莫榮博,許恩永

(東風柳州汽車有限公司 商用車技術(shù)中心,廣西 柳州 545005)

隨著科技的發(fā)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(guī)的升級、排放檢測的重視,排氣系統(tǒng)后處理器應(yīng)用愈發(fā)廣泛.溫度是后處理器再生效率的重要參數(shù),在一定程度上溫度越高,催化效率越高,使得后處理系統(tǒng)成為排氣系統(tǒng)的重要熱源之一[1].如果行駛過程中排氣系統(tǒng)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(dǎo)致局部溫度偏高[2].此時熱管理不當將容易導(dǎo)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(shù)值模擬分析3種方法[4].理論分析通過研究流體運動規(guī)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(nèi)呈非線性流動計算復(fù)雜,因此,該方法應(yīng)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(jié)果,但耗時、費力,投入大、周期長;數(shù)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(dǎo)等進行計算機數(shù)值計算和圖像顯示分析的方法,為汽車流場溫度場分布規(guī)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(yīng)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(xiàn)卡車機艙和底盤的實體建模,通過CFD數(shù)值模擬手段完成卡車排氣系統(tǒng)的流場狀況和溫度場分布規(guī)律的分析;結(jié)合實車測試分析,找出產(chǎn)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(shù)值仿真，測試驗證方案的實際效果,解決排氣系統(tǒng)熱防護問題.

1 原因分析

根據(jù)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(fù)現(xiàn).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(cè)上部)、測試點3(門檻飾板內(nèi)側(cè)面)和測試點4(示廓燈內(nèi)側(cè)面)4個測試點,如圖1所示.測試過程采用INTEST汽車無線數(shù)據(jù)記錄儀進行數(shù)據(jù)測量,結(jié)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(jié)果Tab.1 Test results of experiment

2 建模分析

2.1 理論基礎(chǔ)

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

質(zhì)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(yīng)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(yīng)力在各個方向的分力;U為速度矢量;Fx,Fy,Fz質(zhì)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(shù);ST為空氣的內(nèi)熱源.

考慮到冷卻風扇的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)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(chǎn)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(yīng)的x，y，z3個坐標軸的求導(dǎo)，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(jīng)驗常數(shù),分別取0.084 6,1.43和1.68.

長頭卡車發(fā)動機艙熱環(huán)境包括對流換熱、熱傳導(dǎo)和熱輻射3種形式,熱源主要是發(fā)動機和排氣系統(tǒng).

熱傳導(dǎo)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(huán)境溫度.

熱輻射方程:

(11)

式中:M為熱輻射力;θ為輻射系數(shù);δ為輻射率.

2.2 數(shù)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(nèi)機構(gòu)復(fù)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(fā)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(wǎng)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(huán)境溫度20.2 ℃,發(fā)動機及其附件設(shè)為發(fā)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(zhì)模型,排氣管表面各段溫度根據(jù)測試經(jīng)驗值輸入;④ 風扇參數(shù)為1 400 r/min.發(fā)動機艙各表面為固定邊界[7],各物件的邊界設(shè)置如表2所示.

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

整個流體三維計算區(qū)域長為70 m,寬為20 m,高為30 m,如圖3所示.數(shù)模導(dǎo)入CFD軟件,采用多面體網(wǎng)格樣式對數(shù)模進行劃分,總網(wǎng)格數(shù)量約為2 407萬個;劃分網(wǎng)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(qū)域Fig.3 3D calculation zone of model

2.4 仿真分析

結(jié)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(huán)境溫度20 ℃.在車門下飾板內(nèi)側(cè)、示廓燈內(nèi)側(cè)、后處理器上部、后處理器側(cè)上部設(shè)置4個監(jiān)測點,到達3 500步之后溫度振幅不超過最大振幅1%,結(jié)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(xiàn)出階梯狀分布狀態(tài),高溫區(qū)域為車門下飾板下側(cè)與腳踏板上側(cè)交接區(qū)域,下飾板內(nèi)側(cè)溫度達到87.1 ℃,示廓燈內(nèi)側(cè)溫度82.8 ℃.實測結(jié)果和仿真結(jié)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(nèi),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(nèi)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(fā)動機艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)部,冷空氣很難冷卻后處理器前端面,形成了流動死區(qū),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(chǎn)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(qū),封閉區(qū)域流場環(huán)境差,容易造成聚熱現(xiàn)象,使局部區(qū)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(dǎo)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(yōu)化方案與效果

針對量產(chǎn)車型出現(xiàn)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(xiàn)的問題.而根據(jù)前面分析結(jié)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(guān)理論,可從正向加強導(dǎo)流、改善區(qū)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(yōu)的解決方案.

3.1 增加導(dǎo)流板

為了改善處理器前端流動死區(qū)的流動狀況,在車架處安裝導(dǎo)流板,將機艙內(nèi)的風導(dǎo)向流動死區(qū),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(dǎo)流板后的模型進行機艙流場仿真分析,結(jié)果如圖6(b)所示.

圖6 導(dǎo)流板效果圖Fig.6 Effect diagram of guide plate

從圖6(b)仿真結(jié)果可見:由發(fā)動機艙進入駕駛艙下的空氣較少,直接吹向后倉板方向,導(dǎo)流板作用不大;而車輪旋轉(zhuǎn),冷空氣受到擋泥板阻礙,吹向外側(cè)和車架方向,無冷風經(jīng)過后處理器前端面;同時該車型發(fā)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(qū),無冷空氣進入.因此,增加導(dǎo)流板效果并不理想.

3.2 增加排熱風扇

鑒于前面被動導(dǎo)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(qū)域局部高溫,但僅能針對小部分區(qū)域,同時熱量會隨著風向向后傳遞,影響油箱系統(tǒng),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(tǒng)周圍零部件進行防護.增加后處理器側(cè)面隔熱板并對其進行數(shù)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(nèi)部溫度云圖如圖8(c)所示.

圖8 隔熱板仿真結(jié)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(chǎn)生二次熱輻射;圖8(b)方框處包括車門下飾板、側(cè)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(xù)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(yōu)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(shù)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(nèi)部溫度云如圖9(c)所示.

圖9 半包圍隔熱墊仿真結(jié)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(chǎn)生二次熱輻射影響;而圖9(b)車門下飾板、側(cè)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(qū)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(yù)期,將所有高溫區(qū)域均降至80 ℃以下,達到設(shè)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(dǎo)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(jié)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(nèi)側(cè)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(tǒng)熱防護問題.

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

發(fā)動機轉(zhuǎn)數(shù)測點1測點2測點3測點4環(huán)境溫度1 400 r/min248.3 ℃138.2 ℃54.1 ℃57.5 ℃23.0 ℃

5 結(jié)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(fù)現(xiàn).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(dǎo)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(yōu)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(yōu)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(jié)果基本一致.該方案的實施使得車門下飾板和示廓燈內(nèi)側(cè)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(shè)計目標.本文運用數(shù)值模擬的手段,通過對卡車排氣系統(tǒng)進行輻射熱流耦合分析,對解決產(chǎn)品熱防護問題有很強的指導(dǎo)意義,該方法具有普適性,提高了實際工程問題解決能力.