肖飞;唐荣江;张淼;童浙;陆增俊;李申芳
【摘 要】针对某商用车发动机冷却系统不合格问题,使用CFD软件对卡车发动机流场进行分析,并通过对进风温度的监测,确定热风回流是导致水温不合格的主要因素.通过对发动机舱的结构分析,对其不合理之处进行改进优化,并进行实验验证,结果表明,优化改进后冷却常数K值(℃)由65.1℃降至56.8℃,有效地提升了发动机冷却性能. 【期刊名称】《装备制造技术》
【年(卷),期】吊装工具2018(000)006
【总页数】4页(P9-12)
【关键词】冷却系统;优化改进;热风回流;数值模拟
【作 者】肖飞;唐荣江;张淼;童浙;陆增俊;李申芳
【作者单位】东风柳州汽车有限公司商用车技术中心,广西 柳州545005;东风柳州汽车有限公司商用车技术中心,广西 柳州545005;桂林电子科技大学,广西 桂林541004;桂林电子科技大学,广西 桂林541004;桂林电子科技大学,广西 桂林541004;东风柳州汽车有限公司商用车技术中心,广西 柳州545005;桂林电子科技大学,广西 桂林541004
【正文语种】中 文
【中图分类】U464.12
0 前言
冷却系统是发动机的重要组成部分，汽车发动机舱是个半封闭的空间，对温度场的要求特别高，一方面舱内各种材料的零件如橡胶件、线束对温度有一定的要求；另一方面发动机本身需要适当的散热，以保证在各种工况下都具有最佳的动力性和经济性[1]。散热器是一个散热装置，上面布置着很多的散热片，通过这些散热片将热量从水传递到空气中。为了加快散热器的散热速度，风扇在这里起到了很关键的作用，通过风扇的转动，加速了空气流经散热器的速度，从而加快了散热器的散热速度。在此经过冷却的水再次被水泵送进发 动机缸套中，由此不断循环，控制发动机的温度过高。而当空冷器排出的热风，其中一部分又被风机抽吸至空冷器的入口，此现象称之为热风回流（也称热风再循环）[2]。
无数字签名
针对某款国产卡车机型散热不合格问题，使用CFD软件对发动机舱冷却系统流场进行仿真模拟。通过仿真模拟出问题产生的原因，对其冷却系统进行分析和优化，并对整改措施进行实验验证。
1 问题描述
某国产商用车在以1 300 r/min发动机负荷100%为基准，环境温度为33.3℃下进行拖车实验，经过测试发现发动机出水温度为98.4℃，进水温度为89.6℃，液气温差为65.1℃，极限许用环境温度为40.6℃，冷却系统不合格。
线路模拟器
对散热器水箱进风面温度进行测试，本次测试在环境温度为32.8℃，发动机达到最大扭矩工况之下测试水箱进风面的温度，从车头往后看，水箱进风面的温度如图1所示。
图1 水箱进风面的温度
从图可以看出，水箱进风面温度相对环境温度都超过了30℃，说明冷却系统存在着很大的热分回流。在某些情况下，热风回流使冷却风扇的空气温度增加5℃，就会使散热器的传热量降低30%，严重影响散热器的传热性能，降低机组的经济性，有时会导致机组背压大幅波动而使机组停运[3]。
2 数值分析
2.1 理论基础
本文以空气的流动为研究对象，质量守恒定律是任何流体运动都需要满足的一个基本方程。按照这一定律，可以得出质量守恒方程：
动量守恒定律是描述流体运动的一个基本定理。该定律是牛顿定律的推论，但应用的研究领域更加广泛。按照这一定律，可导出动量守恒方程：
羽毛球发球机式中：ρ为空气密度；μ为流体动力粘度；u为速度矢量。
该模型以k-ε模型为基础，湍流动能k方程：
实物展示台
湍动能耗散方程：
式中：Gb为气流引起的湍流动能；GK为速度梯度引起的湍流动能；YM为湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；ε为湍流动能耗散率，为湍流有效黏性系数；ρ为空气密度；C1ε、C2ε为参考常数，取 1.6 和 1.5[6].σk、σε为湍流动能及其耗散率的湍流普朗特数，取1.1和1.3.
2.2 模型的建立
本文通过三维CAD软件CATIA建立冷却系统和发动机舱几何模型，内机构复杂零件众多，需要耗费大量时间进行网格划分，这不符合实际工程要求。在工程分析时需要对模型进行简化处理[5]，只保留底盘、发动机、进气系统、散热器、中冷器、车架、车轮、水箱等主要零部件，如图2所示。
图2 发动机舱简化模型
2.3 边界设定与网格划分
通过ANSYS对几何模型进行流场模拟，发动机舱内流场，采用 RNG k-ε模型，稳态不可压
缩流体；定义以下边界条件：（1）车辆正方向端面为入口边界，风速为行驶车速12 km/h（.2）出口为压力边界条件，车身后端面为出口边界，压强为 0Pa（3）环境温度25℃，空气密度1.185 kg/m3.整个流体三维计算区域为长105 m，宽15 m，高16 m，理想的风洞模型为：车身前方留5倍车长，车身后方留10倍车长，车身上方留5倍车高，车身侧面留5倍车宽，网格类型为多面体网格，边界层3层，总厚度2 mm，总网格数量约3 110千万个。划分网格时在进气管附近进行局部加密，最小尺寸为5 mm，以提高收敛性和加快运算速度[6]。如图3所示。
图3 模型三维计算区域
2.4 仿真结果分析
流场模拟如图4所示，不难发现，左方和上方回风严重，从车前向后看，风扇顺时针旋转，将风经护风罩导风后，流向发生改变，一部分直接沿车架回流，一部分打到发动机挡泥板上。
图4 冷却系统流场模拟
降压散
由流场图可以看出，气流从中冷器吹向散热器，流场风向与实验风向一致；当仿真结果收敛以后，液气温差仿真值为67.2℃，仿真值与实测值相对误差为3.23%，仿真结果精度较高。
3 冷却系统的优化及改进措施
3.1 更换风扇
风扇的扇风量主要与风扇的结构形式、直径、转速、转速、叶片形状、叶片安装角及叶片数目有关[7]。针对散热器散热能力基本满足使用要求的特点，考虑到尽量使用现有生产制造工艺，决定先采用改变风扇的叶片数目的方法，增大风扇的扇风量。
由于发动机振动过大，风扇和护风罩运动干涉，所以加大护风罩直径，减少对高速运转的风扇干扰，原护风罩孔直径717 mm，如图5（c）所示，现选护风罩孔直径为730 mm，如图5（d）所示。原状态风扇的投影宽度为69 mm，由于风扇的安装空间十分狭窄，风扇的投影宽度不能大于75 mm，否则风扇距离发动机太近；雪龙、霍顿都没有小叶宽的风扇，选择了采购推荐的河北纳州的7叶和9叶风扇，进行试验。原风扇和原护风罩以及修改后的如图5（a）、（b）所示。
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