某商用車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理仿真分析與試驗(yàn)研究

陳存福 費(fèi)洪慶 胡金蕊 黃德惠 劉輝

（一汽解放青島汽車有限公司，青島 266043）

主題詞：熱管理 冷卻系統(tǒng)匹配 數(shù)值仿真

1 前言

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的性能直接影響整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。重型商用車?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計(jì)匹配是一項(xiàng)系統(tǒng)工程[1-3]，隨著國家排放法規(guī)升級(jí)，國六排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)重型商用車?yán)鋮s系統(tǒng)的要求進(jìn)一步提升，因此，如何有效評(píng)估整車部件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的影響成為研究難點(diǎn)與熱點(diǎn)。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)匹配進(jìn)行了大量研究，但這些研究多集中于單一因素的影響分析：曹原等利用轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)研究了不同因素對(duì)重型載貨汽車熱平衡溫度的影響[2]；王東等研究了風(fēng)扇護(hù)風(fēng)罩對(duì)汽車?yán)鋮s模塊的影響[4]；顏衛(wèi)國等對(duì)中冷器與前端冷卻模塊的匹配優(yōu)化進(jìn)行了分析[5]；肖寶蘭等研究了散熱帶翅片參數(shù)對(duì)散熱器流動(dòng)傳熱的影響[6]；張毅等對(duì)商用車多風(fēng)扇冷卻模塊的匹配進(jìn)行了分析研究[7]；黃環(huán)國等人研究了ε-NTU方法在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)匹配中的應(yīng)用[8-11]；馬書亮[12]利用GT-Suite研究了某重型載貨汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的匹配過程；張克鵬等[13]運(yùn)用KULI軟件分析了載貨汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的匹配流程，得到了較優(yōu)匹配結(jié)果；Heinzelmann等[14]研究了格柵不同開口比對(duì)散熱器表面溫度的影響；Martini等[15]研究了某載貨汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)能力，散熱器出水溫度誤差為2.4 ℃，中冷器出氣溫度誤差為2 ℃，仿真精度較高；Hallqvist[16]研究了載貨汽車熱平衡的影響因素，計(jì)算獲得了不同配置下的冷卻部件風(fēng)量。

本文利用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法建立整車仿真模型，研究間隙、芯體尺寸、風(fēng)扇位置、空調(diào)、密封等因素對(duì)整車?yán)鋮s系統(tǒng)的影響，建立影響因子數(shù)據(jù)庫，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，以期為整車?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

2 模型建立

2.1 研究對(duì)象

本文的研究對(duì)象為某6×2半掛牽引車，匹配濰柴WP12.430型發(fā)動(dòng)機(jī)，整車幾何模型如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)艙主要包括冷卻模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)、電氣系統(tǒng)、懸置、傳動(dòng)系統(tǒng)等。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在保證發(fā)動(dòng)機(jī)艙主要部件與實(shí)車一致的情況下，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，將發(fā)動(dòng)機(jī)本體細(xì)小線束、油管忽略，保證護(hù)風(fēng)罩、風(fēng)扇、散熱支架完整。

圖1 6×2半掛牽引車整車模型

圖2所示為發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部冷卻部件布置位置，由前到后分別為冷凝器、中冷器、散熱器、風(fēng)扇及發(fā)動(dòng)機(jī)等。

圖2 冷卻部件及風(fēng)扇位置

為研究不同因素對(duì)整車熱平衡的影響程度，制定不同研究方案如表1所示。

表1 研究方案描述

2.2 數(shù)值模擬方法

整車在開闊的路面行駛，考慮到計(jì)算精度及計(jì)算時(shí)間，在保證外部氣流不影響車身周圍流場(chǎng)的基礎(chǔ)上選定計(jì)算域，長(zhǎng)度為7倍車長(zhǎng)，寬度為8倍車寬，高度為6倍車高，計(jì)算域大小如圖3所示。

圖3 計(jì)算域空間

體網(wǎng)格采用多面體網(wǎng)格，基本尺寸設(shè)置為10～20 mm，進(jìn)氣格柵網(wǎng)格尺寸設(shè)置為2～4 mm，保證氣流流通性，發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行體網(wǎng)格加密，保證流動(dòng)準(zhǔn)確性。最終體網(wǎng)格數(shù)量為1 250萬個(gè)，網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。

圖4 中截面體網(wǎng)格

3 湍流與物理模型

在流動(dòng)計(jì)算中，采用雷諾平均法，湍流模型為可實(shí)現(xiàn)的k-ε雙層模型（realizablekεTwo-Layer model），在近壁面，雙層模型（Two-Layer model）可處理1＜y+＜30的區(qū)域，其中y+為無量綱參數(shù)，其定義為近壁面摩擦速度與第1層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)間距的乘積除以流體運(yùn)動(dòng)粘度，得到的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際較為一致[17]。發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部流動(dòng)較為復(fù)雜，分離較為嚴(yán)重，因此，得到正確的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)計(jì)算結(jié)果至關(guān)重要。

3.1 風(fēng)扇模型處理

為模擬風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，選擇多重參考系（Multiple Reference Frame，MRF）模型應(yīng)用至風(fēng)扇區(qū)域?？刂企w的尺寸對(duì)結(jié)果的精度有一定影響，本文選擇與文獻(xiàn)[13]的設(shè)置一致。

3.2 熱交換模型

冷凝器、中冷器及散熱器采用多孔介質(zhì)，其定義了流場(chǎng)下游的影響因子，包括動(dòng)量方程的源項(xiàng)等參數(shù)。多孔介質(zhì)源項(xiàng)fp定義為：

式中，v為內(nèi)部氣流速度；Pv、Pi分別為粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)，均由散熱部件試驗(yàn)獲得。

對(duì)于換熱部分，采用STAR-CCM+真實(shí)雙流換熱模型（Actual Dual Stream Heat Exchanger Model）。該換熱模型可以分別對(duì)冷側(cè)與熱側(cè)進(jìn)行求解，冷側(cè)定義為空氣通過，熱側(cè)定義為冷卻液流通。

3.3 邊界條件設(shè)定

入口邊界設(shè)置為速度入口，定義整車行駛速度為20 km/h，環(huán)境溫度為35 ℃；出口設(shè)置為壓力出口，壓力為0，溫度為35 ℃；地面設(shè)置為移動(dòng)地面，移動(dòng)速度同車速，其余邊界設(shè)置為滑移壁面。本文主要考慮整車在最大扭矩下的最大散熱能力，故設(shè)置風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，邊界條件設(shè)置如表2所示。

表2 邊界條件設(shè)置

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 流動(dòng)分析

圖5所示為發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部流線壓力云圖，外界氣流由格柵開孔進(jìn)入，經(jīng)過格柵后壓力降低，流動(dòng)變得紊亂，氣流經(jīng)過散熱部件時(shí)流動(dòng)變得規(guī)則，這是由于多孔介質(zhì)只允許X向流動(dòng)。經(jīng)過多孔介質(zhì)后，靜壓進(jìn)一步降低，在風(fēng)扇前部，壓力降低到最低點(diǎn)。經(jīng)過風(fēng)扇的抽吸作用，氣流壓力升高，但風(fēng)扇后部氣流又變得紊亂。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)艙流線靜壓圖

圖6所示為發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部流線速度分布情況，在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部，氣流的流動(dòng)具有多向性，這是由于機(jī)艙內(nèi)部靜壓不同所致。在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部，有4股氣流流向：第1股流向發(fā)動(dòng)機(jī)艙右側(cè)；第2股流向發(fā)動(dòng)機(jī)左側(cè)，并在一定時(shí)間后，分為兩向，其中一向沿著左側(cè)回流至格柵后部；第3股氣流在發(fā)動(dòng)機(jī)上部發(fā)生回流，受到膨脹水箱的阻擋后渦旋運(yùn)動(dòng)；第4股氣流沿發(fā)動(dòng)機(jī)頂蓋向后流動(dòng)。流動(dòng)的不確定性造成局部過熱，且導(dǎo)致散熱效果減弱。因此，增加發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部氣流的約束，可提升散熱效率。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)艙氣流速度

4.2 格柵開口面積影響研究

駕駛室前端格柵開孔是冷卻氣流進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙的首道屏障，其形狀、位置及開孔面積直接影響進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部的冷卻空氣，因此，研究進(jìn)氣格柵開孔面積與整車?yán)鋮s系統(tǒng)的關(guān)系十分必要。圖7所示為本車前格柵位置與形狀，保險(xiǎn)杠固定2條格柵，前圍外板安裝3條格柵。表3所示為不同開孔面積下整車許用環(huán)境溫度計(jì)算值，為形象顯示開孔面積對(duì)整車熱平衡的影響，引入開孔率的概念，即散熱器正對(duì)格柵開孔面積與散熱器正面積之比，針對(duì)本文研究對(duì)象，其變化趨勢(shì)如圖8所示。

圖7 格柵與散熱器的相對(duì)位置（正視圖）

表3 不同開孔面積下計(jì)算結(jié)果

圖8 不同開孔率下許用環(huán)境溫度的變化趨勢(shì)

由圖7可知，保險(xiǎn)杠格柵正對(duì)散熱器的迎風(fēng)面積對(duì)散熱器的效率有較大影響。由表3與圖8可知，增加開孔面積有助于提高許用環(huán)境溫度，開孔率由10.8%提升至22.23%時(shí)，許用環(huán)境溫度提升約2.44 ℃。由于進(jìn)氣格柵的布置特點(diǎn)，保險(xiǎn)杠處的格柵對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)氣量影響較大，前圍外板處進(jìn)氣格柵影響較小，只有1.63%。

圖9與圖10所示分別為不同狀態(tài)下散熱器芯體空氣速度與溫度云圖，保險(xiǎn)杠格柵對(duì)散熱器表面風(fēng)速影響較小，去掉格柵后，散熱器表面高溫區(qū)面積減小，且由于冷凝器與中冷器表面風(fēng)速均不同程度增加，進(jìn)一步提高了冷卻模塊的散熱能力。

圖9 散熱器速度分布

圖10 散熱器溫度分布

4.3 擋板影響研究

為研究熱風(fēng)回流對(duì)冷卻的影響，在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部增加防回流擋板。圖11所示為增加擋板后的狀態(tài)，增加上擋板與縱梁內(nèi)側(cè)擋板后，許用環(huán)境溫度提升0.75 ℃，說明該方案可防止部分熱風(fēng)回流。將發(fā)動(dòng)機(jī)艙完全密封（見圖11b），散熱器后部的熱空氣不能形成有效回流，氣流被擋板裹挾向后流去，提升了整車散熱性能。增加部分擋板后，許用環(huán)境溫度較原始狀態(tài)提升約0.75 ℃，圖12所示為散熱器表面溫度云圖，由圖12可知，水箱上部溫度明顯降低，但左側(cè)由于回流的存在，導(dǎo)致散熱器前方存在高溫區(qū)，完全密封發(fā)動(dòng)機(jī)艙后，許用環(huán)境溫度較原始狀態(tài)提升約2.78 ℃，散熱器回流基本消失，表面溫度降低。發(fā)動(dòng)機(jī)艙完全密封后，整車許用環(huán)境溫度有2～3 ℃的提升，因此有效密封發(fā)動(dòng)機(jī)艙是提高散熱能力的手段之一。

圖11 擋板分布情況

4.4 車架橫梁影響研究

為了加強(qiáng)車架強(qiáng)度，縱梁前端一般存在不同形式的橫梁結(jié)構(gòu)，橫梁布置于冷卻模塊前端，對(duì)前部進(jìn)風(fēng)有一定影響，進(jìn)而影響冷卻模塊的冷卻效果。由文獻(xiàn)[18]可知，氣流流經(jīng)鈍體結(jié)構(gòu)時(shí)，在后方產(chǎn)生尾流區(qū)域，如圖13所示，尾流速度較低，且流動(dòng)紊亂，不利于散熱。為研究冷卻模塊前方部件對(duì)整車?yán)鋮s系統(tǒng)的影響，對(duì)方案1和方案8進(jìn)行分析，如圖14所示。

圖13 氣流通過鈍體時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)

圖14 冷卻模塊布置

去除橫梁后，整車許用環(huán)境溫度提升約0.25 ℃，對(duì)整車影響較小。橫梁對(duì)散熱部件的空氣量影響亦不大。圖15顯示了發(fā)動(dòng)機(jī)艙XZ截面速度矢量，存在橫梁時(shí)，氣流在橫梁前、后出現(xiàn)部分低速區(qū)，到達(dá)冷凝器后，尾流區(qū)影響基本消失，橫梁正前方為保險(xiǎn)杠，無氣流通過，一定程度上減弱了橫梁的影響。

圖15 氣流經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)艙前端ZX截面矢量圖

由以上分析可知，若在發(fā)動(dòng)機(jī)艙前部布置其他零部件，需遵循以下原則：零部件尺寸盡可能緊湊，冷卻模塊布置于零部件尾流之后。

4.5 距離影響研究

冷卻部件之間的距離對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的流場(chǎng)有一定影響，為此，本文針對(duì)冷凝器、中冷器、風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)距離進(jìn)行研究。

不同方案的計(jì)算許用環(huán)境溫度如表4所示。由表4可知，減小格柵與冷卻模塊的距離、中冷器后移、風(fēng)扇后移均對(duì)冷卻系統(tǒng)的散熱效果造成不利影響，尤其是風(fēng)扇后移導(dǎo)致許用環(huán)境溫度下降約4 ℃。減小格柵與冷卻模塊距離后，格柵與冷卻模塊之間的流場(chǎng)受到影響，冷卻模塊處于格柵的尾流區(qū)，減小了進(jìn)入冷卻系統(tǒng)的風(fēng)量，造成系統(tǒng)散熱減少。中冷器后移，由于尾流區(qū)的影響，同樣造成散熱器表面風(fēng)量減小。風(fēng)扇后移后，風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)罩無重合區(qū)域，導(dǎo)致風(fēng)扇吸風(fēng)效果大幅減弱。

表4 不同距離下計(jì)算許用環(huán)境溫度

冷凝器前移、風(fēng)扇前移、發(fā)動(dòng)機(jī)后移均對(duì)冷卻系統(tǒng)散熱起到積極作用。冷凝器前移后，尾流區(qū)對(duì)中冷器的影響減弱，增加了中冷器及散熱器的風(fēng)量；風(fēng)扇前移后，插入護(hù)風(fēng)罩的長(zhǎng)度增加，有利于風(fēng)扇吸風(fēng)；發(fā)動(dòng)機(jī)后移，增加了風(fēng)扇尾流區(qū)域面積，減小了背壓，使得氣流流動(dòng)更為順暢。但風(fēng)扇距離增加對(duì)冷卻系統(tǒng)的提升效果有限，在保證裝配的基礎(chǔ)上，此距離可適當(dāng)減小。

4.6 獨(dú)立風(fēng)扇影響研究

由于中國南部夏季氣溫較高，故在此類車型上需單獨(dú)安裝電子風(fēng)扇，以便在車輛停止時(shí)，開啟駐車風(fēng)扇，保證空調(diào)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。電子風(fēng)扇位于冷卻模塊前方，影響整車?yán)鋮s風(fēng)量，圖16所示為電子風(fēng)扇安裝示意，增加電子風(fēng)扇后許用環(huán)境溫度降低約1 ℃。

圖16 電子風(fēng)扇示意

圖17所示為增加獨(dú)立風(fēng)扇前、后冷凝器表面風(fēng)速，由圖17可知，增加獨(dú)立風(fēng)扇后，冷凝器出現(xiàn)2個(gè)較為明顯的高速區(qū)，對(duì)比冷凝器、中冷器、散熱器表面風(fēng)量，增加獨(dú)立風(fēng)扇后，散熱模塊風(fēng)量均稍小于普通冷卻系統(tǒng)。這是增加獨(dú)立風(fēng)扇后，冷卻系統(tǒng)散熱能力降低的原因。

圖17 冷卻器表面風(fēng)速對(duì)比

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

利用負(fù)荷拖車機(jī)構(gòu)，對(duì)整車熱平衡系統(tǒng)進(jìn)行道路測(cè)試，如圖18所示，環(huán)境溫度為28 ℃，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持在1 200 r/min左右，車速為20 km/h，檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度，當(dāng)溫度在4 min內(nèi)變化不大于1 ℃時(shí)，冷卻系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)。

圖18 負(fù)荷拖車道路測(cè)試

經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試，方案1許用環(huán)境溫度試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相差0.4 ℃，誤差僅為1.11%，計(jì)算精度滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語

本文研究了格柵開孔率、發(fā)動(dòng)機(jī)艙擋板、風(fēng)扇形式、風(fēng)扇與散熱器間隙等多種因素對(duì)整車流場(chǎng)與熱場(chǎng)的影響，得到了不同因素對(duì)整車熱平衡的影響程度，由研究結(jié)論可知：進(jìn)氣格柵開孔比、密封擋板、風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)罩軸向位置（風(fēng)扇與散熱器距離）對(duì)整車散熱系統(tǒng)影響較大；增加密封擋板可有效提升發(fā)動(dòng)機(jī)散熱能力，但具體提升量需根據(jù)不同布置方式進(jìn)行分析；風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)罩配合、風(fēng)扇與散熱器芯體距離對(duì)散熱能力有較大影響；風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)距離、較小體積的橫梁、冷卻模塊之間的距離對(duì)整車?yán)鋮s影響較小。