汽车发动机舱散热性能的研究与优化

任正芳

摘 要：基于发动机舱内外流场和温度场数值模拟，根据汽车在不同行驶工况下的流场和温度场数值计算结果，对发动机舱的流场特性、散热性能、温度场、进风口设计进行分析;依据仿真分析结果提出发动机舱散热改进设计方案;在相同试验条件下，分别对某微车原车状态和对发动机前舱布局进行相应改进后的状态，进行室内整车环境模拟实验。

关键词：发动机舱;冷却模块;散热性能

1 计算模型与计算方法

1.1计算模型

汽车发动机舱内部件排布紧密，结构较复杂，为了能够得到比较准确的仿真结果，仿真所用模型为比例为1∶1的全尺寸三维汽车模型，且模型尽量保留发动机舱内的所有关键部件，车身、底盘等部件也尽量保持真实的结构特征。同时为简化计算，适当省去电子线束、空调管路等对流动影响较小的细小部件。

1.2网格与边界条件

由于空气在汽车发动机舱内的流动受到外流场的影响，因此仿真采用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。模型在Hy-permesh中划分面网格后导入T-Grid中，计算域内全部生成四面体非结构化体网格，网格数量为480万个，网格质量skewness在0.96以下。

采用CFD软件Fluent进行数值仿真，离散方程组的压力和速度耦合采用SIMPLE算法，湍流模型选择可实现的k-ε湍流模型。计算域入口采用速度入口;计算域出口采用压力出口，出口压力为标准大气压;空气为理想气体;风扇采用多参考坐标系（MRF）模型;冷凝器设为多孔介质;散热器也设为多孔介质，采用传热单元数法（NTU 方法）进行计算;环境温度为40˚C。

2 發动机舱散热特性模拟分析

汽车的外流场特性除了决定整车的空气动力学性能外，还可根据外流场气流特性选择好的发动机舱冷却气流的进风口和出风口;发动机舱的内流场特性通过影响冷却风的进风量来决定发动机冷却系统的散热和内流阻力;发动机舱的温度场分布特性可以清晰全面地显示发动机舱的空间温度分布特性。因此，通过发动机舱内外流场和温度场分析结果的研究，可以对发动机舱的散热特性进行研究，进而判断发动机舱的进风口设计以及综合散热性是否可行，找到发动机舱散热存在的问题和影响因素。

①汽车发动机舱内流场特性分析汽车在行驶过程中，发动机舱冷却气流的入口为车身前端的进气格栅，在冷却风扇的作用下，进入发动机舱内，然后气流流向散热器、冷凝器，经风扇加速，吹向发动机的表面。气流对散热器进行吹风冷却，连同气流与发动机的对流换热，达到对发动机冷却的目的。②发动机舱温度场分析各计算工况下发动机舱的温度场分布特性，可知各计算工况下的最高温度都小于发动机舱设计允许的最高温度99℃，发动机舱的综合散热性能是可行的。

3 发动机舱散热的改进设计

通过发动机舱内流场和温度场的分析，计算发动机舱和散热器的进风量，并与发动机舱散热理论所需的空气量对比，发现发动机舱中散热器的实际进风量略小于散热理论所需的空气量;由于冷凝器和散热器的不完全通风性以及前舱结构和布置等因素的影响，在各工况下，发动机舱的实际进风量只有约35%～60%到达散热器，可以适当改进，加大冷却系的进风量，提高冷却系统和发动机舱的散热能力。

3.1前端进风口参数对冷却风气流的影响

汽车在行驶过程中，冷却气流是通过汽车前部的上下进风口进入发动机舱内。汽车前端进风口参数设计需考虑两个主要因素：①前端进风口的开口面积、结构形式是否满足冷却需求，包括空调系统的冷却、冷却系统的冷却等;②在保持车身外部形状不变的前提下，设计良好的进气格栅结构减少冷却气流通过进风口的压降损失。为了避免发动机舱的内部结构被直接看透，设计师通常会在进气格栅后加入网状结构，由于存在网状结构，会使得空气通过的面积减少40%。目前，该微车车型的进气格栅采用加入短导流叶片和底部切角的形式。

3.2上下进气格栅进风量比例的改进

汽车在行驶过程中，冷却气流是通过汽车前部的上下进风口进入发动机舱内的。通过分析计算不同车速情况下的上下进气格栅和各冷却部件的进风量，对上下进气格栅的进风量比例进行了研究。低速段时（12.5m/s），风扇转速对冷却风的流量影响比较大，当风扇转速由0r/min变为2300r/min时，总进风量增加5.19%，冷凝器冷却风流量增加23.14%，散热器冷却风流量增加27.04%;高速段时（32.5m/s），风扇转速对冷却风流量影响比较小，当风扇转速由0r/min变为2300r/min时，总进风量增加1.31%，冷凝器冷却风流量增加6.60%，散热器冷却风流量增加7.94%。另外，大部分冷却风气流通过下进气格栅进入发动机舱;车速对上下进气格栅风量比例影响不大，而风扇转速对上下进气格栅风量影响较大，在同一车速下，当风扇转速由0r/min变为2300r/min时，上进气格栅进风量比例增加，而下进气格栅进风量比例减少。因此，在风扇未开启的情况下，可采取增加下进气格栅开口面积的方式，保证尽可能大的进风面积，来增加冷却风的进气量;另一方面，在风扇开启的情况下，如果想增加进气量，最有效的方法是增加上进气格栅的进风面积。

4 结论

①采用空气动力学数值模拟方法，对某微型汽车发动机舱的内外流场和温度场进行数值计算;②研究发动机舱的流场特性、散热特性等，确定发动机舱散热存在的问题并分析发动机舱散热性能的影响因素;③针对发动机舱散热存在的问题进行改进研究，结合实验验证提出可行性的优化方案以达到改善发动机舱散热性能的目的。

结语

为了提高发动机舱的散热性能，分析了发动机舱内的气体流动和热环境情况，对发动机舱内存在的热回流问题进行量化分析和优化，得出在冷却模块周围加挡风板，可有效阻止热空气回流，提高冷却模块的散热性，改善发动机舱热环境的结论。

参考文献

[1]张坤，王玉璋，杨小玉.应用CFD方法改善发动机舱散热性能.汽车工程，2011，33（4）：214～217.

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[3]易吉云.汽车前端冷却模块形式对发动机舱冷却性能影响研究：[学位论文].上海：同济大学，2013.