汽车下护板对发动机舱散热性能的影响

王东 陈嘉羲

摘要：

为提高汽车发动机舱的散热性能，通过计算流体力学数值仿真研究汽车下护板对整车散热性能的影响。研究表明：在高速工况下，增加下护板后格栅和冷却模块进气量增加；在高负荷工况下，下护板可改善发动机舱的空气温度分布形态。下护板开口可增加冷却模块进气量，不开口时舱内温度较低，所以在整车设计时应综合考虑散热量和热害。下护板能明显减少风阻，但开口会减弱其效果，因此设计时应多方面考虑。

关键词：

下护板； 发动机舱； 计算流体力学； 冷却模块； 热害； 风阻

中图分类号： U463

文献标志码： B

Influence of bottom panel on engine cabin

heat dissipation performance

WANG Dong， CHEN Jiaxi

（

School of Automotive Studies， Tongji University， Shanghai 201804， China）

Abstract：

In order to improve the heat dissipation performance of automobile engine cabin， the numerical simulation of computational fluid dynamics is conducted to study the effects of bottom panel on the cooling performance of the vehicle. The research shows that， under highspeed conditions， the intake air volume of the grille and cooling module is increased after installing the bottom panel； under high load conditions， the bottom panel can improve the air temperature distribution pattern of the engine cabin. The opening of the bottom panel can increase the intake volume of the cooling module while the temperature in the engine compartment is lower without it. Therefore， the heat dissipation and heat damage should be comprehensively considered in the design of the entire vehicle. The bottom panel can also significantly reduce the wind resistance， but the opening can weaken the effect， so it should be considered from many aspects.

Key words：

bottom panel； engine cabin； computational fluid dynamics； cooling module； heat damage； wind resistance

0 引 言

汽車发动机下护板能有效防止托底对发动机、变速箱和其他部件的损伤。这些部件的外壳多由铝合金材料制成，强度不高，一旦发生托底事故，容易造成壳体变形，甚至发生损坏，导致润滑油泄漏。底盘护板具有很好的降阻整流效果，能提高车辆的高速操纵稳定性。[12]面对日益严格的排放标准，安装下护板也是整车厂采取的节能措施之一。

整车热管理技术是21世纪汽车发展的关键技术之一，也是汽车行业实现节能减排要求的途径之一。发动机舱内气体流动和热环境十分复杂，舱内高温部件散热受到空气流动阻力的影响，会引起舱内温度过高，直接影响汽车的动力性和燃油经济性，影响碳排放。[35]计算流体力学方法可以有效解决整车冷却问题，缩短开发时间，降低开发成本。[67]PATIDAR等[8]研究发现，冷却气体回流是导致发动机舱过热的主要原因。加装发动机下护板后，舱内零部件布置形式会影响发动机舱内的气体流动和传热。[9]

当前研究结果表明，前端冷却模块计算流体力学分析的准确度较高：怠速工况误差在4%以内，高负荷工况误差在7%以内，高速工况误差在10%以内。[10]本文基于整车模型，模拟发动机下护板对发动机舱散热性能的影响，保留发动机舱内的主要零部件和细节特征，通过三维计算流体力学仿真进行对比分析，在设定工况的边界条件下，研究发动机下护板的开口面积对整车散热性能的影响。

1 模型建立和计算方法

1.1 模型确定

所有工况均基于同一网格进行，仅改变边界条件模拟不同工况，可基本消除网格因素的影响。

对整车模型进行散热性能分析会受到外流场的影响，因此建立适用于外流场的计算域。计算域尺寸为10倍车长、5倍车宽、3倍车高（见图1），网格划分采用四面体非结构网格，网格数量约为919万个。

提出3种下护板开口仿真方案，开口面积分别为0（整面）、12%、24%，均通过改变壁面的interior实现，不会对网格数量及拓扑结构造成明显影响，保证其收敛条件一致。

发动机舱无下护板及3种下护板底视图见图2。

1.2 网格无关性

由于网格数量对计算结果影响较大，因此须对网格无关性进行验证。分别对

网格数量

为919万、1 109万、1 344万、1 498万和1 605万个的冷却模块进气量和格栅进气量进行对比分析，见图3。由此可知，919万个网格的计算结果与1 605万个网格的计算结果差别较小，故选择计算网格数量为919万个。

1.3 计算模型

计算域采用速度入口和压力出口；湍流模型采用可实现的kε模型，此模型较适合汽车发动机舱热管理的数值计算[11]；冷凝器、中冷器和散热器均设为多孔介质；风扇部分采用MRF模型；热交换模型采用传热单元数法（NTU模型）；辐射模型采用S2S模型。

2 仿真结果分析

发动机下护板对散热性能的影响主要体现在对气流的引导和阻碍方面。选择怠速工况、高负荷工况（10%坡度爬坡）和高速工况作为对比分析的特征工况[12]，其对应车速分别为3.6、36.0和108.0 km/h。在高速工况下风扇转速为500 r/min，

在怠速工况和高负荷工况下风扇转速为2 500 r/min（见表1）。数值模拟采用的温度边界条件见表2。

2.1 下护板对发动机舱散热性能的影响

2.1.1 对格栅进气量的影响

发动机下护板可改变整车发动机舱的内流场和外流场，有、无下护板格栅进气量对比见图4。在怠速和高负荷工况时，无下护板的格栅比有下护板的进气量稍多，但增加量很少，可认为基本一致。在高速工况下，有下护板的格栅比无下护板时进气量明显增加（增加0.24%）。由此可知，有、无下护板对怠速和高负荷工况下的格栅进气量没有影响，但在高速工况下增加下护板会对格栅进气量的提高有一定作用。

2.1.2 对前端冷却模块进气量的影响

前端冷却模块进气量直接决定发动机的散热能力，有、无下护板冷却模块进气量对比见图5。在怠速工况下，有、无下护板对前端冷却模块的进气量基本没有差别，但在高速工况下，加装下护板后冷却模块的进气量增加1.2%。

以左风扇中心截面为研究对象，在高速工况下有、无下护板发动机舱压力分布见图6。

下护板将发动机舱内部与车底的压力场（灰圈部位）分割开，使风扇与发动机之间（黑圈部位）的压强比无下护板时低，冷却模块前后压力差更大，冷却模块进气量增加。同时，由于舱内压力低，气流流向正对发动机排气歧管，带走更多热量，可改善发动机舱热害。因此，加装下护板后，在怠速工况和高负荷工况下并不会对发动机的散热能力有较大影响，但在高速工况下，增加下护板时效果更好。

2.1.3 对发动机舱热分布的影响

选择热害最严重的高负荷工况，分析下护板对发动机舱热分布的影响，发动机舱内部件表面最高温度见表3。安装下护板后，舱内压力降低，导致电池和压缩机表面的最高温度均降低，使更多经过冷却模块上方的气流进入发动机舱内（见图7），此气流流向正对发动机排气歧管隔热罩，因此带走更多的热量，可降低隔热罩的温度（见图8），同时减少隔热罩辐射对其他零部件的影响。

2.2 不同开口面积对散热性能的影响

在下护板对发动机起保护作用的前提下，选择

开口面积分别为0、12%、24%，研究下护板不同开口面积对整车散热性能的影响。

2.2.1 對冷却模块进气量的影响

在怠速工况下，格栅进气主要是由于风扇的作用，且其距下护板较远，因此在怠速工况下不同下护板开口面积冷却模块进气量基本一致，见表4。

2.2.2 对发动机舱温度的影响

对比发动机舱不同部位零部件（以左侧的电池、前面的压缩机为例）表面的最高温度，选取热害最严重的高负荷工况进行分析，见图10。发动机舱不同部件表面的最高温度变化趋势与下护板开口大小

没有十分确定的关系，下护板不开口时，发动机舱内的温度最低。在高负荷工况下压缩机表面温度分布见图11，不同开口面积下，高温区域的大小不同，但整体温度分布形态一致，此时对发动机舱零部件温度影响最大的是排气歧管等高温部件的热辐射。

综合以上分析可知：如果在整车设计时发动机需要散热量较大，那么应在下护板上按照实际情况开口；相反，如果发动机舱内热害较严重，那么应设计为整面下护板。

2.3 下护板对汽车空气阻力的影响

增加下护板后空气阻力因数明显降低，且阻力因数随开口面积的增大呈上升趋势，见图12。下护板开口面积越大，汽车底部气流和发动机舱内气流压力变化越连续；无下护板时，整个区域气流压力连续变化，见图13。

3 结 论

下护板与热管理紧密相关，针对下护板对整车散热性能的影响进行计算流体力学仿真研究，得到以下结论：

（1） 在怠速和高负荷工况下，有、无下护板不会对发动机的散热能力产生较大影响，但在发动机对散热有一定要求的高速工况下，增加下护板后效果良好，冷却模块进气量增加1.2%。

（2） 针对热害最严重的高速工况，增加下护板后不会影响发动机舱的温度分布，但由于发动机舱内压力降低，会引入舱内更多冷却气流，降低排气歧管隔热罩的温度，减小其他零部件受其热辐射的影响，因此使某些零件表面最高温度有所降低。

（3） 下护板开口后，冷却模块进气量随着开口面积增大而增加，不开口时整个发动机舱热害有所减弱。在整车设计时，若发动机需要散热量较大，则应在下护板上按照实际需要开口；若发动机舱内热害较严重，则应设计为整面下护板。

（4） 增加下护板后，空气阻力因数明显降低，且阻力因数随开口面积的增大呈上升趋势。

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（编辑 付宇靓）