張馥荔，李義林

Zhang Fuli，Li Yilin

（長安汽車工程研究總院，重慶 401120）

前端封裝對發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱環(huán)境可靠性研究

張馥荔，李義林

Zhang Fuli，Li Yilin

（長安汽車工程研究總院，重慶 401120）

文中利用 STAR-CCM+軟件，對比分析了高溫?zé)岷r和極寒工況下添加前端封裝對發(fā)動(dòng)機(jī)艙可靠性影響，通過相應(yīng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明添加前端封裝在高溫?zé)岷r下使得發(fā)動(dòng)機(jī)艙零部件溫度普遍升高，但均未超出溫度限值。在極寒工況下對發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫升能力及保溫性能都有改善。

前端封裝；發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱環(huán)境可靠性；熱害工況；極寒工況

0 引 言

目前市面上部分汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻模塊安裝了前端封裝，其主要目的有 3個(gè)：一是提升怠速空調(diào)效果，減少機(jī)艙空氣熱回流，降低怠速工況冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度，提高冷凝器散熱能力，提升空調(diào)效果[1]；二是降低整車風(fēng)阻，通過減少發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)氣量，從而達(dá)到降低整車風(fēng)阻的目的；三是提升散熱器散熱量，通過提升格柵進(jìn)氣利用率，從而提升散熱器的換熱量[2]。

添加前端封裝后，會(huì)對發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱環(huán)境可靠性產(chǎn)生一定溫度影響，體現(xiàn)在高溫?zé)岷r和極寒工況。在高溫?zé)岷r主要考察發(fā)動(dòng)機(jī)艙各個(gè)有溫度限值的零部件是否超出溫度限值。在極寒工況主要考察發(fā)動(dòng)機(jī)表面及缸蓋內(nèi)部溫度分布，發(fā)動(dòng)機(jī)升溫、保溫性能，避免油水蒸汽在缸蓋處凝結(jié)而形成白色泡沫及機(jī)艙管路發(fā)生冰堵風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)某發(fā)動(dòng)機(jī)添加前端封裝的實(shí)際問題，利用STAR-CCM+軟件，分析高溫?zé)岷r和極寒工況下發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度分布影響情況，并通過相應(yīng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，使發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱環(huán)境可靠性滿足相應(yīng)要求。

圖1 未添加前端封裝

圖2 添加前端封裝

1 模型建立

1.1 幾何模型

某車型前端冷卻模塊如圖1所示，圖2為在冷卻模塊前端添加了“前端封裝”。前端封裝的添加，會(huì)使機(jī)艙溫度產(chǎn)生一定的影響。重點(diǎn)對高溫?zé)岷r和極寒工況下發(fā)動(dòng)機(jī)艙的可靠性進(jìn)行分析，高溫?zé)岷r不能超過零部件的溫度限值，極寒工況不得使機(jī)艙的升溫保溫能力變差。

1.2 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格模型

利用STAR-CCM+軟件前處理功能，可以快速生成求解所需要的體網(wǎng)格。按發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理仿真分析規(guī)范進(jìn)行建模及網(wǎng)格劃分，發(fā)動(dòng)機(jī)艙各個(gè)零部件基本保留，在計(jì)算敏感區(qū)域，如冷卻模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)艙和整車等進(jìn)行加密，達(dá)到提高計(jì)算精度的目的，CFD的計(jì)算精度在很大程度上依賴于所生成網(wǎng)格的質(zhì)量[3]。冷凝器和散熱器芯體采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如圖3所示，網(wǎng)格總數(shù)為15萬，風(fēng)扇區(qū)域體網(wǎng)格模型選擇多面體網(wǎng)格（Polyhedral），體網(wǎng)格數(shù)量為90萬，圖4為整車網(wǎng)格模型，最終生成的體網(wǎng)格總數(shù)為758萬。

圖3 冷卻模塊前端網(wǎng)格模型

圖4 整車熱管理網(wǎng)格模型

1.3 計(jì)算條件設(shè)置

由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙空氣密度變化不大，可近似為常數(shù)，模型選用不可壓縮定常流，湍流模型選用k-ε模型，并在壁面附近的粘性層中采用壁面函數(shù)法，空間離散采用二階迎風(fēng)差分格式[4]。

模型采用速度入口邊界條件，其中 x、y、z方向速度均為零，出口為壓力出口邊界條件，相對壓力為零。冷卻模塊設(shè)置為多孔介質(zhì)，采用Darcy定律設(shè)定相應(yīng)的阻力特性，冷卻模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與主流區(qū)外部多面體網(wǎng)格用 interface連接。風(fēng)扇選用MRF模型，風(fēng)扇內(nèi)部多面體旋轉(zhuǎn)區(qū)域與主流區(qū)外部多面體網(wǎng)格用 interface連接，其余邊界均采用不可滑移壁面（Wall）。

2 分析結(jié)果對比

2.1 高溫?zé)岷r分析結(jié)果對比

如圖5和圖6所示，添加前端封裝后，機(jī)艙上部缸蓋罩、左側(cè)空濾器附近以及右側(cè)懸置附近零部件溫度普遍升高，而下部油底殼和后懸置附近零部件溫度有所下降。添加前端封裝后油底殼附近氣流速度增大，如圖7和圖8所示，這也是油底殼附近溫度降低的原因。

圖5 原狀態(tài)機(jī)艙溫度分布云圖

圖6 添加前端封裝機(jī)艙溫度分布云圖

圖7 原狀態(tài)機(jī)艙氣流速度分布云圖

圖8 添加前端封裝機(jī)艙氣流速度分布云圖

機(jī)艙零部件溫度變化情況如圖9所示，可以看出，機(jī)艙大部分零部件溫度普遍升高，升高幅度最大的是啟動(dòng)電機(jī)表面，上升了3.7 ℃，但并未超過溫度限值。油底殼及后懸置溫度下降，降幅最大的是后懸置，下降了9.8 ℃。

點(diǎn)火線圈表面最高溫度從 99.5 ℃上升到99.9 ℃，上升了0.4 ℃。如圖10和圖11所示。

圖9 機(jī)艙零部件溫度變化

圖10 原狀態(tài)點(diǎn)火線圈溫度分布云圖

圖11 添加前端封裝點(diǎn)火線圈溫度分布云圖

右懸置表面最高溫度從94.7 ℃上升到97.1 ℃，上升了 2.4 ℃。如圖12和圖13所示。

圖12 原狀態(tài)右懸置溫度分布云圖

圖13 添加前端封裝右懸置溫度分布云圖

前氧傳感器接插件表面最高溫度從 106.4 ℃上升到107.0 ℃，上升了0.6 ℃。如圖14和圖15所示。

圖14 原狀態(tài)前氧傳感器接插件溫度分布云圖

圖15 添加前端封裝前氧傳感器接插件溫度分布云圖

壓縮機(jī)端蓋表面空氣最高溫度從94.3 ℃上升到95.4 ℃，上升了1.1 ℃。如圖16和圖17所示。

圖16 原狀態(tài)壓縮機(jī)端蓋溫度分布云圖

圖17 添加前端封裝壓縮機(jī)端蓋溫度分布云圖

油底殼表面最高溫度從 140.5℃下降到136.3 ℃，下降了4.2 ℃。如圖18和圖19所示。

圖18 原狀態(tài)油底殼溫度分布云圖

圖19 添加前端封裝油底殼溫度分布云圖

2.2 極寒工況分析結(jié)果對比

添加前端封裝后發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋表面溫度普遍升高，如圖20和圖21所示。

圖20 原狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋表面溫度分布云圖

圖21 添加前端封裝發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋表面溫度分布云圖

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)平均溫升和總進(jìn)氣量變化情況

添加前端封裝后發(fā)動(dòng)機(jī)平均溫度上升0.98 ℃，發(fā)動(dòng)機(jī)的總進(jìn)氣量減少29%，見表1。可見添加前端封裝有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的升溫保溫性能。

將發(fā)動(dòng)機(jī)從上到下等分成18份，考察發(fā)動(dòng)機(jī)z向溫升。如圖22所示。

圖22 發(fā)動(dòng)機(jī)z向等分

從圖23計(jì)算結(jié)果可以看出，添加前端封裝后缸蓋罩、缸蓋處溫度比原狀態(tài)上升，且發(fā)動(dòng)機(jī) z向溫差比原狀態(tài)縮小，可見，添加前端封裝有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的升溫保溫性能。

圖23 添加前端封裝后發(fā)動(dòng)機(jī)z向溫升對比

3 試驗(yàn)對比

3.1 高溫?zé)岷r試驗(yàn)結(jié)果對比

在環(huán)境艙做高溫?zé)岷r對比試驗(yàn)，溫度40 ℃，相對濕度50%，日照1 000 W/m2。

添加前端封裝前、后機(jī)艙零部件試驗(yàn)結(jié)果對比如圖24所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，機(jī)艙零部件溫度普遍上升，升高幅度最大的是電子節(jié)溫器線束，上升了4.3 ℃，并未超過溫度限值。油底殼及后懸置溫度下降，降幅最大的是后懸置，下降了7.1 ℃。環(huán)境艙試驗(yàn)結(jié)果和CAE計(jì)算結(jié)果較吻合。

圖24 機(jī)艙零部件熱害試驗(yàn)結(jié)果對比

3.2 極寒工況試驗(yàn)結(jié)果對比

在環(huán)境艙做極寒試驗(yàn)，溫度-30 ℃。缸蓋罩布點(diǎn)如圖25～29所示。

圖25 缸蓋布點(diǎn)示意圖1

圖26 缸蓋布點(diǎn)示意圖2

圖27 缸蓋布點(diǎn)示意圖3

圖28 缸蓋布點(diǎn)示意圖4

圖29 缸蓋布點(diǎn)示意圖5

添加前端封裝前、后機(jī)艙布點(diǎn)位置最高溫度上升值如圖30所示。

圖30 機(jī)艙布點(diǎn)位置最高溫度上升值

由圖30試驗(yàn)結(jié)果可以看出，添加前端封裝后缸蓋內(nèi)部最高溫度普遍比之前高1.7～39.4 ℃。缸蓋周圍、缸體、油底殼空氣及機(jī)油溫度普遍比之前高2.3～41.2 ℃。

圖31 機(jī)艙布點(diǎn)位置降溫時(shí)間加長值

添加前端封裝前、后機(jī)艙布點(diǎn)位置降溫時(shí)間加長值如圖31所示。

由圖31試驗(yàn)結(jié)果可以看出，添加前端封裝后缸蓋內(nèi)部7個(gè)點(diǎn)從最高溫度降到0 ℃的時(shí)間比原狀態(tài)加長2.20～13.92 min。水溫從最高溫度降到0 ℃的時(shí)間比原狀態(tài)加長22.52 min。油溫從最高溫度降到20 ℃的時(shí)間比原狀態(tài)加長1.13 min。

4 結(jié) 論

出于提升怠速空調(diào)制冷效果、降低整車風(fēng)阻和提高散熱器散熱量的需求，文中根據(jù)某發(fā)動(dòng)機(jī)添加前端封裝的實(shí)際問題，利用 STAR-CCM+軟件，分析了高溫?zé)岷r和極寒工況下發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度分布影響情況，并通過相應(yīng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，得出添加前端封裝在高溫?zé)岷r下使得機(jī)艙零部件溫度普遍升高，但均未超出溫度限值。在極寒工況下對發(fā)動(dòng)機(jī)艙升溫能力及保溫性能都有改善，使發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱環(huán)境可靠性滿足相應(yīng)要求。

[1]叢龍笑，孫鴻飛. 汽車前端熱回流對牢調(diào)降溫的影響[J]. 中國科技博覽，2015（23）：213.

[2]袁俠義，彭麗娟，陳林，等. 某SUV車型前端結(jié)構(gòu)對冷卻模塊風(fēng)量和內(nèi)流阻力的影響分析[J]. 汽車技術(shù)，2015（7）：4-9.

[3]傅德薰，馬延文. 計(jì)算流體力學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2004：196.

[4]王福軍. 計(jì)算流體力學(xué)分析[M]. 北京：清華大學(xué)出版，2004.

U463.83

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2016.05.007

1002-4581（2016）05-0022-06

2016-04-15