汽车散热器清洁装置设计与研究

田腾飞，王宝中，李嘉旭，滕怀钰，郭辉，武建秋

(华北理工大学，河北 唐山 063210)

0 引言

传统车辆的发动机在工作时产生大量热量，为保证发动机正常工作，通常使用散热器进行温度管理，因此，散热器的性能对发动机的正常工作至关重要。散热器的几何特征决定了其在实际工作环境中会积攒灰尘，从而降低换热系数、散热效率，导致发动机工作温度过高，甚至导致发动机的损坏。为保证发动机工作稳定性，散热器的除尘工作尤为重要。

现阶段散热器的清洗除尘主要是通过高压水流的冲击去除沉积物，而散热器的材质主要是铝合金，材料本身的刚度与强度较低，同时散热器翅片的几何特征进一步强化了翅片容易受损的特性，所以高压水流的冲击以及散热器的拆卸与安装都极易造成翅片损伤，从而降低散热器的散热性能[1-3]。

针对以上问题，提出一种集成在导风罩上的散热器清洁装置，利用冷却风扇产生的气流，经过一系列装置的处理，对散热器附着灰尘进行吹洗，从而达到维护散热器工况，使冷却系统稳定运行的目的。

1 功能结构分析与工作原理

1.1 功能分析

汽车散热器清洁装置应当具备如下功能：

1) 能稳固地安装在汽车动力舱中，不受汽车运动影响；

2) 能较好地去除散热器上积存灰尘；

3) 能回收清除的灰尘，以免污染车辆动力舱。

此外, 考虑到车辆动力舱中空间狭小，散热器清洁装置应当尽可能地不影响车辆动力舱布局。因此, 其结构需具有轻巧和易拆卸的工程要求。

1.2 功能结构分解

为实现汽车散热器清洁装置的功能要求，总体结构按导流装置、吸尘腔、百叶窗装置、集尘装置及导轨装置进行模块分解。其中导流装置、吸尘腔与百叶窗装置用于灰尘的扫除；集尘装置用于灰尘的收集；导轨装置用于吸尘腔的运动限位及清洁装置整体的安装。

1.3 工作原理

基于散热器灰尘附着情况，决定利用冷却风扇产生的气流对灰尘进行吹洗，具体工作原理如下：

冷却风扇工作产生压力差，造成空气流动；空气在导风罩、导流装置、集尘装置及吸尘腔所共同形成的空腔中流动，从而在吸尘腔空气输入面所对应的散热器部位形成气流；气流保持一定速度，对散热器翅片上附着的灰尘起到冲击作用；灰尘受到气流冲击，从散热器翅片上脱落，并随气流进入吸尘腔、管道，最终到达集尘装置；集尘装置中设置有静电除尘装置，能够滤除气流中混杂的灰尘。

2 具体结构设计

根据清洁装置功能结构分析与工作原理, 对装置进行总体设计，最终结构见图1。其主要由导流装置、吸尘腔、百叶窗装置、集尘装置及导轨装置5个功能模块组成，其中导流装置、吸尘腔及导轨装置是散热器清洁装置的关键模块。

1—冷却风扇；2—导风罩；3—导流装置；4—散热器1；5—集尘装置；6—导轨装置；7—散热器2；8—进气格栅。图1 散热器清洁装置总体结构设计

2.1 导流装置结构设计

导流装置的作用是与导风罩配合，将冷却风扇工作产生的气流引导至吸尘腔中。导流装置应当能够较好地与导风罩进行密封，从而高效率地对气流进行引导，减少能量损失。

设计出的导流装置如图2所示。

1—导流装置主体；2—集尘装置接口；3—导风罩连接位置。图2 导流装置结构设计

2.2 吸尘腔与集尘装置结构设计

吸尘腔是清洁装置的直接工作机构，其作用是将导流装置传递的负压进一步作用到散热器上，为提高气流速度、增强清洁效果，吸尘腔的压力输出面应当较小[4-6]。

集尘装置的主要作用是收集吸尘腔吸入的灰尘，防止灰尘重复污染动力舱环境，影响动力系统工作。吸尘腔与集尘装置的结构设计图如图3所示。

1—集尘装置；2—皮管；3—吸尘腔。图3 吸尘腔结构设计

2.3 导轨装置结构设计

鉴于吸尘腔压力输入面应当较小的要求，其应当能够在散热器空气侧运动，从而完成散热器的整体清洁。因此设计了导轨装置，将吸尘腔安装在导轨装置上，从而在电机带动下在法方向上运动。导轨装置的结构设计如图4所示。

1—轨道；2—滑轮；3—卡扣；4—电机。图4 导轨装置结构设计

3 工作过程

当车辆发动机处于停机状态时，驾驶员启动散热器辅助除尘装置，装置的工作过程可分为以下3步：

1) 冷却风扇通电运转，在导风罩与导流装置的空腔中产生负压力，压力经管道等传递到吸尘腔开口处。开口处压力为大气压力，在该压力差作用下，装置中产生气流。

2) 导轨中电机启动运转，经过传动装置带动吸尘腔在导轨上运动，运动方向为竖直方向，速度大小根据风扇转速确定。吸尘腔的开口扫过散热器空气侧，从而使气流扫过散热器，冲击灰尘。

3) 集尘装置通电启动，通过静电除尘除去气流中夹杂的灰尘颗粒，保证车辆动力舱的清洁。

4 清洁装置性能分析

4.1 物理模型与网格划分

该散热器清洁装置的动力源是动力舱中的冷却风扇，对风扇压力的转化效果决定了本装置的工作效果。因此，利用CFD仿真技术，研究散热器清洁装置的工作性能。根据文献[7-9]建立流体力学模型，并划分网格模型如图5所示。

图5 网格模型示意图

4.2 仿真与分析

根据散热器测试数据，由相关公式进行转化，得到多孔介质模型的黏阻系数为1.332×107,惯阻系数为144.39，孔隙率为0.78[9]。

装置中的空气运动可认为是不可压缩定常流动，结合物理学三大定律即质量守恒定律、能量守恒定律及牛顿第二定律，根据流体力学计算分析需要，应用其相应的连续性方程、能量方程和动量方程[10-11]。

应用FLUENT软件，分别对冷却扇旋转速度为1 600r/min、1 900r/min和2 200r/min的模型进行仿真。提取吸尘腔空气输入面的流量数据，如表1所示。

表1 不同冷却扇转速下空气输入面流量数据

根据仿真数据可知，汽车冷却风扇产生的负压力，经散热器清洁装置转化，作用至吸尘腔空气输入面时仍能产生足够速度与流量的气流。这反映出散热器清洁装置能够满足基本的工作要求，符合设计预期目标。

5 结语

根据散热器使用需求，针对汽车动力舱实际条件，初步设计了一种汽车散热器清洁装置，并对其工作效果进行了仿真分析。

该汽车散热器清洁装置的运用，能够使得散热器的清洁便利，且避免了散热器拆除的繁琐，节省了清灰工作所需的时间与成本；避免了传统清洁方式易造成的散热器翅片折弯等问题；为增强汽车散热器作用效果，提高冷却系统工作效率提供了有效保障。