某越野车发动机舱热管理分析与改进

摘要

针对某款越野车发动机舱冷却系统性能不足的问题,采用了一种以三维仿真为主、一维仿真为辅的分析方法,进行了发动机舱热管理分析与改进设计。通过三维仿真,对发动机舱进行了流场与温度场分析,找出了发动机舱内的高温热害部位;通过一维仿真,得到了发动机的出水温度和中冷器热端的出风温度,计算出了相应的ATD值和中冷常数。在此基础上,采用了加装导流板的改进方案,降低了中冷常数。仿真结果显示:发动机舱内中冷器上方区域存在明显的热回流情况,导致中冷常数偏高。加装导流板后,中冷器的进风量有所增加,回流量有所减少,中冷常数从28 ℃降低到21.31 ℃。这为该款越野车型的研发提供了技术支持,缩短了研发周期。

关键词

发动机舱热管理；三维仿真；一维仿真；流场与温度场

主要内容

１ 整车CFD模型的建立

由于发动机舱内的零部件众多， 而研究重点在于舱内的传热分析， 在保证计算精度的前提下， 可以对舱体的几何模型进行简化。在 ＡＮＳＡ 软件中对几何模型进行前期的几何清理工作， 将一些直径较小的管道及线束等对传热影响较小的部件进行简化。图 １ 为简化后的整车几何模型示意图。

图 １ 简化后的整车几何模型示意图

将前处理后的文件导入到 ＳＴＡＲ － ＣＣＭ ＋ 中，进行网格质量检查、划分区域以及设置边界条件，完成体网格的生成。图 ２ 为计算域示意图。计算域的长度设为 １０ 倍车长（ 车前 ３Ｌ、车后 ６Ｌ） ， 宽度为 ７ 倍车宽（ 左右各 ３Ｗ） ， 高度为 ５ 倍车高。计算域的入口设为速度入口， 数值根据工况车速进行设置。出口设为压力出口。

图 ２ 计算域示意图

为了更加真实地模拟发动机舱内部的流场情况， 在生成体网格时设置了多个 Ｂｌｏｃｋ 块局部加密区域。从整车的表面向发动机舱内分层细化体网格， 以提高仿真的计算精度。经过网格划分， 生成的体网格单元约 ３ ４６７ 万， 如图 ３ 所示。

图 ３ 生成的体网格示意图

通过对换热器进行台架试验获取惯性阻尼系数和黏性阻尼系数。图 ４ 为台架试验示意图。根据台架试验获得的数据， 拟合得到换热器的二次多项式曲线。多项式系数即为各换热器的多孔介质特征参数， 参数如表 １ 所示。

图 ４ 换热器的台架试验示意图

表 １ 各换热器的多孔介质参数

采用动量源法设置风扇的边界条件。相较于多重参考系法， 该方法不需要详细的风扇ＣＡＤ 数据， 通过输入风扇的 Ｐ － Ｑ 曲线完成动量源的加载， 真实地模拟风扇旋转。通过实验采集风扇的 Ｐ － Ｑ 特性曲线后， 在 Ｏｒｉｇｉｎ 软件中拟合出二次多项式（ 如图 ５ 所示） ， 利用差值法得到风扇各工况点的转速值。

图 ５ P-Ｑ 曲线多项式拟合曲线

根据《汽车水冷发动机冷却装置的性能及试验方法》的标准 ， 在车辆研发过程中， 需要对发动机降额功能轻型车辆的冷却系统性能进行检验， 即ATD（air to derating） 试验。该试验采用道路试验的方法。测试车辆后面连接着一辆拖车， 车辆油门踩到底， 通过控制拖车来保证测试车辆发动机转速和条件， ＡＴＤ 试验场景如图 ６ 所示。

图 ６ ＡＴＤ 试验场景

本文中研究车型搭载的是 Ｆ１ Ｃ 直喷发动机，主要参数如表 ２ 所示。

表 ２ Ｆ１ Ｃ 直喷发动机参数

根据 Ｆ１ Ｃ 型发动机特性曲线（ 如图 ７ 所示） ， 挑选 ３ 个发动机工况进行仿真，３ 个发动机工况分别属于最大功率工况和最大扭矩工况。其中， 最大功率工况下的发动机转速为 ３ ５００ ｒ ／ｍｉｎ， 最大扭矩工况下的发动机转速分别为 ２ ５００、１ ５００ ｒ ／ｍｉｎ。仿真
工况的具体参数如表 ３ 所示。

图 ７ Ｆ１ Ｃ 发动机特性曲线

表 ３ 仿真工况参数

2  发动机舱散热特性分析

为更好地说明流场与温度场的仿真结果， 在冷却系统的核心区域附近定义了 ２ 个截面。如图 ８ 所示， Ｙ ＝ ０ ｍｍ 是位于格栅进气口附近的对称截面， Ｚ ＝ ５６０ ｍｍ 则位于中冷器附近位置。

图 ８ 截面位置示意图

三维仿真的主要目的是观察发动机舱内是否存在明显的回流现象， 找到高温热害的部位。通过速度矢量图可以研究发动机舱内流场与温度场的分布情况，这里分别对 ３ 种工况下的发动机舱散热特性进行仿真分析， 图 ９ 是最大功率工况下的速度矢量图和温度云图。图 ９（ ａ） 中， 在 Ｙ ＝ ０ ｍｍ 截面处，中冷器与上格栅之间的缝隙较大， 中冷器冷端的进风面没有正对上格栅。通过上格栅的大量冷却空气绕过中冷器， 从中冷器的上方直接流入散热器， 仅有少量空气从中冷器的冷端进入， 不利于对热端高温气体的冷却， 导致发动机舱内的回流率较大， 降低了冷却系统的性能。从图 ９（ ｂ） 也可以看出， 在 Ｚ ＝ ５６０ ｍｍ 截面处， 中冷器上方区域均有来自于发动机舱内的回流空气（ 如图中黑圈所示） ， 这些回流的高温气体不利于中冷器散热， 降低了冷却系统的性能。

图 ９ 原方案的速度矢量图和温度云图

图 １０ 是最大扭矩工况下的结果。由图１０（ ａ）可知， 在２ ５００ ｒ ／ｍｉｎ 转速下， 发动机舱内的流场分布与最大功率工况相似， 高温区域主要存在于散热器和发动机之间， 最高达到了 １１７． ２１ ℃ 。相比于最大功率工况下的 １１４． ８２ ℃ ， 提高了２． ３９ ℃ 。由图 １０（ ｂ） 可知， 在 １ ５００ ｒ ／ｍｉｎ 转速下， 发动机舱内的高温区域更多， 基本上都在 １１０ ℃ 以上。相似地， 高温最高的区域存在于散热器和发动机之间， 最高达到了 １２９． ０３ ℃ 。相比于最大功率工况下的 １１４． ８２ ℃ ， 提高了 １４． ２１ ℃ 。

图 １０ 最大扭矩工况的速度矢量图和温度云图

在回流量计算过程中， 三维流线图可以反映发动机舱内的热回流情况。从图 １１ 可以看出， 从散热器出口流出的空气经过中冷器左右两侧形成涡流， 大量回流入中冷器进风口， 降低了中冷器和散热器的冷却性能。

找到发动机舱内的高温热害部位后， 将各冷却模块的流量值以及工况数值输入到一维模型中， 进行 ＡＴＤ 值和中冷常数的计算。

图 １１ 热回流流线云图

3  冷却系统一维仿真分析

3.1 一维模型的建立

图 １２ 为中冷器两端气流流动示意图。中冷器的进气流量分为两部分：一部分是涡轮增压产生的高温气体从中冷器的热端（ 绿色管路） 流入；另一部分是常温冷却空气从中冷器的冷端（ 格栅进入） 流入。冷却空气从中冷器中水平流过， 对高温气体进行冷却降温， 冷却后的高温气体从红色管路回到发动机中。

图 １２ 中冷器两端气流流动示意图

根据发动机舱的实际结构， 在 Ｆｌｏｗｍａｓｔｅｒ 中搭建出了一维模型， 如图 １３ 所示。该模型由进气系统和水冷系统 ２ 部分组成。进气元件主要是冷凝器、中冷器和散热器。常温空气从格栅进入机舱后， 经过中冷器和冷凝器流入散热器。由于冷凝器、中冷器和散热器等换热器均存在热回流现象， 在三维仿真时需要分别对它们的流量进行监测。将三维仿真结果输入到一维模型中， 完成ＡＴＤ 值、中冷常数等参数的计算。水壶和水泵等水路元件组成了发动机的水冷系统。其中， 一维模型仿真所需的水路各部件性能参数由生产厂家提供。而气路元件参数， 如中冷器和散热器的进风量和回流量等， 需要通过 ＳＴＡＲ － ＣＣＭ ＋ 的三维仿真计算获得。

图 １３ 一维模型示意图

3.2 一维仿真的计算结果

一维仿真分析中， 一般将 ＡＴＤ 值和中冷常数是否满足要求作为评价指标。经过一维计算，３ 种工况的 ＡＴＤ 值均满足要求（ ≥４５ ℃ ） ， 而前 ２ 种工况的中冷常数在 ２８ ℃ 左右， 超过了限值， 第 ３ 种工况的中冷常数满足要求。一维仿真结果如表 ４所示。

表 ４ 一维仿真结果

由表 ４ 可知， 最大功率工况的中冷常数最高，超过了工程限值， 故将该工况作为恶劣工况， 进行发动机舱的改进设计。通过对冷却系统部件的空间位置进行调整等改进方案， 改善中冷常数。

４  发动机舱的改进设计

4.1 改进方案的设计

为了解决中冷常数不满足要求的问题， 本文中尝试提出了 ３ 种改进方案：方案 １， 在中冷器上方增加一块导流板， 将上格栅处的冷却空气导流到中冷器的进风面附近， 以增加中冷器的进风量。方案 ２， 调整上格栅的开口方向， 改变冷却空气的流向。方案 ３， 提高中冷器的空间位置， 增加冷却空气的正对面积。其中， 方案 ２ 对格栅进行结构改进， 研发成本较高。方案 １ 与方案 ３ 相比， 增加导流板的方案， 在工程中更易实现。综合考虑， 采用方案 １ 对发动机舱的结构进行改进设计， 改进前后的几何模型如图 １４ 所示。

图 １４ 改进前后的几何模型示意图

4.2 改进前后的对比分析

对方案 １ 来说， 加装导流板可以有效地增加中冷器的进风量， 减少舱内的热回流现象。对发动机舱进行流场与温度场仿真分析， 得到的发动机舱 ２ 个方向上的速度矢量图和温度云图如图 １５。

图 １５ 改进后的速度矢量图和温度云图

从 Ｙ ＝ ０ ｍｍ 截面（ 图 １５（ ａ） ） 可以看出， 加装导流板后， 从上格栅进入的大量冷却空气被导流到中冷器进风面， 增加了中冷器的进风量， 同时散热器后方温度从 １１４． ８２ ℃ 降低到了 １１２． １５ ℃ ，改善了热回流现象。从 Ｚ ＝ ５６０ ｍｍ 截面（ 图 １５（ ｂ） ） 可以看出， 加装导流板后， 中冷器附近的流速有所下降。散热器后方的温度从 １１５． ４２ ℃ 降低到了 １１３． ７４ ℃ ， 降低了机舱内高温部位的温度，提高了散热性能。

经过一维计算， 加装导流板后的中冷常数满足了要求， 改进前后参数的计算结果如表 ５ 所示。由表 ５ 可知， 中冷器的流量明显增加， 回流量明显减少。该改进方案在满足 ＡＴＤ 值的要求下， 将中冷常数从 ２８ ℃ 降低到 ２１ ． ３１ ℃ ， 提升了中冷器的冷却性能。

表 ５ 改进前后参数的计算结果

５ 结论

１） 运用三维 ＣＦＤ 方法对某越野车发动机舱进行了流场与温度场仿真分析， 确定了舱内存在的高温热害部位， 得出中冷器附近的回流量较大。

２） 通过冷却系统的一维仿真， 结果表明：最大功率工况下的中冷常数值最不理想， 不符合工程要求。需要对机舱进行结构优化改进， 降低该工况下的中冷常数值。

３） 通过加装导流板的改进方案， 中冷器的流量有所增大， 回流量有所减少， 中冷常数从 ２８ ℃降低到 ２１ ． ３１ ℃ ， 提高了中冷器的冷却性能。

文献来源:

王良模,张啸天,王陶,等.某越野车发动机舱热管理分析与改进[J].重庆理工大学学报(自然科学),2023,37(10):9-16.