基于計(jì)算流體力學(xué)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)散熱器分析獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

基于計(jì)算流體力學(xué)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)散熱器分析獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

摘

要：近年來我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，私家車成為人們主要的代步工具。散熱器是汽車?yán)鋮s系統(tǒng)重要的熱交換單元，是復(fù)雜的氣熱交換單元。散熱器的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是在匹配水阻、風(fēng)阻性能的基礎(chǔ)上，滿足整車動(dòng)力總成的散熱需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)成本和質(zhì)量的最優(yōu)化。本文就基于計(jì)算流體力學(xué)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)散熱器展開探討。

引言

冷卻系統(tǒng)散熱器是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，對發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性有很大影響，是保持發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的重要部件。如果發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱器的維修率一直很高，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)其他部件的損壞，使發(fā)動(dòng)機(jī)的整體工作能力受到影響，因此，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱器的維護(hù)和保養(yǎng)就顯得尤為重要。

1發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)

構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的主要部件有水泵、節(jié)溫器、散熱器、冷卻風(fēng)扇等。每一個(gè)部件在冷卻系統(tǒng)中都起著不同的作用。人們對發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能追求越高，發(fā)動(dòng)機(jī)排量的增加就會(huì)使缸內(nèi)的部件的承受壓力增加，這時(shí)需要冷卻系統(tǒng)給發(fā)動(dòng)機(jī)降溫，把發(fā)動(dòng)機(jī)工作中產(chǎn)生的熱量帶走。冷卻系統(tǒng)的散熱功能和發(fā)動(dòng)機(jī)工作帶來的熱量相互聯(lián)系，一旦發(fā)動(dòng)機(jī)工作產(chǎn)生熱量過大而超出負(fù)荷，就會(huì)給冷卻系統(tǒng)帶來一定損害。所以，在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)工作時(shí)需盡量縮短時(shí)間，這樣不但不會(huì)浪費(fèi)冷卻系統(tǒng)功率，減少發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速時(shí)排出的污染物，還會(huì)給車主帶來一定的經(jīng)濟(jì)性能，節(jié)約油耗和冷卻液。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)要綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的摩擦情況、冷卻系統(tǒng)的功率、冷卻液的量等。要想更好地保障發(fā)動(dòng)機(jī)良好工作，需降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門周圍金屬的溫度。因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，溫度最高的地方是排氣門區(qū)域的溫度。冷卻系統(tǒng)冷卻溫度的基礎(chǔ)是發(fā)動(dòng)機(jī)滿負(fù)荷時(shí)最大散熱率。當(dāng)冷卻系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)不能相符合時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生大量油耗，污染物的排放也會(huì)增加。要想改善這個(gè)問題，就要把冷卻系統(tǒng)工作溫度提高。發(fā)動(dòng)機(jī)工作帶來的熱量會(huì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用和冷卻效果，技術(shù)人員可以將冷卻系統(tǒng)的溫度調(diào)到140℃左右，氣缸溫度上升到185℃左右，相對降低油耗，提高冷卻系統(tǒng)工作溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的機(jī)油溫度，降低發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的部件磨損，從而減低汽車油耗。

2散熱器參數(shù)設(shè)計(jì)

4基于計(jì)算流體力學(xué)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)散熱器分析

4.1散熱器布置

一般轎車多采用散熱器橫流水結(jié)構(gòu)，因?yàn)檗I車車身較低，空間尺寸緊張。橫流水結(jié)構(gòu)散熱器能充分地利用轎車的有限空間最大限度地增加散熱器的迎風(fēng)面積。散熱器分成水冷和風(fēng)冷兩種冷卻形式，風(fēng)冷主要用在行駛在沙漠地帶的車輛的冷卻，但是絕大多數(shù)的車輛采用水冷冷卻形式。散熱器的懸置通常為四點(diǎn)懸置，也可以采用三點(diǎn)懸置。其中主懸置點(diǎn)為2個(gè)，輔助懸置點(diǎn)為2個(gè)或1個(gè)。所有懸置點(diǎn)應(yīng)布置在同一個(gè)部件總成上，改善散熱器受力情況，以盡量減少散熱器的振動(dòng)強(qiáng)度。主懸置點(diǎn)與其連接的部件總成之間以膠墊或膠套等柔性非金屬材料過渡以達(dá)到減震的目的。主懸置點(diǎn)的膠墊壓縮量一般為其自由高度的1/5左右。少數(shù)轎車因其整車的減振膠墊或膠套而進(jìn)行剛性連接。

4.2更換冷卻液

更換冷卻液時(shí)，將儀表板的暖風(fēng)開關(guān)撥至右端使暖風(fēng)控制閥全開，拆下冷卻液膨脹箱蓋，松開水泵口軟管夾箍，拉出冷卻液軟管，放出冷卻液后再將軟管夾箍擰緊。在膨脹箱中加入冷卻液，直到液面高度與最高標(biāo)志齊平為止，擰緊膨脹箱蓋。啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，直到風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)，將發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，檢查冷卻液高度，必要時(shí)補(bǔ)充。膨脹箱內(nèi)冷卻液加注1/2即可，不能注滿，一般使用2年左右更換一次。

5發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的發(fā)展

為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能，設(shè)計(jì)工作者要注意冷卻系統(tǒng)中的各個(gè)部件。要將風(fēng)扇、水套、散熱器等部件優(yōu)化匹配，經(jīng)研究得到仿真計(jì)算，以改變風(fēng)扇的具體結(jié)構(gòu)，從而提高風(fēng)扇降溫的性能。正確的選擇風(fēng)扇材料，不但能夠提高風(fēng)扇性能，降低風(fēng)扇功率，改善風(fēng)扇結(jié)構(gòu)以阻止氣體的回流，還可大大增強(qiáng)風(fēng)扇在冷卻系統(tǒng)中的效率。在冷卻水套設(shè)計(jì)上，要對缸墊水孔出水位置、尺寸以及機(jī)油冷卻器出口位置進(jìn)行合理調(diào)整，讓防凍液能夠充分流動(dòng)。要想提高發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的效率，需從兩個(gè)方面入手。首先是新材料的應(yīng)用及部件結(jié)構(gòu)的新設(shè)計(jì)，其次是對部件的智能驅(qū)動(dòng)方式。傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)中，風(fēng)扇和水泵的效率普遍不高，給冷卻系統(tǒng)造成了大量的能源浪費(fèi)。為提高冷卻風(fēng)扇的效率，用塑料翼形風(fēng)扇取代圓弧型直葉片冷卻風(fēng)扇。從氣體動(dòng)力學(xué)的角度分析，翼形風(fēng)扇能夠改善風(fēng)扇流場，提高風(fēng)扇效率。另外，塑料表面的光潔度較高，使風(fēng)扇高效區(qū)變寬。傳統(tǒng)的冷卻風(fēng)扇由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，裝風(fēng)扇的發(fā)動(dòng)機(jī)與裝有風(fēng)罩的散熱器必須分別用彈性支座固定在車架上。為避免在汽車運(yùn)行中因振動(dòng)而引起風(fēng)扇與風(fēng)罩相碰，風(fēng)扇葉輪與風(fēng)罩的徑向間隙的設(shè)計(jì)數(shù)值大于15mm，大大降低了風(fēng)扇的容積效率。風(fēng)扇的總效率取決于容積效率、機(jī)械效率和液力效率的乘積。傳統(tǒng)風(fēng)扇葉片采用薄鋼板沖壓而成，其液力效率液較低，又加傳動(dòng)存在打滑損失，其機(jī)械效率不高，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)冷卻風(fēng)扇的總效率只有25%左右。采用電控風(fēng)扇后，由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，與原來的皮帶傳動(dòng)相比，機(jī)械效率明顯提高。電控冷卻風(fēng)扇完全脫離發(fā)動(dòng)機(jī)，與風(fēng)罩、散熱器安裝為一體，保證了風(fēng)扇與風(fēng)罩的同心度，進(jìn)一步減小了徑向間隙，導(dǎo)致風(fēng)扇容積效率容大幅度提高。另外，采用翼形端面塑料和流線型風(fēng)罩，使風(fēng)扇氣流入口形成良好的流線型氣流，提高風(fēng)扇的液力效率液。綜合各項(xiàng)措施，最終使電動(dòng)風(fēng)扇的效率達(dá)到80%左右。