汽車下護(hù)板對發(fā)動機(jī)艙散熱性能的影響

王東 陳嘉羲

摘要：

為提高汽車發(fā)動機(jī)艙的散熱性能，通過計算流體力學(xué)數(shù)值仿真研究汽車下護(hù)板對整車散熱性能的影響。研究表明：在高速工況下，增加下護(hù)板后格柵和冷卻模塊進(jìn)氣量增加；在高負(fù)荷工況下，下護(hù)板可改善發(fā)動機(jī)艙的空氣溫度分布形態(tài)。下護(hù)板開口可增加冷卻模塊進(jìn)氣量，不開口時艙內(nèi)溫度較低，所以在整車設(shè)計時應(yīng)綜合考慮散熱量和熱害。下護(hù)板能明顯減少風(fēng)阻，但開口會減弱其效果，因此設(shè)計時應(yīng)多方面考慮。

關(guān)鍵詞：

下護(hù)板； 發(fā)動機(jī)艙； 計算流體力學(xué)； 冷卻模塊； 熱害； 風(fēng)阻

中圖分類號： U463

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Influence of bottom panel on engine cabin

heat dissipation performance

WANG Dong， CHEN Jiaxi

（

School of Automotive Studies， Tongji University， Shanghai 201804， China）

Abstract：

In order to improve the heat dissipation performance of automobile engine cabin， the numerical simulation of computational fluid dynamics is conducted to study the effects of bottom panel on the cooling performance of the vehicle. The research shows that， under highspeed conditions， the intake air volume of the grille and cooling module is increased after installing the bottom panel； under high load conditions， the bottom panel can improve the air temperature distribution pattern of the engine cabin. The opening of the bottom panel can increase the intake volume of the cooling module while the temperature in the engine compartment is lower without it. Therefore， the heat dissipation and heat damage should be comprehensively considered in the design of the entire vehicle. The bottom panel can also significantly reduce the wind resistance， but the opening can weaken the effect， so it should be considered from many aspects.

Key words：

bottom panel； engine cabin； computational fluid dynamics； cooling module； heat damage； wind resistance

0 引 言

汽車發(fā)動機(jī)下護(hù)板能有效防止托底對發(fā)動機(jī)、變速箱和其他部件的損傷。這些部件的外殼多由鋁合金材料制成，強(qiáng)度不高，一旦發(fā)生托底事故，容易造成殼體變形，甚至發(fā)生損壞，導(dǎo)致潤滑油泄漏。底盤護(hù)板具有很好的降阻整流效果，能提高車輛的高速操縱穩(wěn)定性。[12]面對日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，安裝下護(hù)板也是整車廠采取的節(jié)能措施之一。

整車熱管理技術(shù)是21世紀(jì)汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是汽車行業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排要求的途徑之一。發(fā)動機(jī)艙內(nèi)氣體流動和熱環(huán)境十分復(fù)雜，艙內(nèi)高溫部件散熱受到空氣流動阻力的影響，會引起艙內(nèi)溫度過高，直接影響汽車的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，影響碳排放。[35]計算流體力學(xué)方法可以有效解決整車?yán)鋮s問題，縮短開發(fā)時間，降低開發(fā)成本。[67]PATIDAR等[8]研究發(fā)現(xiàn)，冷卻氣體回流是導(dǎo)致發(fā)動機(jī)艙過熱的主要原因。加裝發(fā)動機(jī)下護(hù)板后，艙內(nèi)零部件布置形式會影響發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的氣體流動和傳熱。[9]

當(dāng)前研究結(jié)果表明，前端冷卻模塊計算流體力學(xué)分析的準(zhǔn)確度較高：怠速工況誤差在4%以內(nèi)，高負(fù)荷工況誤差在7%以內(nèi)，高速工況誤差在10%以內(nèi)。[10]本文基于整車模型，模擬發(fā)動機(jī)下護(hù)板對發(fā)動機(jī)艙散熱性能的影響，保留發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的主要零部件和細(xì)節(jié)特征，通過三維計算流體力學(xué)仿真進(jìn)行對比分析，在設(shè)定工況的邊界條件下，研究發(fā)動機(jī)下護(hù)板的開口面積對整車散熱性能的影響。

1 模型建立和計算方法

1.1 模型確定

所有工況均基于同一網(wǎng)格進(jìn)行，僅改變邊界條件模擬不同工況，可基本消除網(wǎng)格因素的影響。

對整車模型進(jìn)行散熱性能分析會受到外流場的影響，因此建立適用于外流場的計算域。計算域尺寸為10倍車長、5倍車寬、3倍車高（見圖1），網(wǎng)格劃分采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量約為919萬個。

提出3種下護(hù)板開口仿真方案，開口面積分別為0（整面）、12%、24%，均通過改變壁面的interior實現(xiàn)，不會對網(wǎng)格數(shù)量及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)造成明顯影響，保證其收斂條件一致。

發(fā)動機(jī)艙無下護(hù)板及3種下護(hù)板底視圖見圖2。

1.2 網(wǎng)格無關(guān)性

由于網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果影響較大，因此須對網(wǎng)格無關(guān)性進(jìn)行驗證。分別對

網(wǎng)格數(shù)量

為919萬、1 109萬、1 344萬、1 498萬和1 605萬個的冷卻模塊進(jìn)氣量和格柵進(jìn)氣量進(jìn)行對比分析，見圖3。由此可知，919萬個網(wǎng)格的計算結(jié)果與1 605萬個網(wǎng)格的計算結(jié)果差別較小，故選擇計算網(wǎng)格數(shù)量為919萬個。

1.3 計算模型

計算域采用速度入口和壓力出口；湍流模型采用可實現(xiàn)的kε模型，此模型較適合汽車發(fā)動機(jī)艙熱管理的數(shù)值計算[11]；冷凝器、中冷器和散熱器均設(shè)為多孔介質(zhì)；風(fēng)扇部分采用MRF模型；熱交換模型采用傳熱單元數(shù)法（NTU模型）；輻射模型采用S2S模型。

2 仿真結(jié)果分析

發(fā)動機(jī)下護(hù)板對散熱性能的影響主要體現(xiàn)在對氣流的引導(dǎo)和阻礙方面。選擇怠速工況、高負(fù)荷工況（10%坡度爬坡）和高速工況作為對比分析的特征工況[12]，其對應(yīng)車速分別為3.6、36.0和108.0 km/h。在高速工況下風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為500 r/min，

在怠速工況和高負(fù)荷工況下風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2 500 r/min（見表1）。數(shù)值模擬采用的溫度邊界條件見表2。

2.1 下護(hù)板對發(fā)動機(jī)艙散熱性能的影響

2.1.1 對格柵進(jìn)氣量的影響

發(fā)動機(jī)下護(hù)板可改變整車發(fā)動機(jī)艙的內(nèi)流場和外流場，有、無下護(hù)板格柵進(jìn)氣量對比見圖4。在怠速和高負(fù)荷工況時，無下護(hù)板的格柵比有下護(hù)板的進(jìn)氣量稍多，但增加量很少，可認(rèn)為基本一致。在高速工況下，有下護(hù)板的格柵比無下護(hù)板時進(jìn)氣量明顯增加（增加0.24%）。由此可知，有、無下護(hù)板對怠速和高負(fù)荷工況下的格柵進(jìn)氣量沒有影響，但在高速工況下增加下護(hù)板會對格柵進(jìn)氣量的提高有一定作用。

2.1.2 對前端冷卻模塊進(jìn)氣量的影響

前端冷卻模塊進(jìn)氣量直接決定發(fā)動機(jī)的散熱能力，有、無下護(hù)板冷卻模塊進(jìn)氣量對比見圖5。在怠速工況下，有、無下護(hù)板對前端冷卻模塊的進(jìn)氣量基本沒有差別，但在高速工況下，加裝下護(hù)板后冷卻模塊的進(jìn)氣量增加1.2%。

以左風(fēng)扇中心截面為研究對象，在高速工況下有、無下護(hù)板發(fā)動機(jī)艙壓力分布見圖6。

下護(hù)板將發(fā)動機(jī)艙內(nèi)部與車底的壓力場（灰圈部位）分割開，使風(fēng)扇與發(fā)動機(jī)之間（黑圈部位）的壓強(qiáng)比無下護(hù)板時低，冷卻模塊前后壓力差更大，冷卻模塊進(jìn)氣量增加。同時，由于艙內(nèi)壓力低，氣流流向正對發(fā)動機(jī)排氣歧管，帶走更多熱量，可改善發(fā)動機(jī)艙熱害。因此，加裝下護(hù)板后，在怠速工況和高負(fù)荷工況下并不會對發(fā)動機(jī)的散熱能力有較大影響，但在高速工況下，增加下護(hù)板時效果更好。

2.1.3 對發(fā)動機(jī)艙熱分布的影響

選擇熱害最嚴(yán)重的高負(fù)荷工況，分析下護(hù)板對發(fā)動機(jī)艙熱分布的影響，發(fā)動機(jī)艙內(nèi)部件表面最高溫度見表3。安裝下護(hù)板后，艙內(nèi)壓力降低，導(dǎo)致電池和壓縮機(jī)表面的最高溫度均降低，使更多經(jīng)過冷卻模塊上方的氣流進(jìn)入發(fā)動機(jī)艙內(nèi)（見圖7），此氣流流向正對發(fā)動機(jī)排氣歧管隔熱罩，因此帶走更多的熱量，可降低隔熱罩的溫度（見圖8），同時減少隔熱罩輻射對其他零部件的影響。

2.2 不同開口面積對散熱性能的影響

在下護(hù)板對發(fā)動機(jī)起保護(hù)作用的前提下，選擇

開口面積分別為0、12%、24%，研究下護(hù)板不同開口面積對整車散熱性能的影響。

2.2.1 對冷卻模塊進(jìn)氣量的影響

在怠速工況下，格柵進(jìn)氣主要是由于風(fēng)扇的作用，且其距下護(hù)板較遠(yuǎn)，因此在怠速工況下不同下護(hù)板開口面積冷卻模塊進(jìn)氣量基本一致，見表4。

2.2.2 對發(fā)動機(jī)艙溫度的影響

對比發(fā)動機(jī)艙不同部位零部件（以左側(cè)的電池、前面的壓縮機(jī)為例）表面的最高溫度，選取熱害最嚴(yán)重的高負(fù)荷工況進(jìn)行分析，見圖10。發(fā)動機(jī)艙不同部件表面的最高溫度變化趨勢與下護(hù)板開口大小

沒有十分確定的關(guān)系，下護(hù)板不開口時，發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的溫度最低。在高負(fù)荷工況下壓縮機(jī)表面溫度分布見圖11，不同開口面積下，高溫區(qū)域的大小不同，但整體溫度分布形態(tài)一致，此時對發(fā)動機(jī)艙零部件溫度影響最大的是排氣歧管等高溫部件的熱輻射。

綜合以上分析可知：如果在整車設(shè)計時發(fā)動機(jī)需要散熱量較大，那么應(yīng)在下護(hù)板上按照實際情況開口；相反，如果發(fā)動機(jī)艙內(nèi)熱害較嚴(yán)重，那么應(yīng)設(shè)計為整面下護(hù)板。

2.3 下護(hù)板對汽車空氣阻力的影響

增加下護(hù)板后空氣阻力因數(shù)明顯降低，且阻力因數(shù)隨開口面積的增大呈上升趨勢，見圖12。下護(hù)板開口面積越大，汽車底部氣流和發(fā)動機(jī)艙內(nèi)氣流壓力變化越連續(xù)；無下護(hù)板時，整個區(qū)域氣流壓力連續(xù)變化，見圖13。

3 結(jié) 論

下護(hù)板與熱管理緊密相關(guān)，針對下護(hù)板對整車散熱性能的影響進(jìn)行計算流體力學(xué)仿真研究，得到以下結(jié)論：

（1） 在怠速和高負(fù)荷工況下，有、無下護(hù)板不會對發(fā)動機(jī)的散熱能力產(chǎn)生較大影響，但在發(fā)動機(jī)對散熱有一定要求的高速工況下，增加下護(hù)板后效果良好，冷卻模塊進(jìn)氣量增加1.2%。

（2） 針對熱害最嚴(yán)重的高速工況，增加下護(hù)板后不會影響發(fā)動機(jī)艙的溫度分布，但由于發(fā)動機(jī)艙內(nèi)壓力降低，會引入艙內(nèi)更多冷卻氣流，降低排氣歧管隔熱罩的溫度，減小其他零部件受其熱輻射的影響，因此使某些零件表面最高溫度有所降低。

（3） 下護(hù)板開口后，冷卻模塊進(jìn)氣量隨著開口面積增大而增加，不開口時整個發(fā)動機(jī)艙熱害有所減弱。在整車設(shè)計時，若發(fā)動機(jī)需要散熱量較大，則應(yīng)在下護(hù)板上按照實際需要開口；若發(fā)動機(jī)艙內(nèi)熱害較嚴(yán)重，則應(yīng)設(shè)計為整面下護(hù)板。

（4） 增加下護(hù)板后，空氣阻力因數(shù)明顯降低，且阻力因數(shù)隨開口面積的增大呈上升趨勢。

參考文獻(xiàn)：

[1]

徐鵬， 李春花， 劉鵬， 等. 某SUV車型底部氣動附件的開發(fā)與研究[J]. 汽車技術(shù)， 2014（7）： 1417. DOI： 10.3969/j.issn.10003703.2014.07.005.

[2] 郭軍朝， 史建鵬， 陳贛， 等. 某SUV車底氣動附件的仿真與試驗研究[J]. 汽車工程， 2016， 38（4）： 511514. DOI： 10.3969/j.issn.1000680X.2016.04.020.

[3] YANG J B， JEON B H， OH S I. Design sensitivity analysis and optimization of hydroforming process[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2001， 113（1）： 666672.

[4] FORTUNATO F， DAMIANO F， MATTEO L D， et al. Underhood cooling simulation for development of new vehicles[DB/OL]. （20050510）[20171130]. https：//www.sae.org/publications/technicalpapers/content/2005012046/.

[5] TAYLOR O P， PEARSON R， STONE R. Reduction of CO2 emissions through lubricant thermal management during warm up of passenger car engines[DB/OL]. （20160405）[20171130]. https：//www.sae.org/publications/technicalpapers/content/2016010892/.

[6] HAEHNDEL K， FRANK T， CHRISTEL F M， et al. Development of exhaust surface temperature models for 3D CFD vehicle thermal management simulations Part 1： General exhaust configurations[C]//Proceedings of SAE 2013 World Congress & Exhibition. Detroit， 2013. DOI： 10.4271/2013010879.

[7] 柳文斌， 袁俠義， 趙力， 等. 某純電動車型熱管理系統(tǒng)開發(fā)[J]. 汽車技術(shù)， 2016（9）： 912. DOI： 10.3969/j.issn.10003703.2016.09.003.

[8] PATIDAR A， GUPTA U， MARATHE N. Optimization of front end cooling module for commercial vehicle using CFD approach[DB/OL]. （20130109）[20171130]. https：//www.sae.org/publications/technicalpapers/content/2013260044/.

[9] 任承欽， 蔡德宏， 劉敬平， 等. 汽車發(fā)動機(jī)艙散熱性能實驗及數(shù)值研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報（自科科學(xué)版）， 2012， 39（4）： 3741. DOI： 10.3969/j.issn.16742974.2012.04.007.

[10] 劉鵬， 劉二寶， 劉成文. 機(jī)艙熱管理氣流流動分析與試驗相關(guān)性研究[J]. 石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報， 2011， 24（3）： 102105. DOI： 10.3969/j.issn.20950373.2011.03.022.

[11] 田杰安. 汽車發(fā)動機(jī)艙熱管理的數(shù)值模擬研究[D]. 濟(jì)南： 山東大學(xué)， 2013.

[12] YANG S Z， WANG D， DANG Y， et al. Numerical simulation and optimization of underhood fluid field and cooling performance for heavy duty commercial vehicle under different driving conditions[DB/OL]. （20150929）[20171130]. https：//www.sae.org/publications/technicalpapers/content/2015012902/.

（編輯 付宇靚）