基于Star-CCM+的某车机舱热害性能研究

本文摘要（由AI生成）：

本文研究了汽车发动机舱内的热害性能，特别是针对大扭矩和热浸工况下排气系统周边线束的温度。通过仿真分析，发现在特定工况下，排气歧管、涡轮增压器和后处理模块处的高温可能引发线束自燃。为此，提出了在关键部位加装隔热罩的优化方案。经过多轮次优化，最终确定采用1.5mm厚度的镀铝钢板隔热罩，能够有效降低线束温度，避免高温失效或自燃。该方案不仅符合材料热性能标准，而且满足目标值要求，机舱热防治效果良好。

        本文采用计算流体力学方法，对某车发动机舱进行热害分析，主要涉及机舱内部冷却系统及排气系统周边线束的热流场，仿真计算得到大扭矩工况及热浸工况下线束温度，提出了热控制方案，与线束材料耐温试验对比，匹配性较好，最终隔热罩采用1.5mm厚度镀铝钢板，排气热源直对区域线束热浸状态最高温度降低至101.25℃，为动力附件周边线束热害防治提供理论依据。

1 计算模型

 运用有限元分析软件对某车几何结构进行处理，提取驾驶室、发动机、变速器、底盘、排气系统、冷却系统、货箱等系统部件的外表特征，要求几何能完整表达各系统部件表面详细特征，着重细化进气格栅、冷却模块、发动机热部件、排气系统及周边线束等相关部件特征。将处理过网格模型导入到流体软件中，建立风洞仿真模型，修正面网格质量并标记特征线。根据模型特征，采用流体软件中Trimmer单元进行域的设定，冷凝器、中冷器及散热器芯体采用多孔介质模拟，设定惯性阻尼、粘性阻尼系数及方向，冷凝器、散热器及中冷器芯体设置高温流体与外界空气的热交换性能，发动机、排气周边线束、排气系统隔热罩、管路结构及涡轮增压器等高温部件设置热物理性能属性。整车热害分析模型总网格数为3022万个。整车网格模型中截面如图1所示。

图1 整车网格模型中截面

2边界条件

入口边界设置为风速，出口边界设置为标准大气压值，模拟风洞的周边为滑移壁面，地面设置行车速度，驾驶室下部区域地面设置一定摩擦性能。在排气歧管、涡轮增压器和后处理模块处安装隔热罩条件下，本文大扭矩工况特指发动机转速为1300r/min时运行工况。

分别计算大扭矩工况及热浸工况下排气周边线束温度，若上述工况满足性能要求，则发动机舱热害性能满足要求。某车排气系统周边线束温度目标值为105℃，一般情况下，热浸工况较为恶劣，查看仿真软件计算得出的速度场及温度场，输出大扭矩工况及热浸工况下线束表面最高温度，评判热害性能。

3.流场计算

大扭矩工况时，整车流场较为通畅，发动机舱内由于散热器风扇高速转动，带动气流变化，风速急剧增大，整体气流分布良好，压力经过散热器与中冷器进一步下降。流经后处理的气流流速比较低，流场较为通畅，压力变化较小。整车流场速度云图及后处理系统速度云图如图4、图5所示。

热浸状态，即风洞入口流速设为0.2m/s，整车流场处于自然对流状态，流速基本为0，压力基本没有变化，压降接近0。散热器周围空气及流经后处理系统的气流速度接近0，压力变化接近0。

4.热场计算

大扭矩工况时，整车主要高温区在发动机舱与后处理模块处，发动机舱平均温度达到70℃以上，由于空气的流动把发动机舱处的热量带走，使整车底盘温度分布较为均匀，排气歧管处与涡轮增压器周围温度可达120℃ ，后处理周围温度可达80℃ ，由于空气流通，温度扩散较为均匀。整车温度场、发动机舱温度场及后处理系统温度场云图如图2示。

图2 发动机舱温度场云图

热浸状态整车主要高温区在发动机舱排气歧管、增压器与后处理系统模块处，发动机舱平均温度达到150℃以上，由于空气不流动，只靠自然对流散热，高温集中于发动机舱处，且不易扩散降温。热浸状态排气歧管附近温度高达180℃、后处理模块附件温度高达160℃ ，接近塑料材料燃点温度，容易引起线束自燃，建议在排气歧管、涡轮增压器与后处理模块周围加上隔热罩进行热害防护。整车温度场、发动机舱温度场及后处理系统温度场云图如图3所示。

图3  发动机舱温度场云图

5. 优化研究

在原计算基础上，进行多轮次优化，优化方案中隔热罩材料为铸铁和镀铝钢板两种，分别计算不同料厚为的隔热罩隔热性能。

加装3.0mm厚度铸铁材料隔热罩，线束温度有所降低，排气歧管、涡轮增压器与后处理上附有隔热罩，热量经辐射作用传递至最近的线束，大扭矩工况时，涡轮增压器处线束最高温度为94.45℃，后处理处线束最高温度65.98 ℃；热浸时，涡轮增压器处线束最高温度97.79℃，后处理处线束最高温度66.27 ℃，温度较低，能够有效的保护线束，避免因为温度较高而失效甚至自燃。计算表明，大扭矩工况时，采用1.5mm厚度的铸铁隔热罩最高表面温度为99.54℃，采用厚度3.0mm的铸铁隔热罩时最高表面温度94.54 ℃；热浸工况时，采用厚度1.5mm的铸铁隔热罩时最高表面温度为102.98 ℃，采用厚度3.0mm的铸铁隔热罩时最高表面温度97.45 ℃，采用较薄隔热罩利于降本，其最高温度有所提升。

采用1.5mm厚度镀铝钢板材料隔热罩时，排气歧管、涡轮增压器处线束表面最高温度，大扭矩工况时达97.25℃，热浸工况时达101.25℃。计算表明，采用3mm镀铝钢板隔热罩，线束在高温部件排气歧管、涡轮增压器与后处理模块隔热罩的防护下，大扭矩工况时，涡轮增压器处线束最高温度为92.75℃，后处理处线束最高温度62.87 ℃；热浸时，涡轮增压器处线束最高温度95.34 ℃，后处理处线束最高温度61.69℃。温度较低，能够有效的保护线束，避免因为温度较高而失效甚至自燃。

采用铸铁及镀铝钢板材料的不同厚度隔热罩隔热性能体现于线束表面最高温度。其中相对于1mm厚度隔热罩，1.5mm厚度隔热罩隔热性能有大幅度改善，随着厚度增加，隔热性能改善情况相对趋缓，采用1.5mm厚度的铸铁隔热罩及1.5mm的镀铝钢板隔热罩，排气歧管、涡轮增压器处线束及后处理附件最高表面温度均小于目标值，鉴于轻量化要求，选用1.5mm厚度的镀铝钢板隔热罩方案。

6 结论

基于整车数模及流体热力学理论建立整车热害仿真模型，分别计算大扭矩及热浸条件下涡轮增压器、排气等高热源周边线束的极限温度，增加1.5mm镀铝钢板隔热罩后符合材料热性能标准，与试验结果匹配度较高，满足目标值要求，机舱热防治效果良好。