论文部分内容阅读
[摘 要]本文主要针对汽车发动机舱热管理展开思考，探讨了汽车发动机舱热管理的原理和具体的管理策略和方法，并对其存在的一些不足之处进行了总结，提出了改进措施。
[关键词]汽车，发动机舱，热管理
中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）23-0097-01
前言
在汽车的管理工作中，汽车发动机舱热管理是一个非常关键的环节，必须要针对热管理提出更好的建设意见，改进方案中的一些问题，才能够提升汽车发动机舱热管理的效果。
1、汽车发动机舱的研究现状
汽车发动机舱类似一个半封闭的空间，舱内包括了发动机、冷却系统、进排气系统、传动装置、空调以及液压设备等部件，各部件在热环境内相互影响，使发动机舱内空气的流动和传热过程非常复杂，舱内气流的分离和旋涡的紊流也会影响汽车的气动阻力。VivekKumar用CFD结合流体网络模型的方法，把整个区域划分成不同的气流通道，求解一维质量和动量守恒方程得到风量与压力的分布；该方法可缩短CFD技术求解时的迭代时间。RobertD等采用高效的电子水泵和电子风扇设计了多风扇布置型式的冷却系统，高速公路车载试验的燃油量减少了5.3%～8.6%。国内研究人员从智能化的发展方向提出风扇和水泵功率分配的控制策略，采用主动抗扰控制算法节约总能耗。同时，对发动机舱紧凑的内部结构进行优化布置，以减少流动损失为目的重新设计前格栅和热交换器；为了避免逆向流动优化各部件之间的空间距离。
随着我国的工业化的快速推进，国家对环境保护的重视程度日益提高。国家工业和信息化部也出台了《乘用车燃料消耗量限值》及《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》来进一步加严乘用车燃料消耗限值，从2017年1月开始执行。所以车辆燃油经济性的进一步提高显得迫在眉睫。
在汽车设计过程中，发动机舱的散热效果往往只评价散热器的综合性能或散热器与风扇的匹配，现有的检测设备很难全方位地测量发动机舱内部的传热传质过程；仿真计算已成为发动机舱设计过程中必不可少的环节，它不受风洞实验中边界效应或边界干扰、支架干扰、相似条件不能满足等的限制。因此，本文针对一款大客车发动机舱，建立已安装发动机、风扇、散热器、冷凝器、发动机等零部件的整车模型，设定参数及模拟发动机舱内流体轨迹和流动特点，并对比发动机舱的结构布置在改进前后的冷却效果。
2、性能分析
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。
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：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。
2.3 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。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。
3、成本优化
3.1 成本优化
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。
3.2 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，進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。
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，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。
4、结束语
综上所述，在明确了汽车发动机舱热管理的要求的前提下，我们才能够真正做好管理工作，同时，针对管理的需求和管理的对策，让热管理工作更加富有成效。
参考文献
[1] 谢辉，康娜.重型柴油机冷却风扇和水泵的功率分配对热管理系统总能耗的影响[J].天津大学学报（自然科学与工程技术版），2015，48（3）：225.
[2] 肖能，王小碧，王伟民，等.前扰流板对机舱进气量和车辆气动阻力的影响研究[J].汽车工程，2016，36（10）：125.
[关键词]汽车，发动机舱，热管理
中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）23-0097-01
前言
在汽车的管理工作中，汽车发动机舱热管理是一个非常关键的环节，必须要针对热管理提出更好的建设意见，改进方案中的一些问题，才能够提升汽车发动机舱热管理的效果。
1、汽车发动机舱的研究现状
汽车发动机舱类似一个半封闭的空间，舱内包括了发动机、冷却系统、进排气系统、传动装置、空调以及液压设备等部件，各部件在热环境内相互影响，使发动机舱内空气的流动和传热过程非常复杂，舱内气流的分离和旋涡的紊流也会影响汽车的气动阻力。VivekKumar用CFD结合流体网络模型的方法，把整个区域划分成不同的气流通道，求解一维质量和动量守恒方程得到风量与压力的分布；该方法可缩短CFD技术求解时的迭代时间。RobertD等采用高效的电子水泵和电子风扇设计了多风扇布置型式的冷却系统，高速公路车载试验的燃油量减少了5.3%～8.6%。国内研究人员从智能化的发展方向提出风扇和水泵功率分配的控制策略，采用主动抗扰控制算法节约总能耗。同时，对发动机舱紧凑的内部结构进行优化布置，以减少流动损失为目的重新设计前格栅和热交换器；为了避免逆向流动优化各部件之间的空间距离。
随着我国的工业化的快速推进，国家对环境保护的重视程度日益提高。国家工业和信息化部也出台了《乘用车燃料消耗量限值》及《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》来进一步加严乘用车燃料消耗限值，从2017年1月开始执行。所以车辆燃油经济性的进一步提高显得迫在眉睫。
在汽车设计过程中，发动机舱的散热效果往往只评价散热器的综合性能或散热器与风扇的匹配，现有的检测设备很难全方位地测量发动机舱内部的传热传质过程；仿真计算已成为发动机舱设计过程中必不可少的环节，它不受风洞实验中边界效应或边界干扰、支架干扰、相似条件不能满足等的限制。因此，本文针对一款大客车发动机舱，建立已安装发动机、风扇、散热器、冷凝器、发动机等零部件的整车模型，设定参数及模拟发动机舱内流体轨迹和流动特点，并对比发动机舱的结构布置在改进前后的冷却效果。
2、性能分析
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。
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：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。
2.3 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。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。
3、成本优化
3.1 成本优化
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。
3.2 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，進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。
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，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。
4、结束语
综上所述，在明确了汽车发动机舱热管理的要求的前提下，我们才能够真正做好管理工作，同时，针对管理的需求和管理的对策，让热管理工作更加富有成效。
参考文献
[1] 谢辉，康娜.重型柴油机冷却风扇和水泵的功率分配对热管理系统总能耗的影响[J].天津大学学报（自然科学与工程技术版），2015，48（3）：225.
[2] 肖能，王小碧，王伟民，等.前扰流板对机舱进气量和车辆气动阻力的影响研究[J].汽车工程，2016，36（10）：125.