发动机舱布局对气热流场的影响研究

刘畅++蔡国庆

摘 要：随着当今汽车工业的不断进步，汽车前舱的散热效果成为影响汽车油耗的重要因素之一，本文从实验角度出发，研究汽车前舱各个主要部分布局不同对汽车气热流场的影响。通过汽车前舱主要部件的正交位置不同来得出结论。

关键词：前舱布局；气热流场；测量；节能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.187

0 前言

随着我国的工业化的快速推进，国家对环境保护的重视程度日益提高。国家工业和信息化部也出台了《乘用车燃料消耗量限值》及《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》来进一步加严乘用车燃料消耗限值，从2017年1月开始执行。所以车辆燃油经济性的进一步提高显得迫在眉睫。此次研究对汽车前舱建立气流场及热流场，通过改变前舱各组件的相对位置进行试验，进一步通过改进汽车前舱内部结构布局从而提高车辆的散热效能。

1 硬件部分

运用SolidWorks完成三维模型的建立，并利用3D打印技术打印出等比例缩小的实物，完成物理模型的建立，制作汽车前舱模型，与汽车模型大致比例为1：5，模型前端开口模拟进风口，采用导轨移动散热器及发动机位置，达到模拟位置变化的目的，采用单片机控制风扇转速从而调节进风量。

1.1 小比例3D打印模型

本实验研究将实际汽车模型作为建模蓝本，借助SolidWorks搭建了发动机前舱模型。发动机前舱内的主要包含了散热器、冷却风扇以及冷却水管等部件。汽车前舱格栅后相邻的便是散热器和冷却风扇，此区域也是发动机前舱完成热交换的核心区域，热交换未处理的热量还可以通过左右两侧继续处理，但是通过左右两侧继续处理的热量对实验结果影响不大，在本实验中便忽略不计。

1.2 实验模型

考虑到真实汽车前舱模型过于复杂，出于研究成本方面的考虑，所以最终将模型简化，采用铝合金板制作汽车前舱模型，与汽车模型大致比例为1：5，模型前端开口模拟进风口，采用导轨移动散热器及发动机位置，达到模拟位置变化的目的。

1.3 風速控制模块

由于需要控制风速来模拟实际不同速度下的工况，设计采用220V AC转24V DC模块、PWM直流电机调速器、RS775直流电机，将220V交流转化为24V直流输出，再由PWM直流电机调速器来对RS775直流电机的转速进行控制，从而组成风速控制模块。

1.4 三组件调节部分

三组件的相对位置以及在前舱中的绝对位置都会影响模型的散热效率，采用轴承式可调节固定座对三组件做非连续性调节，通过导轨正交分布，将散热器与发动机模型置于两滑轨之上，通过改变滑轨位置达到改变其相对位置的目的，从而可以控制单一变量达到研究散热器的位置或者是发动机位置的目的。。

1.5 测量电路

实验需要对前舱模型内的组件取点测温，以及对舱内的风速进行测量。其中温度传感器采用DS18B20，其优点是体积小，抗干扰能力强，应用简单，只需要一条口线就可以实现通信、供电等功能。实验中风速的测量包含两个部分：一、前舱模型的进风风速测量；二、散热器的进风风速测量，依次来推算出经过前舱模型的进风量以及经过散热器的进风量。实验中在散热器的上部、下部、前部等三个部位分别安装一个风速传感器，实验中尽可能的选用小体积的传感器来减小体积会对气流造成的影响，进而减小实验的系统误差。

2 软件部分

软件部分分为数据采集和风速控制两部分。需要对温度传感器、风速传感器的测量数据进行采集，同时需要满足对电机转速可调从而实现风速可调。采集系统的编写是在LabVIEW软件平台上完成。LabVIEW采用图形化编辑语言G语言编写程序，产生的程序是框图的形式。LabVIEW软件的函数库包括数据采集，GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等等。

2.1 风速调节

舱内风扇转速及风速都属于需要控制的实验变量，而这两个变量实际均由电机的转速决定，故运用单片机并采用C语言编写程序对电机转速进行控制，完成控制系统搭建。采用PWM技术，利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中，其利用单片机的数字输出来对模拟电路进行控制的一种有效的技术，其实就是使用数字量输出达到一个模拟量输出的效果。

2.2 数据采集

基于LabVIEW的虚拟仪器数据采集系统方案。LabVIEW是美国国家仪器公司（NI）研发的图形化开发环境，具有很高的灵活性和可拓展性，并且依靠计算机强大的分析计算能力以及灵活的数据处理功能，大大的降低了实验的人力物力等资源的消耗。

3 结果分析

在1：5的前舱模型中，相对于冷凝器、散热器和风扇原始的内部布局，前舱的散热效率与散热元器件及热源两者间的相对距离大致呈正态分布，通过优化前舱结构布局，从海量的实验数据中找寻到最优的一组参数，最优化的布局可实现综合工况散热效率提升19.1%，效果十分显著，可见通过优化发动机舱布局从而改进气热流场进而达到节能降耗的设想是完全可行的。

4 结语

发动机舱布局对气热流场的影响研究对提高汽车效率意义重大，通过提高散热效率来降低能耗及碳排放是当今一个新颖的思路，现在很多国外知名车企都己经着手开始研究或是已经加以应用。本实验研究提供了一个完整可行的方案，本次的实验系统和数据是基于模拟前舱，对于现今的汽车工业有一定的参考价值。

参考文献：

[1]李传峰.某新车型发动机舱热管理的研究与改进[D].上海交通大学，2013.

[2]张坤，王玉璋，杨小玉.应用CFD方法改善发动机舱散热性能[J].汽车工程，2011.

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[4]常静.基于前端格栅外形的轿车气动特性研究[D].吉林大学，2015.

基金项目：武汉理工大学国家级大学生创新创业训练计划资助（编号：20161049704021）