作者简介：冯燕燕，长安汽车⼯程研究总院CAE ⼯程所，TEL: 023-********，E-Mail:
fyyan3@www.doczj/doc/e68834545.html
汽车发动机舱热管理CFD 分析低温研究
冯燕燕，李义林，郑召涛，谯鑫，叶坚
（长安汽车⼯程研究总院CAE ⼯程所，重庆 401120）
(TEL: 023-********, E-Mail: fyyan3@www.doczj/doc/e68834545.html
)
摘要：借助STAR-CCM+软件，通过汽车表⾯和发动机舱内部内、外流场耦合计算数值模拟⽅法，对发动机舱进⾏低温研究，分析了在低温下，仿真⼯况时，发动机润滑油流通部件曲通表⾯温度，并通过优化⽅案，将曲通表⾯温度提⾼了2℃~4℃，有效改善了发动机内部机械摩擦，有利于提⾼发动机低温动⼒性能。
关键词：机舱流场温度场低温
0 前⾔
随着汽车技术和社会经济的快速发展，我国汽车保有量已经突破了千万辆⼤关，在祖国的公路上，从北到南跨度超过3000公⾥，包括寒带、温带等不同地域的⼤⽓环境⽓候条件下，到处都能看到汽车在奔跑。随着公司的发展，产品出⼝战略需求的增加，未来的产品市场包括中东、北欧等地区。不同地区的⽓候差异，对汽车产品提出了新的要求，尤其在⾼寒地区，发动机总成⼯作状况明显变差，技术性能急骤下降，必须将发动机舱温度控制在合理范围之内，因此低温下发动机舱热管理的研究，⽇趋引起了各⼤汽车公司的重视。
本⽂以STAR-CCM+为研究⼯具，采⽤汽车表⾯和发动机舱内部内、外流场耦合计算数值模拟⽅法，结合散热器和风扇的试验结果，对发动机舱进⾏低温研究，并对计算结果进⾏深⼊分析，这些⼯作对进⼀步完善轿车发动机舱热管理理论体系和开发应⽤具有⼀定的指导意义。
1 模型建⽴
1.1 ⼏何模型发动机舱
发动机舱内部结构⼗分复杂，⽬前尚⽆法对其进⾏完全真实形状数值模拟。因此，在保证反映发动机舱
内真实流动特性的前提下，需对⼀些对流动影响不⼤的管道、电线等真实形状进⾏局部简化，并建⽴计算所⽤的CAD 模型。计算过程中，对于⽤于数值模拟计算的⼏何模型如图 1 所⽰。
图 1 ⼏何模型
图 1给出了所计算车型的发动机舱内的系统布局情况。本次计算的模型主要包括：车⾝、车轮、车架、发动机、进⽓总管、排⽓总管、膨胀箱、风扇、电平、散热器、冷凝器和中冷器等部件。
1.2 ⽹格模型
图2为计算⽤⽹格⽰意图，⽹格类型为Polyhedral⽹格，为了保证分析计算精度，将计算域分成了四个部分：外流场域、风扇域、冷凝器域、散热器域，计算四者的换热情况，共计377万体⽹格。
图2 截⾯体⽹格⽰意图
1.3 边界条件
本次计算中假定空⽓为不可压缩⽓体，湍流模型选⽤k-ε模型，空间离散采⽤⼆阶迎风差分格式，迭代⽅式选⽤SIMPLE 算法[1]，计算边界条件如下表1所⽰：
表1计算域边界条件设置
变量边界条件设置
⼊⼝Velocity Inlet
出⼝Pressure Outlet
空滤器 Mass Flow Inlet
风扇MRF
散热器Porous Region
冷凝器Porous Region
其他Wall
2 仿真结果
本次主要在低温下、⼀定车速时，对发动机舱的流场和温度特性进⾏了仿真研究，重点考虑冷空⽓对发动机顶部曲通表⾯温度的影响。汽车的内部流场主要考虑发动机舱⽓流的流动。发动机舱流动的通畅、特别是通风量对发动机的散热有着⾄关重要的作⽤。
2.1发动机舱热管理低温流场分析
图3 给出了通过曲通的截⾯上，进⼊发动机舱内的⽓流流动情况。由图可见，流动情况是⼗分复杂的。⽓流通过进风⼝进⼊发动机舱内后，由于散热器的不完全通风性，会产⽣⼀定的阻尼，在散热器的前⽅速度突然减⼩。散热器后，由于截⾯未经过风扇，⽓流的速度继续降低，受到发动机的阻塞，在发动机前⾯突然减速，⽓流分成两部分，⼀部分⽓流流向发动机上部空间，⼀部分⽓流流向发动机下部空间。在低温时，低温的冷空⽓就沿着发动机表⾯，缓慢的爬上了发动机的顶部，是发动机顶部温度降低，影响发动机的低温启动，增⼤发动机低温运⾏时对发动机的磨损。
图3 发动机舱流速分布⽮量图
2.2发动机舱热管理低温温场分析
图4是发动机舱温度分布⽮量图。从图4（a）上可以看出，发动机舱内温度分布基本与风速分布负相关，即风速越⼤的地⽅，温度越低；从图4（b）上看，发动机润滑油通道曲通在低温时，仿真⼯况下，发动机舱热管理仿真结果最低温度分布。研究标明在-5℃时，润滑油因温度低⽽黏度增⼤，曲轴的磨损⽐在35℃时的润滑油中运转的磨损增⼤10～12倍[2]。因此必须想办法提⾼发动
机顶部曲通表⾯温度，降低润滑油粘度。
（a）发动机舱内温度云图（b）发动机表⾯温度分布
图4 发动机舱温度分布⽮量图
3机舱优化及验证
为了提⾼发动机润滑油通道曲通的表⾯温度，降低润滑油粘度，减少发动机内部的机械磨损，提出了多
种优化⽅案，其中⼀个⽅案就是在发动机上表⾯加装饰罩，以提⾼曲通表⾯温度，并对此进⾏了仿真验证。
3.1发动机舱热管理低温流场分析
图5给出了加了装饰罩后通过曲通的截⾯上，进⼊发动机舱内的⽓流流动情况。由图可见，由
于装饰罩的阻挡，⽓流流向发动机上部空间的速度明显减⼩，且通过格栅直接进⼊发动机舱的⽓流，也由于装饰罩的阻挡，⽆法直接接触到曲通，有效地改变了曲通表⾯的流场，减少了曲通表⾯的冷空⽓流量。
图5 发动机舱流速分布⽮量图
3.2发动机舱热管理低温温场分析
图6是在低温时，仿真⼯况下，加了装饰罩后发动机舱温度分布⽮量图。从图6（a）发动机舱内温度云
图上可以看出，通过发动机装饰罩的阻挡，发动机顶部温度明显升⾼；从图6（b）发动机表⾯温度分布上看，由于加了发动机装饰罩，曲通表⾯仿真计算最低温度分布，相对于没有加装饰罩时，温度升⾼了2℃~4℃，从⼀定程度上提⾼了润滑剂温度，改善了发动机内部摩擦，有利于提⾼发动机低温动⼒性能。
（a）发动机舱内温度云图（b）发动机表⾯温度分布
图6 发动机舱温度分布⽮量图
4结论
借助STAR-CCM+软件，通过汽车表⾯和发动机舱内部内、外流场耦合计算数值模拟⽅法，对发动机舱进⾏低温研究，分析了在低温时，仿真⼯况下，发动机润滑油流通部件曲通表⾯温度，并通过加发动机装饰罩优化⽅案，将曲通表⾯温度提⾼了2℃~4℃，有效改善了发动机内部机械摩擦，
有利于提⾼发动机低温动⼒性能。这些⼯作对进⼀步完善轿车发动机舱热管理理论体系和开发应⽤具有⼀定的指导意义。
参考⽂献
[1]王福军，《计算流体⼒学分析》，清华⼤学出版社
[2] 周华祥, 宁朝阳, 王雪红，减少汽车低温启动及运⾏磨损的⽅法，机电产品开发与创新。2007第20卷第3期，
42~44
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