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摘 要：本文基于某前置后驱车型整车开发，运用流体力学方法对该车型发动机舱进行流场分析、温度场分析，并根据分析结果提出优化发动机舱热管理的措施。通过仿真分析及实车验证结果表明，增加散热器和中冷器导风板、优化前格栅开口、增加下盖板导风板等热管理优化措施明显提高了冷却系统进风量、降低了变速器表面受热温度，成功解决了某前置后驱车型的热害问题。
关键词：发动机舱 热管理 仿真分析
Thermal Management Optimization of the Engine Compartment of a Front-rear-drive Vehicle
Huang Xiaozhen He Changjing Guo Tao
Abstract：Based on the development of a front-rear-drive vehicle， this paper uses fluid mechanics to analyze the flow field and temperature field of the engine compartment of a vehicle. According to the analysis results， measures to optimize the thermal management of the engine compartment are proposed. Simulation analysis and actual vehicle verification results show that thermal management optimization measures such as adding radiator and intercooler air deflector， optimizing the opening of the front grille， and increasing the lower cover air deflector significantly increase the air intake of the cooling system and reduce the transmission， and the heat damage problem of a front-rear-drive model is successfully solved.
Key words：engine compartment， thermal management， simulation analysis
1 引言
随着科技的发展与生活水平的提供，人们对汽车的动力经济性、舒服性、安全性等方面要求越来越高。无论从功能配置需求导致发动机舱内零部件的增加，或是人机空间、舒适性需求导致驾乘舱挤压发动机舱空间，还是造型流畅、风阻等方案要求压低机舱，发动机舱内布置的零部件越来越多，空间越来越紧凑，机舱散热挑战愈发增大。为了避免因机舱温度过高导致零部件工作温度过高缩短使用寿命，甚至引发自燃，在整车开发的前期，发动机舱的热管理研究十分必要。本文基于某前置后驱车型整车设计开发，发动机舱布置前期，利用STAR-CCM+软件对机舱进行流场及温度场分析，发现前端散热冷却模块进风量不足且存在高温热害区域，并针对问题提出解决方案，最后通过仿真分析及试验验证了方案的有效性，解决了机舱热害问题[1]～[3]。
2 仿真分析
某前置后驱车型匹配的发动机排气歧管位于机舱左侧中部，三元催化器布置于左侧大梁根部;由于车宽及轮胎限制，排气系统周边空间较为紧凑;三元催化器为国六排放，较国五排放的三元催化器体积增大、热辐射温度增高，同时骡子车测试发现三催旁边的变速器表面温度过高，不满足工程要求。为避免机舱过热问题，在车型开发的前期，利用CFD对机舱进行流场及温度场分析并找出解决方案。
2.1 仿真分析模型
发动机舱零部件众多，结构复杂，布置紧凑，为了简化仿真计算，在保证仿真结果比较准确的前提下，对发动机舱模型进行合理的简化，去掉直径较小的管路、线束等细小部件，最大限度保留原始机舱几何模型。进行简化后的发动机舱模型如图1所示[4]。
采用CFD软件STAR-CCM+进行数值仿真。根据实际情况合理设计发动机舱内的零部件的材料属性和热边界类型。将散热器、冷凝器定义为多孔介质，用软件中的风扇模型来模拟真实的冷却风扇。计算边界条件约束：模型入口速度采用车速15km/h以及50km/两种工况;出口压力为标准大气压;壁面边界运动速度为0m/s;环境温度为40°。
2.2 仿真分析结果
仿真计算工况条件为50Km/h和15Km/h，散热器风扇速度为2100rpm，冷却模块进风量仿真计算结果如表1所示。分析可见，50Km/h工况下，散热系统、制冷系统以及中冷系统的进风量都没有满足设计目标;15Km/h工况下，散热系统和中冷系统的进风量也没有满足设计目标。
图2为50Km/h和15Km/h两种工况下，Y=-320截面的机舱速度矢量图。图中显示，气流经过冷凝散热器加热再流过风扇后，遇到发动机及其附件的阻碍，有部分气体从冷却模块两侧绕回前方，再次进入冷却模块，有部分气体向上流动，在发动机上方形成漩涡，致使热空气滞留在发罩之下动力总成上方。
图3为50Km/h和15Km/h两种工况下，Y=-320截面的机舱流线图。从图中可以看出，气流受到发动机附件发动机、压缩机、中冷管路、悬置的阻挡，流向机舱后方排气歧管及三元催化器热源的气流很少，且气体流速缓慢，导致三元催化器周边的温度过高。
圖4为车速50Km/h，7.2%坡度工况，三元催化器提供固定点的变速器表面温度分布云图。图中显示，虽然变速器与三元催化器之间增加了隔热罩，但是靠近三催的变速器壳体表面温度高达139℃，超过了变速的工作温度120°。 以上仿真分析显示，由于格栅进风未能充分利用，流入冷凝散热器的冷空气梁减少，散热器实际散热量降低，又存在气体热回流以及散热困难，导致前端模块进风量不足，且排气歧管及三元催化器周边温度过高致使变速器表面温度高于工作温度。这些问题必须通过优化发动机舱内流场进行解决。
3 方案优化
3.1 增加前端冷却模块导风罩
热空气回流产生的原因是冷却模块前后存在压差和温差以及发动机舱内其他部件对空气流动的阻碍，为了减少回流，提高发动机舱散热性能，提出在前端冷却模块周围加挡风板的优化方案。在冷凝器及中冷器四周加挡风板，且挡风板与进气格栅区域相连接，使格栅进入的气体可全部流入前端冷却模块。前端冷却模块增加导风罩如图5所示。
增加前端冷却模块导风罩后的冷却模块进风量仿真计算结果如表2所示。仿真分析可见，通过增加前端冷却模块导风罩，散热系统、制冷系统以及中冷系统的进风量都有所提升，且都满足了设计目标。
3.2 优化格栅开口
前端冷却模块增加导风罩后，冷却模块的进风量都满足要求，但是进入格栅的空气全部流经冷凝气和散热器，温度升高，速度下降，被加热后的空气经过风扇进行向后流动，与发动机舱内其他高温部件的温差较小，对其冷却效果相对较差。因此，针对2.2的温度场分析变速器壳体表面温度过高问题，提出优化前格栅开口，将前端冷却模块导风罩之外的格栅封堵打开，让更多的自然风不经过前端冷却模块，直接进入机舱。优化前后的前格栅对比如图6所示。
优化前格栅开后，未流经前端模块的空气温度较低，速度较高，这部分空气直接流向发动机舱后方，可对发动机舱内其他高温部件起到较好的冷却作用。温度场仿真分析发现车辆启动时，自然风进入机舱，机舱前端部件表面温度下降明显，但由于三催、变速器布置与机舱后面，前方又有压缩机等部件阻挡，气体无导向流动，三元催化器与发动机之间气体流速缓慢，此处热量不能及时被冷空气带走，因此变速器表面温度虽有所下降，但还未满足要求。此外，也有些气体从车底部流入冷却模块，而汽车底部流经的冷空气流量大、流速高，这些冷空气大部分直接从车底流走，未能对变速器起到冷却作用。怠速工况下的变速器表面温度如图7 所示，格栅开口优化后，怠速工况下变速器温度有所下降，但未满足要求，还需进一步进行优化。
3.3 增加下盖板导风板
通过增加前端冷却模块导风罩以及优化前格栅开口后，冷却模块进风量满足要求，机舱受热部件有所改善，但由于机舱内气流受阻，加上从汽车底部流失，气流经过三催与变速器处较小，怠速工况下变速表面温度未到标。针对此问题，提出增加下盖板导风板，将电子风扇吹出的风集中导向三催与变速器之间，增加此处气流流动，既能起到冷却作用又可更快带走热量，降低变速器表面温度。增加的下盖板导风板如图8所示。
增加下盖板导风板后的怠速流场仿真分析图如图9图10所示。将增加下盖板导风板前后的速度分布云图进行对比可見，在怠速工况下，相比原方案，优化方案Y和Z截面三催、变速器周边风速增大效果明显。
基于以上优化方案，对发动机舱进行温度场计算分析，机舱各部件温度均有所下降，且满足各部件工在温度要求。图11为变速器表面温度，图中可见，经过优化方案，变速器表面壳体温度下降明显，最高温度为105°，在变速器工作温度120°之下，满足要求。
4 变速器热害试验
由以上仿真分析可知，通过增加前端冷却模块导风罩、优化格栅开口、增加下盖板导风板三个措施方案都一定程度降低某前置后驱车型的发动机舱热害。以下将优化后的措施进行实车验证，测量各种工况下变速器表面温度是否满足要求。变速器温度测试点如图12所示。
变速器热害实验的各工况温度测试结果如表3所示，表格中温度为监测中最高值。与各温度极限值对比，变速器各测点温度测试值均满足工程要求，变速热害实验通过。通过仿真与实车验证以上对某前置后驱车型的发动机热管理优化解决了该车的前端进风量以及变速器热害问题。
5 结论
本文基于某前置后驱车型整车开发，运用流体力学方法对该车型发动机舱进行流场分析、热管理分析，并根据分析结果提出增加散热器和中冷器导风板、优化前格栅开口、增加下盖板导风板等热管理优化措施。实车验证，经过优化后，提高了冷却系统进风量，且满足工程进风量要求;降低了变速器表面受热温度，且满足变速器正常工作温度要求，成功解决了某前置后驱车型的热害问题。
参考文献：
[1]袁侠义，汽车发动机舱散热的数值仿真分析[J]，汽车工程，2009（9）.
[2]荣升格，某轿车发动机舱热流场实例研究，重庆工商大学学报，2017（10）.
[3]王露阳，基于CFD的某商用车发动机舱的改进设计[J]，江苏大学学报，2018（9）.
[4]张坤，应用CFD方法改善发动机舱散热性能，汽车工程，2011（4）.
关键词：发动机舱 热管理 仿真分析
Thermal Management Optimization of the Engine Compartment of a Front-rear-drive Vehicle
Huang Xiaozhen He Changjing Guo Tao
Abstract：Based on the development of a front-rear-drive vehicle， this paper uses fluid mechanics to analyze the flow field and temperature field of the engine compartment of a vehicle. According to the analysis results， measures to optimize the thermal management of the engine compartment are proposed. Simulation analysis and actual vehicle verification results show that thermal management optimization measures such as adding radiator and intercooler air deflector， optimizing the opening of the front grille， and increasing the lower cover air deflector significantly increase the air intake of the cooling system and reduce the transmission， and the heat damage problem of a front-rear-drive model is successfully solved.
Key words：engine compartment， thermal management， simulation analysis
1 引言
随着科技的发展与生活水平的提供，人们对汽车的动力经济性、舒服性、安全性等方面要求越来越高。无论从功能配置需求导致发动机舱内零部件的增加，或是人机空间、舒适性需求导致驾乘舱挤压发动机舱空间，还是造型流畅、风阻等方案要求压低机舱，发动机舱内布置的零部件越来越多，空间越来越紧凑，机舱散热挑战愈发增大。为了避免因机舱温度过高导致零部件工作温度过高缩短使用寿命，甚至引发自燃，在整车开发的前期，发动机舱的热管理研究十分必要。本文基于某前置后驱车型整车设计开发，发动机舱布置前期，利用STAR-CCM+软件对机舱进行流场及温度场分析，发现前端散热冷却模块进风量不足且存在高温热害区域，并针对问题提出解决方案，最后通过仿真分析及试验验证了方案的有效性，解决了机舱热害问题[1]～[3]。
2 仿真分析
某前置后驱车型匹配的发动机排气歧管位于机舱左侧中部，三元催化器布置于左侧大梁根部;由于车宽及轮胎限制，排气系统周边空间较为紧凑;三元催化器为国六排放，较国五排放的三元催化器体积增大、热辐射温度增高，同时骡子车测试发现三催旁边的变速器表面温度过高，不满足工程要求。为避免机舱过热问题，在车型开发的前期，利用CFD对机舱进行流场及温度场分析并找出解决方案。
2.1 仿真分析模型
发动机舱零部件众多，结构复杂，布置紧凑，为了简化仿真计算，在保证仿真结果比较准确的前提下，对发动机舱模型进行合理的简化，去掉直径较小的管路、线束等细小部件，最大限度保留原始机舱几何模型。进行简化后的发动机舱模型如图1所示[4]。
采用CFD软件STAR-CCM+进行数值仿真。根据实际情况合理设计发动机舱内的零部件的材料属性和热边界类型。将散热器、冷凝器定义为多孔介质，用软件中的风扇模型来模拟真实的冷却风扇。计算边界条件约束：模型入口速度采用车速15km/h以及50km/两种工况;出口压力为标准大气压;壁面边界运动速度为0m/s;环境温度为40°。
2.2 仿真分析结果
仿真计算工况条件为50Km/h和15Km/h，散热器风扇速度为2100rpm，冷却模块进风量仿真计算结果如表1所示。分析可见，50Km/h工况下，散热系统、制冷系统以及中冷系统的进风量都没有满足设计目标;15Km/h工况下，散热系统和中冷系统的进风量也没有满足设计目标。
图2为50Km/h和15Km/h两种工况下，Y=-320截面的机舱速度矢量图。图中显示，气流经过冷凝散热器加热再流过风扇后，遇到发动机及其附件的阻碍，有部分气体从冷却模块两侧绕回前方，再次进入冷却模块，有部分气体向上流动，在发动机上方形成漩涡，致使热空气滞留在发罩之下动力总成上方。
图3为50Km/h和15Km/h两种工况下，Y=-320截面的机舱流线图。从图中可以看出，气流受到发动机附件发动机、压缩机、中冷管路、悬置的阻挡，流向机舱后方排气歧管及三元催化器热源的气流很少，且气体流速缓慢，导致三元催化器周边的温度过高。
圖4为车速50Km/h，7.2%坡度工况，三元催化器提供固定点的变速器表面温度分布云图。图中显示，虽然变速器与三元催化器之间增加了隔热罩，但是靠近三催的变速器壳体表面温度高达139℃，超过了变速的工作温度120°。 以上仿真分析显示，由于格栅进风未能充分利用，流入冷凝散热器的冷空气梁减少，散热器实际散热量降低，又存在气体热回流以及散热困难，导致前端模块进风量不足，且排气歧管及三元催化器周边温度过高致使变速器表面温度高于工作温度。这些问题必须通过优化发动机舱内流场进行解决。
3 方案优化
3.1 增加前端冷却模块导风罩
热空气回流产生的原因是冷却模块前后存在压差和温差以及发动机舱内其他部件对空气流动的阻碍，为了减少回流，提高发动机舱散热性能，提出在前端冷却模块周围加挡风板的优化方案。在冷凝器及中冷器四周加挡风板，且挡风板与进气格栅区域相连接，使格栅进入的气体可全部流入前端冷却模块。前端冷却模块增加导风罩如图5所示。
增加前端冷却模块导风罩后的冷却模块进风量仿真计算结果如表2所示。仿真分析可见，通过增加前端冷却模块导风罩，散热系统、制冷系统以及中冷系统的进风量都有所提升，且都满足了设计目标。
3.2 优化格栅开口
前端冷却模块增加导风罩后，冷却模块的进风量都满足要求，但是进入格栅的空气全部流经冷凝气和散热器，温度升高，速度下降，被加热后的空气经过风扇进行向后流动，与发动机舱内其他高温部件的温差较小，对其冷却效果相对较差。因此，针对2.2的温度场分析变速器壳体表面温度过高问题，提出优化前格栅开口，将前端冷却模块导风罩之外的格栅封堵打开，让更多的自然风不经过前端冷却模块，直接进入机舱。优化前后的前格栅对比如图6所示。
优化前格栅开后，未流经前端模块的空气温度较低，速度较高，这部分空气直接流向发动机舱后方，可对发动机舱内其他高温部件起到较好的冷却作用。温度场仿真分析发现车辆启动时，自然风进入机舱，机舱前端部件表面温度下降明显，但由于三催、变速器布置与机舱后面，前方又有压缩机等部件阻挡，气体无导向流动，三元催化器与发动机之间气体流速缓慢，此处热量不能及时被冷空气带走，因此变速器表面温度虽有所下降，但还未满足要求。此外，也有些气体从车底部流入冷却模块，而汽车底部流经的冷空气流量大、流速高，这些冷空气大部分直接从车底流走，未能对变速器起到冷却作用。怠速工况下的变速器表面温度如图7 所示，格栅开口优化后，怠速工况下变速器温度有所下降，但未满足要求，还需进一步进行优化。
3.3 增加下盖板导风板
通过增加前端冷却模块导风罩以及优化前格栅开口后，冷却模块进风量满足要求，机舱受热部件有所改善，但由于机舱内气流受阻，加上从汽车底部流失，气流经过三催与变速器处较小，怠速工况下变速表面温度未到标。针对此问题，提出增加下盖板导风板，将电子风扇吹出的风集中导向三催与变速器之间，增加此处气流流动，既能起到冷却作用又可更快带走热量，降低变速器表面温度。增加的下盖板导风板如图8所示。
增加下盖板导风板后的怠速流场仿真分析图如图9图10所示。将增加下盖板导风板前后的速度分布云图进行对比可見，在怠速工况下，相比原方案，优化方案Y和Z截面三催、变速器周边风速增大效果明显。
基于以上优化方案，对发动机舱进行温度场计算分析，机舱各部件温度均有所下降，且满足各部件工在温度要求。图11为变速器表面温度，图中可见，经过优化方案，变速器表面壳体温度下降明显，最高温度为105°，在变速器工作温度120°之下，满足要求。
4 变速器热害试验
由以上仿真分析可知，通过增加前端冷却模块导风罩、优化格栅开口、增加下盖板导风板三个措施方案都一定程度降低某前置后驱车型的发动机舱热害。以下将优化后的措施进行实车验证，测量各种工况下变速器表面温度是否满足要求。变速器温度测试点如图12所示。
变速器热害实验的各工况温度测试结果如表3所示，表格中温度为监测中最高值。与各温度极限值对比，变速器各测点温度测试值均满足工程要求，变速热害实验通过。通过仿真与实车验证以上对某前置后驱车型的发动机热管理优化解决了该车的前端进风量以及变速器热害问题。
5 结论
本文基于某前置后驱车型整车开发，运用流体力学方法对该车型发动机舱进行流场分析、热管理分析，并根据分析结果提出增加散热器和中冷器导风板、优化前格栅开口、增加下盖板导风板等热管理优化措施。实车验证，经过优化后，提高了冷却系统进风量，且满足工程进风量要求;降低了变速器表面受热温度，且满足变速器正常工作温度要求，成功解决了某前置后驱车型的热害问题。
参考文献：
[1]袁侠义，汽车发动机舱散热的数值仿真分析[J]，汽车工程，2009（9）.
[2]荣升格，某轿车发动机舱热流场实例研究，重庆工商大学学报，2017（10）.
[3]王露阳，基于CFD的某商用车发动机舱的改进设计[J]，江苏大学学报，2018（9）.
[4]张坤，应用CFD方法改善发动机舱散热性能，汽车工程，2011（4）.