汽車熱傷害設(shè)計預(yù)防及解決方法研究

田　磊，張葆華，常瑞征

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北　保定　071000）

Tian Lei，Zhang Baohua，Chang Ruizheng

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汽車熱傷害設(shè)計預(yù)防及解決方法研究

田磊，張葆華，常瑞征

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定071000）

Tian Lei，Zhang Baohua，Chang Ruizheng

摘要：熱傷害是引發(fā)汽車火災(zāi)的主要原因之一，其引起的失效類型和涉及部件多種多樣。發(fā)動機及排氣系統(tǒng)作為汽車主要高溫部件，其周邊受熱部件是整車熱傷害的防護重點。在設(shè)計過程中需要以熱流場分析為基礎(chǔ)，在保證冷卻系統(tǒng)匹配沒有問題的前提下，識別布置、材料、結(jié)構(gòu)和工藝等因素，有針對性地進行設(shè)計預(yù)防，避免熱傷害的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：汽車火災(zāi)；熱傷害；高溫部件；受熱部件；熱流場；設(shè)計預(yù)防

0　引　言

熱傷害是指由于環(huán)境高溫超過受熱部件正常工作耐受溫度，使該部件發(fā)生物理或化學(xué)變化，從而造成其不能正常運行甚至失效的后果。

隨著汽車保有量迅猛增長，汽車火災(zāi)事故發(fā)生頻率居高不下，給人們的生命財產(chǎn)安全帶來極大威脅與損害。在汽車火災(zāi)中，由于汽車高溫部件與周圍部件布置間隙過小以及防護不當?shù)仍蛟斐傻幕馂?zāi)屢見不鮮。因此，預(yù)防汽車火災(zāi)是汽車研發(fā)的重要領(lǐng)域，而熱傷害防護是汽車設(shè)計的重要課題之一。

發(fā)動機和排氣系統(tǒng)作為汽車主要高溫部件，其表面溫度為150～400℃，排氣尾管管口溫度甚至可以達到500℃以上，這樣的溫度會對周邊部件產(chǎn)生惡劣影響，嚴重時會導(dǎo)致周邊部件發(fā)生變形、燒蝕甚至燃燒等問題。故機艙及排氣系統(tǒng)周邊是整車熱傷害防護的重點部位。

1　汽車熱傷害主要關(guān)聯(lián)部件識別

發(fā)動機內(nèi)燃油燃燒后，做功之外的能量以熱的形式通過對流換熱、熱傳導(dǎo)和熱輻射傳遞到周邊受熱部件，主要關(guān)聯(lián)部件識別如圖1所示。

圖1　汽車熱傷害主要關(guān)聯(lián)部件識別

發(fā)動機和排氣系統(tǒng)由于部件表面溫度高、關(guān)聯(lián)部件數(shù)量多且類型繁雜，在設(shè)計時需要重點關(guān)注。

以排氣管為例，其外表面溫度在180～370℃之間，且由于車底復(fù)雜的布置環(huán)境，流場湍流嚴重。按圖2分布的觀測點進行溫度測量。

圖2　排氣管溫度測量點分布

考慮車輛實際使用情況，選取全速全負荷及滿載爬坡2種工況進行測試，如表1所示。

表1　排氣管溫度實測工況

溫度實測值如圖3所示。

圖3　某車型排氣系統(tǒng)溫度實測值

通過對實測值進行對比分析發(fā)現(xiàn)：

1）相比全速全負荷工況，爬坡工況提供的驅(qū)動能量更大，且由于車速更低，氣流帶走的熱量相對較少，導(dǎo)致滯留的熱量多，溫度甚至達到370℃，更易發(fā)生火災(zāi)；

2）因氣流帶走熱量，后部溫度普遍低于前部，消聲器將部分噪聲能量轉(zhuǎn)化成熱能，溫度升高；

3）因后懸架布置環(huán)境復(fù)雜，氣流經(jīng)過后產(chǎn)生嚴重湍流，導(dǎo)致被帶走的熱量減少，主消聲器溫度升高明顯，高達320℃，存在嚴重的熱傷害隱患。

如此高的溫度，給周邊受熱部件提供了極端惡劣的工作環(huán)境，會造成零部件變形、老化加速、燒蝕甚至燃燒，嚴重威脅人身及財產(chǎn)安全。

2　汽車熱傷害問題失效類型識別

熱傷害引起的失效類型多種多樣，其中相對隱蔽的失效有部件特性變化、老化等，較明顯的有變形、燒蝕及燃燒等。表2列出了常見的熱傷害類型及發(fā)生部件、失效模式示例和機理。

表2　汽車熱傷害問題失效類型

3　設(shè)計因素識別及先期預(yù)防

為了更好地預(yù)防熱傷害的發(fā)生，識別熱傷害發(fā)生過程中的設(shè)計因素是必不可少的。以熱流場為基礎(chǔ)，在保證冷卻系統(tǒng)匹配沒有問題的前提下，按照關(guān)聯(lián)程度由高到低，識別熱傷害發(fā)生的設(shè)計因素主要包括布置、材料、結(jié)構(gòu)、工藝等4類。

3.1布置

隨著發(fā)動機功率提高，排放要求也升高，發(fā)動機艙內(nèi)及底盤部件模塊化率日益增高，布置也越來越緊湊，這增加了熱傷害的預(yù)防難度。設(shè)計過程中，應(yīng)結(jié)合CFD分析，考慮位置分布及間隙，合理布局，避免產(chǎn)生漩渦或死區(qū)等造成熱量滯留，或者由于距離太近而產(chǎn)生高溫烘烤和灼燒。

1）高溫布置影響流場流速及方向。圖4為某車型在Y=0mm截面速度分布圖，空濾波紋管處布置管線會導(dǎo)致氣流流速變小，不利于及時散熱，容易造成熱量滯留，產(chǎn)生熱傷害風險，故應(yīng)該盡量減少在該位置布置管線。

圖4　怠速工況下車身截面Y=0mm速度分布

2）高溫氣流流經(jīng)位置處減少受熱部件布置。圖5為某車型在Z=70mm高度上速度分布圖，在此高度上，機艙左側(cè)氣流速度較高，由于氣流帶來熱量，怠速工況下會存在較多的高溫隱患，減少此處的受熱部件布置，可避免受熱部件發(fā)生熱傷害。

圖5　怠速工況下車身截面Z=70mm速度分布

3）受熱部件與高溫部件位置及間隙。受熱部件應(yīng)遠離熱源且含油液類部件不應(yīng)布置在熱源正上方，如潤滑系統(tǒng)若布置在高溫部件附近易引起油質(zhì)變化；若布置在高溫部件上方，漏油情況下油液滴落極易引起燃燒釀成火災(zāi)。此外還有線束布置，如線束在高溫部件上方，其外部雖增加高溫防護膠帶，但若彎折時熱防護膠帶防護層在折彎應(yīng)力集中點脫落，易引起絕熱不均而導(dǎo)致導(dǎo)線熔融失效。

3.2材料

對于管線類受熱部件的防護產(chǎn)品材料來說，合適的防護材料產(chǎn)品選擇，需要考慮不同的防護類型、防護強度等因素，正確的選擇不僅可以對受熱部件進行針對性的有效防護，而且也不會造成直接的成本浪費，如表3所示。

表3　防護材料類型示例

3.3結(jié)構(gòu)

部件結(jié)構(gòu)影響流場流速，典型例子為進氣格柵。圖6和圖7分別為格柵最上端封閉與未封閉狀態(tài)在Y=200 mm處機艙內(nèi)流場速度矢量及溫度場分布對比圖，其中2圖中的（a）為格柵最上端封閉情況，（b）為未封閉情況。圖6（b）的上進氣格柵有3股氣流，而（a）只有2股，即在進氣格柵最上端未封閉情況下，機艙上部氣流增加，氣流更為順暢；圖7（b）比圖7（a）冷卻氣流量增加，在機艙蓋附近溫度明顯降低，而機艙后部溫度也隨之降低。在設(shè)計過程中應(yīng)該避免流場內(nèi)各部件結(jié)構(gòu)阻礙氣流，導(dǎo)致散熱不及時。

圖6　速度矢量對比

圖7　溫度分布對比

3.4工藝

除去以上3種因素，在部件制造及裝配過程中產(chǎn)生的公差會使部件與高溫部件的間隙產(chǎn)生偏差，故在設(shè)計過程中必須考慮實際公差并進行間隙預(yù)留。以排氣系統(tǒng)周邊部件為例，定義了左右、前后和上下6個方向間隙預(yù)留推薦值，見表4。

表4　排氣系統(tǒng)周邊部件間隙預(yù)留值推薦表mm

4　問題解決實例

4.1案例

某車型在進行整車熱管理試驗時，后保險杠出現(xiàn)燒蝕問題如圖8所示，后保險杠耐受溫度為95℃，實測溫度高達170℃。

圖8　某車型后保險杠燒蝕問題

4.2原因調(diào)查

通過對尾管處進行CFD分析發(fā)現(xiàn)：a. 部分尾管熱氣流會直接噴射到尾管裝飾罩上邊沿；b. 裝飾罩上邊沿搭接邊凸出產(chǎn)生明顯湍流；c. 實車此處存在縫隙，漏氣導(dǎo)致少量熱氣流吹拂后保險杠表面。以上原因共同引起燒蝕問題，如圖9所示。

4.3問題解決及驗證

問題解決方法：a.排氣尾管以裝飾罩上表面為基準降低15mm，同時伸長15mm；b.增加尾管裝飾罩Z向高度，同時增加密封結(jié)構(gòu)。

再次進行CFD分析，尾氣未直接噴射到尾管裝飾罩，且新的裝飾罩密封結(jié)構(gòu)未引起明顯湍流。經(jīng)實車測量，后保險杠表面溫度為79℃，未發(fā)現(xiàn)燒蝕問題，如圖10所示。

圖9　后保險杠燒蝕問題原因調(diào)查

圖10　后保險杠燒蝕問題解決方案及驗證

5　結(jié)束語

發(fā)動機和排氣系統(tǒng)是汽車最主要的高溫部件，故機艙和排氣系統(tǒng)周邊是熱傷害的重點防護部位。由于機艙內(nèi)熱流場的復(fù)雜性以及發(fā)動機與排氣系統(tǒng)的高溫特性，熱傷害的預(yù)防往往是集布置、材料、結(jié)構(gòu)和工藝等因素于一體的綜合性課題。在設(shè)計過程中，結(jié)合CFD分析結(jié)果，對高溫部件及受熱部件進行合理的布局及間隙設(shè)定，受熱部件的防護材料要滿足防護要求，流場中各部件的結(jié)構(gòu)盡量避免阻礙氣流或造成湍流，部件的制造及安裝公差也要考慮，間隙設(shè)定要有適當?shù)念A(yù)留值。此外必須開展實車熱管理試驗驗證，保證熱傷害問題不流入市場，影響消費者的人身及財產(chǎn)安全。

參考文獻

[1]鄧義斌，黃榮華，王兆文，等.車輛熱管理系統(tǒng)及其研究[J].汽車工程師，2011（01）：52-56.

[2]何適，趙旭敏.淺談汽車火災(zāi)[J].科技展望，2015（07）：236.

[3]李玉強，楊勇.汽車主要部件與系統(tǒng)的火災(zāi)分析[J].四川兵工學(xué)報，2010，31（06）：145-148.

收稿日期：2015?08?31

文章編號：1002-4581（2016）01-0031-05

中圖分類號：U461.91

文獻標志碼：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2016.01.009