客车后置发动机舱热管理研究与改进

摘 要： 为了系统地研究客车发动机舱内空气的流动与传热，采用汽车外流场与发动机舱内流场耦合计算的方法，分析客车发动机舱内风速流动组织，并对比改进前后气体流线和高温区域分布。结果表明，增加挡板的设计使机舱内循环流动的区域变小，有效地隔阻发动机的热量传到散热器，改进后的机舱布置满足整车使用要求，为客车开发中的发动机舱热管理研究与改进提供了参考数据。

关键词： 发动机舱； 仿真分析； 温度分布； 涡流分析

中图分类号： TN305.94⁃34； U464.138 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2016）14⁃0124⁃03

Investigation and improvement on postposition engine compartment thermal management of bus

YE Zibo1， XIAO Guoquan2， LIAO Jun3

（1. Guangdong Polyphonic Normal University， Guangzhou 510635， China； 2. South China University of Technology， Guangzhou 510641， China；

3. Shenzhen Bus Group Incorporated Company， Shenzhen 518036， China）

Abstract： In order to carry out a detailed research into airflow and heat transfer in engine compartment of bus， a mathematical approach coupling outflow field of the bus and inner flow field in the engine compartment is used to analyse the air flow organization in the engine compartment， and compare the air flow line and high⁃temperature area distribution before and after the improvement. Results show that the design of adding a baffle can decrease the circular flow area in engine compartment of bus and isolate the heat transfer from the engine to its radiator effectively. The improved layout of the engine compartment can meet the requirements of the bus and provide a reference for thermal management and improvement of the engine compartment of the bus.

Keywords： engine compartment； simulation analysis； temperature distribution； turbulence analysis

0 引 言

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[1]，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。Vivek Kumar用CFD结合流体网络模型的方法[2]，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。Robert D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[3]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[4]。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[5⁃6]。

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。

1 发动机舱热管理的仿真计算

舱内的空气流动情况和温度分布对整车热管理至关重要。若舱内存在旋涡或空气流动死区，就会造成热量的堆积。这些热量堆积如果发生在耐高温程度较差的部件附件（例如塑胶电线），就可能造成部件的损坏，严重还会发生自燃。

1.1 几何模型

在客车车身的模型内建立发动机舱的几何模型，为了保证计算的准确性，模型包括车身的进气格栅[7]、发动机、涡轮增压器、消声器、空调、散热器、车轮等，如图1、图2所示。对流动影响不大的油管、水管和电缆等做适当的简化处理。

1.2 边界条件、单元区域条件和物理模型

边界条件是一个物理方程在区域边界上的值。本模型包含三种流动边界条件（速度进口、压力出口、壁面）、两种换热边界条件（热通量、温度）、多孔介质边界条件、风扇边界条件，其中假设风扇模型无限薄、空气通过风扇的压升是气流速度的函数，表达式为[Δp=2 300-86v+8v2-0.2v3]；设置散热器和中冷器的进风面为多孔介质边界，参数如表1所示；设置发动机、变速箱、增压器、三元催化器、电池等零件的表面温度边界条件，如表2所示。在单元区域条件的选项中把水箱散热器和中冷器设置成恒功率源区域，其值分别为650 kW/m3和150 kW/m3。

在FLUENT中选择基于压力（Pressure⁃Based）的求解器，其应用范围覆盖从低压不可压缩流体到高速压缩流体，求解过程灵活。在压力⁃速度耦合的求解方法中选择半隐式连接压力方程算法（SIMPLE），这种算法能更快地得到收敛值。两方程[k-ε]模型被广泛应用于汽车绕流问题中，其中Realizable [k-ε]能准确模拟壁面形状变化剧烈的汽车表面的流动分离和流场中的湍流。湍流模型包括三种壁面函数：标准壁面函数、非平衡壁面函数和增强壁面函数，考虑到客车车身及其发动机舱内存在的回流和冲击等复杂气体运动，采用适用于压力梯度变化迅速的非平衡壁面函数。

2 结果与分析

2.1 发动机舱空间流线分析

空气从地面与车身间的空隙绕过车轮上表面进入发动机舱左侧，从机舱右侧流出，如图3（a）所示，由于冷却风扇的抽吸作用，发动机表面的空气经过中冷器和散热器，从机舱底部、车身右格栅和后格栅流出，其中从后格栅左侧分流的气体垂直于地面上升，到达一定高度后成水平状；从后格栅右侧分流的气体成螺旋状涡流。部分气体分流从沿机舱顶部至排气管侧形成循环流动，见图3（b） ，不利于发动机表面的散热；而且油底壳的气体被引至进气管侧，然后到达水箱散热器，这会增加进气温度和散热器负荷。

2.2 发动机舱散热分析

图4是垂直于z轴、温度高于70 ℃的空气温度分布云图，截面高度在接近于从增压器至中冷器管道的下方，在此截面高温区域不在发动机排气管一侧，而在发动机缸盖至左格车身和散热器至车身尾部的部分区域。结合图5所示的空气速度分布来看，这是由于发动机排气管侧的热量被旋转的气流带至左侧车身，同时设置成恒温的管路也加热气流。气流在风扇出口处加速，然后在整个发动机舱内部逆时针旋转，左侧格栅与中冷器前端的区域存在小范围的涡流，而且在风扇出口处的上方由于压力升高造成气体回流。

2.3 结构改进

从原车型的流场仿真计算可知，客车发动机与散热器的并排布置使得机舱气流形成大涡流，甚至靠近右侧车身的电机热量也被气流带至车身左侧，为了增加水箱散热器的冷却效果，在水箱和发动机之间增加一块金属挡板，经FLUENT迭代计算后的气体流线如图6所示。

从图6（a）可看出，由于金属挡板的存在，空气在发动机舱内未形成大面积的涡流，经过缸盖和增压器泵轮的流体会形成小区域的涡流，随后沿右侧车身高速流出；如图6（b）所示，部分气流从车底流向左侧车身格栅，再通过水箱散热器和车身尾部向下流出，从后舱门格栅流出的空气不多，未充分发挥后舱门格栅散热的作用；但与无挡板的机舱设计相比，大部分气流没有在发动机舱内形成循环流动，有利于发动机高温零件的散热。

图7是y和z截面上的气体流速矢量图，空气从左侧舱门格栅高速流入，在挡板壁面附近气流加速，致使舱内上部空间和下部空间都形成明显的涡流；气流进入发动机一侧时速度降低，主要向车底流动。由于风扇的泵吸作用，在垂直于z轴平面空气从左侧格栅高速流向后舱门方向，在靠近电池处有涡流，新鲜冷却空气的进入有助于电池的散热；由于风扇罩与左侧车身之间有缝隙，气流在该缝隙处有回流。图8是与图4同一高度位置的温度高于70 ℃的空气温度分度云图，高温区域转移到缸盖附近，散热器附近的高温区域大幅度消失，这是由于高温区域的分布与气体流动轨迹有关，同时增加挡板后机舱内的高温气流从车底流出或进入车身左侧格栅和散热器，而不是从高温的发动机上方进入散热器。

3 结 论

在风扇的抽吸作用下大部分气体在原型车的机舱内循环流动，散热风扇出口处的上方有回流；高温气体分布在增压器至中冷器和散热风扇附近，不利于降低进气温度和散热器负荷；发动机和散热器之间的挡板改变机舱内的气流组织，机舱内循环流动的区域变小，同时进入车身左侧格栅形成的涡流有助于电池散热；机舱内高温区域主要分布在发动机缸盖上方，流经机舱高温元件的气体大部分从车底流出，增加挡板的设计能有效隔阻发动机的热量传到散热器，提高散热器的冷却效果。

参考文献

[1] ALLEN D J， LASECKI M P. Thermal management evolution and controlled coolant flow： 2001⁃01⁃1732 [R]. USA： SAE， 2001.

[2] KUMAR Vivek， KAPOOR Sangeet， ARORA Gyan. A combined cfd and flow network modeling approach for vehicle underhood air flow and thermal analysis： SAE 2009⁃01⁃1150 [R]. USA， SAE， 2009.

[3] CHALGREN R D， Jr， ALLEN D J. Light duty diesel advanced thermal management： SAE 2005⁃01⁃2020 [R]. USA： SAE， 2005.

[4] 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⁃233.

[5] 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，2014，36（10）：1254⁃1257.

[6] 李毅，董琳，张延静.电子风扇与散热器距离匹配的试验研究[J].装备制造技术，2012（9）：3⁃4.

[7] 王晶，张成春，张春艳，等.客车侧围格栅对发动机舱内热环境的影响[J].吉林大学学报（工学版），2012，42（3）：563⁃568.