发动机舱热管理性能改进与成本最低化研究

齐凯，郑鑫，孔繁华，李飞（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）



发动机舱热管理性能改进与成本最低化研究

齐凯，郑鑫，孔繁华，李飞
（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

摘要：随着汽车业的迅猛发展，汽车性能品质越发提升，销售价格却连连降低。发动机舱热管理的改进研究不再停留对发动机舱热管理性能的改进提升，更加关注对研发成本的影响。高性能、低成本已经成为汽车业新时代发展的代名词。文章主要对发动机舱热管理的改进过程中，考虑优化成本因素，达到了既提升性能，又降低成本的目标。

关键词：发动机舱；热管理；高性能；低成本

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033

CLC NO.: U472.6Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-151-03

前言

随着人们生活水平不断提高，对发动机舱性能需求也越来越高，这将导致舱内零部件总数量不断增加，舱内空间变得越来越紧凑。在今日竞争激烈的汽车市场中，如何改进发动机舱热管理，提升发动机舱散热性能，同时又使成本最低化，逐步成为汽车厂提高整车性能的焦点。本文采用CFD模拟和热负荷试验相结合的方法，从理论分析到科学实践与工程实际，彻底地解决发动机舱热管理方面出现的问题。考虑到优化成本问题，合理的处理了性能与成本问题，提高了整车开发的优越性。

1、性能分析及优化

1.1流动与传热的基本方程组

动机舱热管理的仿真分析属于流动与传热范畴，通过计算流体力学的手段更好的解析发动机舱热管理问题，更加高效的针对热管理问题进行改进研究。

1.1.1质量守恒方程

质量守恒定律：单位时间内，流入微元体的净质量，与在同一时间间隔下，该微元体中流体质量的增量是相等的。由此可以得到质量守恒定律方程：

1.1.2动量守恒方程

动量守恒定律是任何流体系统都必须满足的，其定义为流体所受外界作用合力，等于流体微元的动量对时间的变化率。通过动量守恒定律，可以拆分出x、y和z三方向的分向动量守恒方程：

式中：p为微元体受的压力。

1.1.3能量守恒方程

在能量守恒方程中，变量为温度值的控制方程为：

式中：k为流体传热系数；T为流体温度；Cp为比热容；ST为剩余能量，即内部热源，与由于存在流体粘性作用，流体机械能转化为热能的部分能量的统称。

1.2性能分析

1.2.1模型建立

整车发动机舱热管理的模型与外流场分析模型一致。一般计算域设置为车前三倍车长，五倍车高，车后七倍车长，提高计算一致性，基本消除了阻塞效应的影响。整车模型，如图1所示。计算域模型，如图2所示。

图1　整车模型图

1.2.2仿真分析

本次仿真计算基于零部件供应商提供的冷却系统和发动机相关实验数据。通过计算高速、爬坡工况对发动机舱热管理分析，找到问题原因，探索解决方案及成本优化。仿真工况的相关内容如下：

工况一：风扇关闭，车速为最高车速，高速工况；

工况二：爬坡工况，风扇转数为2450rpm，车速为33.4km/h。

如表1所示，仿真系统计算出各个系统的进入量：

表1　散热系统进风量统计表　单位：kg/s

通过散热系统进风量统计表分析可知，高速工况下散热系统的进风量都没有满足设计目标值要求；爬坡工况下的散热器和中冷器进风量均无法满足设计目标值。这表明汽车在高速、爬坡工况下，发动机存在冷却液沸腾的风险。

1.3仿真优化

根据仿真分析可以通过增加导风板把从散热器上方泄露的气流拦截，进而增加散热器和冷凝器的进风量。同时，在中冷器上、下方增加导风板，增加中冷器进风量。为了避免气流从横梁两侧泄露，可以在横梁两侧增加导风板，进一步提高散热器和冷凝器的进风量，具体的优化方案见图3所示。

在反馈给设计部门关于增加导风板之前，先对增加导风板的效果进行仿真、评估。通过计算结果表明散热系统中所有进风量都有所提升，且各零部件的进风量都满足设计目标要求。其中，冷凝器的进风量效果比较明显，在一定程度上，可以提升空调性能，提高整车空调舒适性，表2为散热系统进风量。

图3　导风板所在位置示意图

表2　散热系统进风量统计表

2、成本优化

2.1成本优化

图3中描述了导风板形状数量和位置。将仿真优化好的导风板结构数据进行格式转换，反馈给设计部门，设计部门会根据导风板数据进行确认布置空间及结构细化工作。仿真优化的导风板一共6块，供应商反馈需要500元成本费用，由于项目成本的限制，需要重新优化导风板数量。

对所有挡风板计算分析：散热器导风板被优化，由于它的作用是增加进风量；横梁导风板可以考虑取消；中冷器导风板可以被取消。考虑仿真时间问题，仅对高速工况进行导风板组合优化，高速工况达标后，进行爬坡验证；相比前期优化，散热器和冷凝器进气量有所增加，中冷器进气量有所下降，但仍满足目标值；最终取消中冷器上导风板，节约成本100元，完成了成本控制的目标，散热系统进风量统计表如表3所示。

表3　散热系统进风量统计表

2.2仿真验证

发动机舱内空气流动状况与发动机舱散热息息相关。一旦散热系统的进风量不满足目标，将会影响散热系统的散热效率，进而导致发动机性能下降，甚至发动机冷却液沸腾。

散热器导风板拦截了气流，增加了冷却模块的进气量，通过增加中冷器下方的导风板，使得中冷器下方泄露的气流被拦截，从而增加中冷器的进风量。高速工况下，Y=-140mm对比流线，如图4所示。

图4　高速工况切面速度流线对比

爬坡工况下，散热系统的进风量主要是风扇旋转提供的，通过云图对比分析，导风板对散热系统的进风量影响不明显，如图5所示。

图5　爬坡工况切面速度流线对比

最终的导风板方案为：散热器、横梁两侧、中冷器下侧导风板。将最终导风板方案提交给设计部门，得到其认可，完成前期发动机舱流场仿真优化任务。

3、总结

通过仿真分析发现原车的散热系统进风量不满足散热性能目标，通过增加导风板的方法，使得散热系统进气量明显提升并达到散热目标要求。由于导风板存在成本控制，限制了其使用情况，故需在满足性能要求的前提下，对其方案进行降低成本。最后通过仿真分析及优化方案的选取，确定导风板最终优化方案，达到了即满足性能目标，完成了成本控制目标，而且通过流场分析，即验证了导风板的作用，又找出了在后期做温度场分析中需要关注的零部件，防止其出现温度过高现象，避免热害的发生。

参考文献

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Research on Improving the Thermal Management of the Engine Room and minimize the cost of production

Qi Kai, Zheng Xin, Kong Fanhua, Li Fei
( Brilliance automotive engineering research institute, Liaoning Shenyang 110141 )

Abstract:With the rapid development of the automotive industry, vehicle performance quality improved so fast, the sales price repeatedly lower. Research on improving the thermal management of the engine room not only stays on enhancing the performance improvements, more concerned about the impact of R&D costs. High-performance, low-cost automobile industry has become synonymous with the development of a new era. During the process of improvement the thermal management of the engine room, optimizing cost factors, to enhance both the performance and cost reduction goals.

Keywords:Engine room; Thermal management; High performance; Low cost

中图分类号：U472.6

文献标识码：A

文章编号：1671-7988（2016）05-151-03

作者简介：齐凯，就职于华晨汽车工程研究院。