示,添加前端封裝后,機艙上部缸蓋罩、左側空濾器附近以及右側懸置附近零部件溫度普遍升高,而下部油底殼和后懸置附近零部件溫度有所下降。添加前端封裝后油底殼附近氣流速度增大,如圖7和圖8所示,這也是油底殼附近溫度降低的原因。
圖5 原狀態(tài)機艙溫度分布云圖
圖6 添加前端封裝機艙溫度分布云圖
圖7 原狀態(tài)機艙氣流速度分布云圖
圖8 添加前端封裝機艙氣流速度分布云圖
機艙零部件溫度變化情況如圖9所示,可以看出,機艙大部分零部件溫度普遍升高,升高幅度最大的是啟動電機表面,上升了3.7 ℃,但并未超過溫度限值。油底殼及后懸置溫度下降,降幅最大的是后懸置,下降了9.8 ℃。
點火線圈表面最高溫度從 99.5 ℃上升到99.9 ℃,上升了0.4 ℃。如圖10和圖11所示。
圖9 機艙零部件溫度變化
圖10 原狀態(tài)點火線圈溫度分布云圖
圖11 添加前端封裝點火線圈溫度分布云圖
右懸置表面最高溫度從94.7 ℃上升到97.1 ℃,上升了 2.4 ℃。如圖12和圖13所示。
圖12 原狀態(tài)右懸置溫度分布云圖
圖13 添加前端封裝右懸置溫度分布云圖
前氧傳感器接插件表面最高溫度從 106.4 ℃上升到107.0 ℃,上升了0.6 ℃。如圖14和圖15所示。
圖14 原狀態(tài)前氧傳感器接插件溫度分布云圖
圖15 添加前端封裝前氧傳感器接插件溫度分布云圖
壓縮機端蓋表面空氣最高溫度從94.3 ℃上升到95.4 ℃,上升了1.1 ℃。如圖16和圖17所示。
圖16 原狀態(tài)壓縮機端蓋溫度分布云圖
圖17 添加前端封裝壓縮機端蓋溫度分布云圖
油底殼表面最高溫度從 140.5℃下降到136.3 ℃,下降了4.2 ℃。如圖18和圖19所示。
圖18 原狀態(tài)油底殼溫度分布云圖
圖19 添加前端封裝油底殼溫度分布云圖
2.2 極寒工況分析結果對比
添加前端封裝后發(fā)動機缸蓋表面溫度普遍升高,如圖20和圖21所示。
圖20 原狀態(tài)發(fā)動機缸蓋表面溫度分布云圖
圖21 添加前端封裝發(fā)動機缸蓋表面溫度分布云圖
表1 發(fā)動機平均溫升和總進氣量變化情況
添加前端封裝后發(fā)動機平均溫度上升0.98 ℃,發(fā)動機的總進氣量減少29%,見表1。可見添加前端封裝有利于發(fā)動機的升溫保溫性能。
將發(fā)動機從上到下等分成18份,考察發(fā)動機z向溫升。如圖22所示。
圖22 發(fā)動機z向等分
從圖23計算結果可以看出,添加前端封裝后缸蓋罩、缸蓋處溫度比原狀態(tài)上升,且發(fā)動機 z向溫差比原狀態(tài)縮小,可見,添加前端封裝有利于發(fā)動機的升溫保溫性能。
圖23 添加前端封裝后發(fā)動機z向溫升對比
3.1 高溫熱害工況試驗結果對比
在環(huán)境艙做高溫熱害工況對比試驗,溫度40 ℃,相對濕度50%,日照1 000 W/m2。
添加前端封裝前、后機艙零部件試驗結果對比如圖24所示。從試驗結果可以看出,機艙零部件溫度普遍上升,升高幅度最大的是電子節(jié)溫器線束,上升了4.3 ℃,并未超過溫度限值。油底殼及后懸置溫度下降,降幅最大的是后懸置,下降了7.1 ℃。環(huán)境艙試驗結果和CAE計算結果較吻合。
圖24 機艙零部件熱害試驗結果對比
3.2 極寒工況試驗結果對比
在環(huán)境艙做極寒試驗,溫度-30 ℃。缸蓋罩布點如圖25~29所示。
圖25 缸蓋布點示意圖1
圖26 缸蓋布點示意圖2
圖27 缸蓋布點示意圖3
圖28 缸蓋布點示意圖4
圖29 缸蓋布點示意圖5
添加前端封裝前、后機艙布點位置最高溫度上升值如圖30所示。
圖30 機艙布點位置最高溫度上升值
由圖30試驗結果可以看出,添加前端封裝后缸蓋內部最高溫度普遍比之前高1.7~39.4 ℃。缸蓋周圍、缸體、油底殼空氣及機油溫度普遍比之前高2.3~41.2 ℃。
圖31 機艙布點位置降溫時間加長值
添加前端封裝前、后機艙布點位置降溫時間加長值如圖31所示。
由圖31試驗結果可以看出,添加前端封裝后缸蓋內部7個點從最高溫度降到0 ℃的時間比原狀態(tài)加長2.20~13.92 min。水溫從最高溫度降到0 ℃的時間比原狀態(tài)加長22.52 min。油溫從最高溫度降到20 ℃的時間比原狀態(tài)加長1.13 min。
出于提升怠速空調制冷效果、降低整車風阻和提高散熱器散熱量的需求,文中根據(jù)某發(fā)動機添加前端封裝的實際問題,利用 STAR-CCM+軟件,分析了高溫熱害工況和極寒工況下發(fā)動機艙溫度分布影響情況,并通過相應試驗進行驗證,得出添加前端封裝在高溫熱害工況下使得機艙零部件溫度普遍升高,但均未超出溫度限值。在極寒工況下對發(fā)動機艙升溫能力及保溫性能都有改善,使發(fā)動機艙熱環(huán)境可靠性滿足相應要求。
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U463.83
A
10.14175/j.issn.1002-4581.2016.05.007
1002-4581(2016)05-0022-06
2016-04-15