前端封装对发动机舱热环境可靠性研究

张馥荔，李义林

Zhang Fuli，Li Yilin

（长安汽车工程研究总院，重庆 401120）

前端封装对发动机舱热环境可靠性研究

张馥荔，李义林

Zhang Fuli，Li Yilin

（长安汽车工程研究总院，重庆 401120）

文中利用 STAR-CCM+软件，对比分析了高温热害工况和极寒工况下添加前端封装对发动机舱可靠性影响，通过相应试验进行验证。结果表明添加前端封装在高温热害工况下使得发动机舱零部件温度普遍升高，但均未超出温度限值。在极寒工况下对发动机舱温升能力及保温性能都有改善。

前端封装；发动机舱热环境可靠性；热害工况；极寒工况

0 引 言

目前市面上部分汽车发动机舱冷却模块安装了前端封装，其主要目的有 3个：一是提升怠速空调效果，减少机舱空气热回流，降低怠速工况冷凝器进风温度，提高冷凝器散热能力，提升空调效果[1]；二是降低整车风阻，通过减少发动机舱进气量，从而达到降低整车风阻的目的；三是提升散热器散热量，通过提升格栅进气利用率，从而提升散热器的换热量[2]。

添加前端封装后，会对发动机舱热环境可靠性产生一定温度影响，体现在高温热害工况和极寒工况。在高温热害工况主要考察发动机舱各个有温度限值的零部件是否超出温度限值。在极寒工况主要考察发动机表面及缸盖内部温度分布，发动机升温、保温性能，避免油水蒸汽在缸盖处凝结而形成白色泡沫及机舱管路发生冰堵风险。

根据某发动机添加前端封装的实际问题，利用STAR-CCM+软件，分析高温热害工况和极寒工况下发动机舱温度分布影响情况，并通过相应试验进行验证，使发动机舱热环境可靠性满足相应要求。

图1 未添加前端封装

图2 添加前端封装

1 模型建立

1.1 几何模型

某车型前端冷却模块如图1所示，图2为在冷却模块前端添加了“前端封装”。前端封装的添加，会使机舱温度产生一定的影响。重点对高温热害工况和极寒工况下发动机舱的可靠性进行分析，高温热害工况不能超过零部件的温度限值，极寒工况不得使机舱的升温保温能力变差。

1.2 计算区域及网格模型

利用STAR-CCM+软件前处理功能，可以快速生成求解所需要的体网格。按发动机舱热管理仿真分析规范进行建模及网格划分，发动机舱各个零部件基本保留，在计算敏感区域，如冷却模块、发动机舱和整车等进行加密，达到提高计算精度的目的，CFD的计算精度在很大程度上依赖于所生成网格的质量[3]。冷凝器和散热器芯体采用结构化网格，如图3所示，网格总数为15万，风扇区域体网格模型选择多面体网格（Polyhedral），体网格数量为90万，图4为整车网格模型，最终生成的体网格总数为758万。

图3 冷却模块前端网格模型

图4 整车热管理网格模型

1.3 计算条件设置

由于发动机舱空气密度变化不大，可近似为常数，模型选用不可压缩定常流，湍流模型选用k-ε模型，并在壁面附近的粘性层中采用壁面函数法，空间离散采用二阶迎风差分格式[4]。

模型采用速度入口边界条件，其中 x、y、z方向速度均为零，出口为压力出口边界条件，相对压力为零。冷却模块设置为多孔介质，采用Darcy定律设定相应的阻力特性，冷却模块内部结构化网格与主流区外部多面体网格用 interface连接。风扇选用MRF模型，风扇内部多面体旋转区域与主流区外部多面体网格用 interface连接，其余边界均采用不可滑移壁面（Wall）。

2 分析结果对比

2.1 高温热害工况分析结果对比

如图5和图6所示，添加前端封装后，机舱上部缸盖罩、左侧空滤器附近以及右侧悬置附近零部件温度普遍升高，而下部油底壳和后悬置附近零部件温度有所下降。添加前端封装后油底壳附近气流速度增大，如图7和图8所示，这也是油底壳附近温度降低的原因。

图5 原状态机舱温度分布云图

图6 添加前端封装机舱温度分布云图

图7 原状态机舱气流速度分布云图

图8 添加前端封装机舱气流速度分布云图

机舱零部件温度变化情况如图9所示，可以看出，机舱大部分零部件温度普遍升高，升高幅度最大的是启动电机表面，上升了3.7 ℃，但并未超过温度限值。油底壳及后悬置温度下降，降幅最大的是后悬置，下降了9.8 ℃。

点火线圈表面最高温度从 99.5 ℃上升到99.9 ℃，上升了0.4 ℃。如图10和图11所示。

图9 机舱零部件温度变化

图10 原状态点火线圈温度分布云图

图11 添加前端封装点火线圈温度分布云图

右悬置表面最高温度从94.7 ℃上升到97.1 ℃，上升了 2.4 ℃。如图12和图13所示。

图12 原状态右悬置温度分布云图

图13 添加前端封装右悬置温度分布云图

前氧传感器接插件表面最高温度从 106.4 ℃上升到107.0 ℃，上升了0.6 ℃。如图14和图15所示。

图14 原状态前氧传感器接插件温度分布云图

图15 添加前端封装前氧传感器接插件温度分布云图

压缩机端盖表面空气最高温度从94.3 ℃上升到95.4 ℃，上升了1.1 ℃。如图16和图17所示。

图16 原状态压缩机端盖温度分布云图

图17 添加前端封装压缩机端盖温度分布云图

油底壳表面最高温度从 140.5℃下降到136.3 ℃，下降了4.2 ℃。如图18和图19所示。

图18 原状态油底壳温度分布云图

图19 添加前端封装油底壳温度分布云图

2.2 极寒工况分析结果对比

添加前端封装后发动机缸盖表面温度普遍升高，如图20和图21所示。

图20 原状态发动机缸盖表面温度分布云图

图21 添加前端封装发动机缸盖表面温度分布云图

表1 发动机平均温升和总进气量变化情况

添加前端封装后发动机平均温度上升0.98 ℃，发动机的总进气量减少29%，见表1。可见添加前端封装有利于发动机的升温保温性能。

将发动机从上到下等分成18份，考察发动机z向温升。如图22所示。

图22 发动机z向等分

从图23计算结果可以看出，添加前端封装后缸盖罩、缸盖处温度比原状态上升，且发动机 z向温差比原状态缩小，可见，添加前端封装有利于发动机的升温保温性能。

图23 添加前端封装后发动机z向温升对比

3 试验对比

3.1 高温热害工况试验结果对比

在环境舱做高温热害工况对比试验，温度40 ℃，相对湿度50%，日照1 000 W/m2。

添加前端封装前、后机舱零部件试验结果对比如图24所示。从试验结果可以看出，机舱零部件温度普遍上升，升高幅度最大的是电子节温器线束，上升了4.3 ℃，并未超过温度限值。油底壳及后悬置温度下降，降幅最大的是后悬置，下降了7.1 ℃。环境舱试验结果和CAE计算结果较吻合。

图24 机舱零部件热害试验结果对比

3.2 极寒工况试验结果对比

在环境舱做极寒试验，温度-30 ℃。缸盖罩布点如图25～29所示。

图25 缸盖布点示意图1

图26 缸盖布点示意图2

图27 缸盖布点示意图3

图28 缸盖布点示意图4

图29 缸盖布点示意图5

添加前端封装前、后机舱布点位置最高温度上升值如图30所示。

图30 机舱布点位置最高温度上升值

由图30试验结果可以看出，添加前端封装后缸盖内部最高温度普遍比之前高1.7～39.4 ℃。缸盖周围、缸体、油底壳空气及机油温度普遍比之前高2.3～41.2 ℃。

图31 机舱布点位置降温时间加长值

添加前端封装前、后机舱布点位置降温时间加长值如图31所示。

由图31试验结果可以看出，添加前端封装后缸盖内部7个点从最高温度降到0 ℃的时间比原状态加长2.20～13.92 min。水温从最高温度降到0 ℃的时间比原状态加长22.52 min。油温从最高温度降到20 ℃的时间比原状态加长1.13 min。

4 结 论

出于提升怠速空调制冷效果、降低整车风阻和提高散热器散热量的需求，文中根据某发动机添加前端封装的实际问题，利用 STAR-CCM+软件，分析了高温热害工况和极寒工况下发动机舱温度分布影响情况，并通过相应试验进行验证，得出添加前端封装在高温热害工况下使得机舱零部件温度普遍升高，但均未超出温度限值。在极寒工况下对发动机舱升温能力及保温性能都有改善，使发动机舱热环境可靠性满足相应要求。

[1]丛龙笑，孙鸿飞. 汽车前端热回流对牢调降温的影响[J]. 中国科技博览，2015（23）：213.

[2]袁侠义，彭丽娟，陈林，等. 某SUV车型前端结构对冷却模块风量和内流阻力的影响分析[J]. 汽车技术，2015（7）：4-9.

[3]傅德薰，马延文. 计算流体力学[M]. 北京：高等教育出版社，2004：196.

[4]王福军. 计算流体力学分析[M]. 北京：清华大学出版，2004.

U463.83

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2016.05.007

1002-4581（2016）05-0022-06

2016-04-15