发动机冷却系统的热风回流分析与优化

肖 飞 ，唐荣江 ，，张 淼 ，童 浙 ，陆增俊 ，李申芳

（1.东风柳州汽车有限公司商用车技术中心，广西 柳州545005；2.桂林电子科技大学，广西 桂林541004）

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]。

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。通过仿真模拟找出问题产生的原因，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。

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：

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：

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

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。

图5 风扇和护风罩模型图

3.2 安装防热风回流挡板

使散热器的进风温度接近环境温度，合理布置散热器的进风口，提高散热器与车身、发动机舱接合处的密封性，能有效地阻挡和降低热空气回流。由于发罩及横梁阻挡产生回风，在散热器两边加装热风回流的防止板，如图6（a）所示，尽可能地减少热风回流。将左侧挡泥板卷起，如图6（c）所示，有利于风扇甩出的风从此处泻出。并通过软件对其进行仿真模拟，如图4所示。

图6 堵风和导风实验及仿真

由图6（b）可以看出，通过在散热器两侧增加挡风板，有效地减少了上方的热风回流；将左侧挡泥板卷起，从而风扇甩出的风从此处泄出，如图6（d）所示。由此可见，堵风和导风对热风回流有明显的改善效果。

3.3 加高水箱

水箱是水冷式发动机的重要部件，作为水冷式发动机散热回路的一个重要组成部件，能够吸收缸体的热量，防止发动机过热由于水的比热容较大，吸收缸体的热量后温度升高并不是很多，所以发动机的热量通过冷却水这个液体回路，利用水作为载热体传导热，再通过大面积的散热片以对流的方式散热，以维持发动机的合适工作温度。

本文通过加高水箱85 mm来增加水箱的容量来改进水箱的吸热量，从而更好的降低发动机的温度。

4 实验验证

通过上述一系列措施，提出三种改进方案对实验车辆再次进行热平衡实验，实验室时采用负荷拖车使发动机在标准工况下实验，方案一通过改用9叶风扇和改良风扇罩，方案二通过对发动机机舱急性堵风和导风，方案三在堵风和导风的情况下，再加高水箱85 mm和限扭1 500 N·m进行实验，实验数据如表1所示。

表1 实验测试结果

测得冷却系统在扭矩点时的冷却常数K（K=T出水-T环境）。极限环境使用温度T使用（T使用=T极限-（T出水-T环境）），当使用水作为冷却介质时：T使用为41 ℃[8]。

通过上述实验数据可知，更换风扇和护风罩并未使水温高问题有改善的趋势；通过对水箱四周进行防回风封堵，可以改善热风回流，但无法根治；水箱加高85 mm，进行导风和隔风；以及将发动机限扭至1 500 N·m，K值为56.8℃，有效了提高了发动机的冷却性能。

5 结论

本文通过对某商用车发动机冷却系统进行实验和仿真分析，发现热风回流是导致冷却系统不合格的主要原因。

根据发动机冷却系统空气流场特点，利用ANSYS平台对冷却系统性能进行仿真。对仿真结果与实验结果进行比较，仿真值与实验数据基本一致，说明本文的仿真可行。

为了解决热风回流问题，本文提出了三种解决方案。通过对三个方案进行实验验证，最终通过水箱加高85 mm，对发动机舱进行导风和隔风，以及将发动机限扭至1 500 N·m，结果表明，冷却常数降低了8.3℃，有效地提高了发动机冷却系统性能。