某长头卡车后处理热防护控制

莫荣博,许恩永

(东风柳州汽车有限公司 商用车技术中心,广西 柳州 545005)

随着科技的发展和人民生活水平的提高,人们对卡车舒适性和安全性要求也水涨船高,同时伴随排放法规的升级、排放检测的重视,排气系统后处理器应用愈发广泛.温度是后处理器再生效率的重要参数,在一定程度上温度越高,催化效率越高,使得后处理系统成为排气系统的重要热源之一[1].如果行驶过程中排气系统附近重要部件周围流速过低、流量过小,则容易引起散热不足,导致局部温度偏高[2].此时热管理不当将容易导致周围橡胶、塑料零部件温度过高,严重影响其使用寿命和行车安全[3].

在解决热管理问题上,存在理论分析、实验分析和数值模拟分析3种方法[4].理论分析通过研究流体运动规律找出可描述流动特性的简化模型,建立控制方程获得问题的解析解,但由于机舱内呈非线性流动计算复杂,因此,该方法应用具有局限性;而实验分析可得到准确、可靠和直观的测试结果,但耗时、费力,投入大、周期长;数值模拟分析中计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)是对流体流动、热传导等进行计算机数值计算和图像显示分析的方法,为汽车流场温度场分布规律研究提供了更为便捷的模拟手段,提高了效率,降低了成本,弥补了理论分析和实验分析的不足,获得了广泛应用.

本文针对某型长头卡车车门下饰板、脚踏板过热以及示廓灯烤焦等热管理问题,采用三维建模软件实现卡车机舱和底盘的实体建模,通过CFD数值模拟手段完成卡车排气系统的流场状况和温度场分布规律的分析;结合实车测试分析,找出产生问题的主要原因,基于理论分析提出多个解决方案;最后通过数值仿真，测试验证方案的实际效果,解决排气系统热防护问题.

1 原因分析

根据售后反馈,某长头卡车存在车门下饰板、脚踏板过热及示廓灯烤焦等问题.本文选择同一型号标准满载车，进行10 km的爬坡测试对该问题进行复现.实验过程中布置了测试点1(后处理器上部)、测试点2(后处理器侧上部)、测试点3(门槛饰板内侧面)和测试点4(示廓灯内侧面)4个测试点,如图1所示.测试过程采用INTEST汽车无线数据记录仪进行数据测量,结果如表1所示.由表1可见：后处理器表面最高达到了249.2 ℃,周边附件最高温度也达到84.3 ℃,超过了80.0 ℃的耐温限值,验证了售后反映问题.

图1 测点分布图Fig.1 Layout of measuring points

表1 试验测试结果Tab.1 Test results of experiment

2 建模分析

2.1 理论基础

长头卡车发动机舱内气体流动速度低,湍流系数小,可认为是不可压缩湍流流动,对其进行数值模拟时，满足下面基本控制方程[5].

质量守恒方程:

(1)

式中:ρ为空气的密度;t为时间;u,v,w分别为速度矢量在x,y,z3个方向的分量.

动量守恒方程:

式中:p为作用在控制体表面上的应力;u,w,v分别为速度在x，y，z3个坐标轴上的分量值；τxx,τyx,τzx为黏性应力在各个方向的分力;U为速度矢量;Fx,Fy,Fz质量力F在3个方向的分力.

能量守恒方程:

(5)

式中:cp为比热容;T为温度;κ为空气传热系数;ST为空气的内热源.

考虑到冷却风扇的旋转效应对湍流的影响,本文采用重整化群k-ε模型.

湍流动能k方程:

(6)

(7)

式中:Gk为湍流动能k的产生项;ε为湍流动能耗散率;ui为x，y，z3个坐标上的速度分量值；xi为对应的x，y，z3个坐标轴的求导，i=1，2，3.

湍动能耗散方程:

(8)

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;Cμ,C1ε和C2ε为经验常数,分别取0.084 6,1.43和1.68.

长头卡车发动机舱热环境包括对流换热、热传导和热辐射3种形式,热源主要是发动机和排气系统.

热传导方程:

(9)

热对流方程:

(10)

式中:Q为对流换热热量;A为与流体接触壁面面积;tw为固体表面温度;tf为环境温度.

热辐射方程:

(11)

式中:M为热辐射力;θ为辐射系数;δ为辐射率.

2.2 数值建模分析

本文采用三维建模软件CATIA完成卡车机舱和底盘前部的三维模型.由于卡车机舱和底盘内机构复杂、零件众多,完整实车建模费时费力,不符合解决实际问题的宗旨.因此,本文在建模过程中和工程分析时,在保证模型精度的前提下,对模型进行了简化处理[6],保留发动机、涡轮增压器、排气管、后处理器、油箱、踏板、挡泥板等主要零部件,如图2所示.

图2 整车机舱简化模型(俯视)Fig.2 Simplified model of vehicle engine room(vertical view)

2.3 边界条件与网格划分

本文流场分析采用重整化群k-ε模型,并定义边界条件:① 车辆正方向端面为入口边界,外流场入口速度20 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0 Pa;③ 环境温度20.2 ℃,发动机及其附件设为发热源,按扭矩点工况赋予体积热源,水箱、中冷器和冷凝器3个部件采用多孔介质模型,排气管表面各段温度根据测试经验值输入;④ 风扇参数为1 400 r/min.发动机舱各表面为固定边界[7],各物件的边界设置如表2所示.

表2 各物件边界参数Tab.2 Object boundary parameters

整个流体三维计算区域长为70 m,宽为20 m,高为30 m,如图3所示.数模导入CFD软件,采用多面体网格样式对数模进行划分,总网格数量约为2 407万个;划分网格时在排气管附近进行局部加密,最小尺寸为4 mm,以提高收敛性和加快运算速度.

图3 模型三维计算区域Fig.3 3D calculation zone of model

2.4 仿真分析

结合前面测试工况,通过仿真模拟卡车重载情况下的恶劣行驶工况,环境温度20 ℃.在车门下饰板内侧、示廓灯内侧、后处理器上部、后处理器侧上部设置4个监测点,到达3 500步之后温度振幅不超过最大振幅1%,结果收敛.后处理器温度场仿真对比如图4所示.图4中显示,温度分布不均匀,由于排气管和后处理器的表面辐射散热,其周围温度呈现出阶梯状分布状态,高温区域为车门下饰板下侧与脚踏板上侧交接区域,下饰板内侧温度达到87.1 ℃,示廓灯内侧温度82.8 ℃.实测结果和仿真结果如表3所示.从表3中可见模拟过程中,仿真值与实测值相比误差在4%以内,模拟仿真精准度足以用于工程分析.

图4 后处理器温度场仿真对比Fig.4 Simulation and comparison of temperature field of post-processor

表3 实测值与仿真值对比Tab.3 Comparison between measured andsimulated values

截取舱内Z=0.7 m俯视截面矢量图如图5(a)所示,机舱Y=0横截面速度矢量图如图5(b)所示.从图5(a)和图5(b)中可知,因长头卡车的布置与众不同,整个发动机舱内部结构紧凑,密闭性较好,车架与挡泥板的阻挡,使得气流从外界很难进入机舱内部,冷空气很难冷却后处理器前端面,形成了流动死区,引起热聚集.

综上所述,由于排气管和后处理器作为高温辐射热源产生高温热量,又因挡泥板阻挡使得后处理器前部形成了流动死区,封闭区域流场环境差,容易造成聚热现象,使局部区域温度偏高;同时后处理器端面、踏板和示廓灯距离较近,亦受强辐射与涡流影响,导致热空气直接流向其表面,造成下饰板过热.

图5 截面速度矢量图Fig.5 Cross section velocity vector diagram

3 优化方案与效果

针对量产车型出现的售后问题,一般考虑尽可能采用改动最小、成本最低、可实施性最便利的方案解决出现的问题.而根据前面分析结果,考虑到排气管、后处理器和车门下饰板、脚踏板以及示廓灯空间位置相对固定,基于流体力学和传热学相关理论,可从正向加强导流、改善区域流动情况和反向阻隔热源的隔热等方式进行分析,并找出最优的解决方案.

3.1 增加导流板

为了改善处理器前端流动死区的流动状况,在车架处安装导流板,将机舱内的风导向流动死区,从而利用加强流场扰动带走热量达到降低温度的效果,如图6(a)所示.为了验证效果,对增加导流板后的模型进行机舱流场仿真分析,结果如图6(b)所示.

图6 导流板效果图Fig.6 Effect diagram of guide plate

从图6(b)仿真结果可见:由发动机舱进入驾驶舱下的空气较少,直接吹向后仓板方向,导流板作用不大;而车轮旋转,冷空气受到挡泥板阻碍,吹向外侧和车架方向,无冷风经过后处理器前端面;同时该车型发动机罩流线顺畅,外部冷空气直接吹向后方,脚踏板位置为流动死区,无冷空气进入.因此,增加导流板效果并不理想.

3.2 增加排热风扇

鉴于前面被动导风改善流场效果不理想,提出增加排热风扇,利用风扇主动改善、加强流场散热状况,提高热交换率的解决方案.排热风扇安装位置如图7(a)所示,安装风扇后的温度云图如图7(b)所示.

排热风扇可以将冷空气吹向车门下饰板,加强了排气弯管与后处理器的对流换热,车门下饰板表面温度降低12.4 ℃.排热风扇的存在可降低区域局部高温,但仅能针对小部分区域,同时热量会随着风向向后传递,影响油箱系统,而且风扇安装困难,不便维护,不利于通用化.

图7 安装排热风扇效果图Fig.7 Effect chart of installing the exhaust fan

3.3 隔热板

前面两种方案从正方向改善流场,以寻求达到降低温度解决实际问题的目的,然而效果不佳.下面通过反方向的阻隔方式,对排气系统周围零部件进行防护.增加后处理器侧面隔热板并对其进行数值模拟仿真,得到后处理器隔热表面温度云图如图8(a)所示,车身外部温度云图如图8(b)所示,机舱内部温度云图如图8(c)所示.

图8 隔热板仿真结果Fig.8 Simulation results of heat insulation panel

从图8(a)可见，安装隔热板时,未能完全遮挡,依然存在局部高温,隔热板还会产生二次热辐射;图8(b)方框处包括车门下饰板、侧护裙、灯饰线束等部位,依然高于80 ℃限值;而图8(c)冷空气吹向地面,后处理器前端面持续高温.因此,隔热板虽然能起到一定的隔热效果,但防护效果依然不够理想.

3.4 半包围隔热垫

对隔热板进行优化改进成半包围的隔热垫形式,增大了隔热材料的热阻及覆盖范围,进行数值模拟仿真分析,同样得到后处理器隔热表面温度云图如图9(a)所示,车身外部温度云图如图9(b)所示,机舱内部温度云如图9(c)所示.

图9 半包围隔热垫仿真结果Fig.9 Simulation results of semi-enclosed heatinsulation panel

由图9(a)可见,隔热垫外表面温度显著降低,避免了隔热后产生二次热辐射影响;而图9(b)车门下饰板、侧护裙、灯饰线束等部位表面平均温度均降至60 ℃以下;同时从图9(c)半包围隔热垫有效将热量进行隔离,消除了车门脚踏板附近的高温区域,对油箱也起到一定保护作用.

综合上述方案仿真分析可知,半包围隔热垫的隔热性能效果达到预期,将所有高温区域均降至80 ℃以下,达到设计要求.

4 实验验证

为了验证半包围隔热垫仿真效果,本文对其进行实验验证.隔热垫采用驾驶室玻璃纤维铝箔板,厚度为10 mm,热传导率小于0.03 W·m-1·K-1.按照图10(a)所示进行安装,隔热垫实物如图10(b)所示.

图10 半包围隔热垫安装图Fig.10 Installation diagram of heat insulation semi- enclosed panel

完成安装后,进行样车爬坡测试,样车依然采用均布满载,行程条件、测试仪器、测点位置与前面测试相同,如图11所示,测试结果如表4所示.由表可见，下饰板温度由85.6 ℃降到了54.1 ℃,示廓灯内侧温度由84.3 ℃降到了57.5 ℃.通过实验验证,半包围隔热垫有很好的隔热效果,阻挡了部分热气流,且减少了后处理器对车门下饰板和脚踏板以及示廓灯的热辐射,解决了排气系统热防护问题.

图11 实测测点布置Fig.11 Arrangement of measuring points

发动机转数测点1测点2测点3测点4环境温度1 400 r/min248.3 ℃138.2 ℃54.1 ℃57.5 ℃23.0 ℃

5 结论

本文针对售后反馈的某长头卡车零部件过热问题,进行实车验证复现.通过建模仿真分析得出排气管后处理器的表面辐射和周围高温热流传导是造成过热问题的主要原因.基于传热学理论和辐射原理,提出多个改进方案和优化措施,并通过仿真分析验证改进效果;最后确定对后处理器加装半包围隔热垫的优化方案,并通过实车测试验证了该方案的合理性与有效性,仿真与实测结果基本一致.该方案的实施使得车门下饰板和示廓灯内侧面温度分别降低了31.5 ℃和26.8 ℃,温度均下降至60.0 ℃以下,达到了设计目标.本文运用数值模拟的手段,通过对卡车排气系统进行辐射热流耦合分析,对解决产品热防护问题有很强的指导意义,该方法具有普适性,提高了实际工程问题解决能力.