后置客车发动机舱温度场试验

后置客车发动机舱温度场试验 *后置客车发动机舱温度场试验 1221沈凯,徐向阳,王先勇,倪计民 (1. 同济大学汽车学院，上海 201804; 2.一汽客车(无锡)有限公司，江苏无锡 214177) 摘要:针对后置客车发动机冷却系统散热不良的情况，通过客车道路试验，实测了后置发动机舱空间各点温度分 布情况，并分析了温度场分布的原因。对比了在不同车速下，百公里油耗和发动机舱温度场分布的关系，分析温 度场分布随车速变化的规律。指出在保证冷却系统冷却能力的情况下，冷却空气流量与散热器散热量成正比。并 利用场协同理论，分析发动机舱内流场和传热特性，指出发动机舱内布置要减少涡流并尽量使温度梯度与流动方 向一致。 关键字:后置发动机舱;温度场;场协同 码:A 中图分类号:TK402 文献标志 Temperature Field and Influences in Rear Engine Compartment 1221 SHEN Kai, XU XiangYang, WANG Xianyong, Ni JiMing (1.School of Automotive Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China 2.FAW Bus and Coach (Wuxi) Co..Ltd, Wuxi 214177, China) Abstract:The temperature field in the rear engine compartment was measured and its cause was analyzed with the bus road test for defective cooling system in the rear engine compartment. The relationship between temperature field and brake specific fuel consumption at different bus speeds is compared. The comparative study results explains why the temperature field changes with bus speeds and indicates that when the cooling capacity of the cooling system is large enough, the air mass flow of cooling air is in proportion to the heat release of the radiator. Flow field and heat transfer characteristics are analyzed in engine compartment according to the field synergy principle. A proposal is put forward to try out decreasing vortex and keeping the direction of flow and temperature gradient consistent in the arrangement of rear compartment. Keywords:rear engine compartment; temperature field; field-synergy 对发动机及其配件寿命带来严重影响。而造成后置 发动机冷却系统散热不良的主要原因是发动机的冷引言 却系统没有迎面风，其冷却空气主要依靠冷却风扇 近年来，客车发动机后置越来越成为主流，主和侧面格栅进风。研究表明，后置发动机与前置发 [1]要因为后置式发动机客车具有客舱噪声小、舒适性动机相比冷却风量损失30%以上。 高。轴负荷均匀、传动链短、机械效率高以及发动因此后置发动机客车冷却系统的工作能力至关 机舱空间大。各部件相对方便配置等优势。但是在重要，如今一般研究的重点主要放在零部件的优化 使用中发现，后置发动机存在不同程度的水温偏高，上，其中以散热器和风扇的优化改进最为突出。如 [2]甚至散热器冷却水沸腾。发动机过热等不良现象，增加散热器正面积以扩大迎风面积;减小散热器 收稿日期:2012-4-18 作者简介:沈凯(1984-)，男，江苏南通人，博士生. E-mail:generalsk@163.com 1.2 测点布置 芯子厚度来减小风阻;改变散热器结构参数增加散 [3]热肋片提高散热效率等。提高风扇转速，改变风试验中，为了对发动机舱温度场进行测量，共扇叶片数量，优化风扇叶片角度等提高风扇气动性布置有10个机舱空间温度测点，分别为发动机舱背[4-6]能的研究。除了对零部件的改进，研究人员对减面出口处(靠左)T测点、发动机下方T测点、发12[7-8]小空气流道阻力也提出了相关的设计和设想。但动机右侧偏下T测点、发动机前T测点、发动机34是关于发动机舱整体布置对冷却系统的影响的研究上方(靠近发动机进气管)T测点、靠近左边格栅5相对较少。 处T测点、发动机右侧偏上冷却风扇之后T测点、67基于上述原因，以某后置客车为研究对象，针膨胀水箱处T测点、发动机舱背面出口处(中间)8对冷却系统过热甚至“开锅”问题，通过道路试验观T测点、发动机左侧偏上(靠近助力转向油泵)T910察发动机舱温度分布情况。因为在环境温度比较低测点。试验用客车后置发动机舱如图1所示，具体并保证冷却系统散热能力的情况下进行道路试验，测点布置如图2所示。 可以更加清晰地观察后置发动机舱热点分布情况， 分析热点分布对发动机冷却系统的影响，并通过道 路油耗试验，分析油耗、车速和后置发动机舱温度 场变化。 1 试验仪器和方法 1.1 试验仪器 试验中选用记录型多点温度采集仪测量温度场 分布，利用光电式车速仪测量车速，采用“挂油桶称 图1 试验客车发动机舱布置 重法”测量油耗。具体仪器参数如表1所示。试验用 Fig.1 Engine compartment arrangement 客车的主要参数如表2所示。 表1 试验测量设备和仪器 Tab.1 Test instrument 膨胀水箱T5T8仪器 精度 T10记录型多点温度采集仪 0.1? 散发动机干湿球温度计 0.1? 压缩T热7T-11T3光电式车速仪 0.1km?h 机器T610N 油底壳轴重台(ZD2001B) 0.001kg 电子秤 T2 轮胎轮胎表2 试验客车主要参数 Tab.2 Main parameters of bus a 后视 长/mm 宽/mm 高/mm 轴距/mm 油箱容积/L 10350 2180 3418 5000 280 2轮胎规格 车轮额定载荷 迎风面积/m T滤清4散11R22.5-16PR 单胎3000，双胎2725 7.64 器T热7整车整备 有效制动半径/mm 制动效率 器发动机质量/kg T3TT106T510500 176 0.95 压缩整车满载 传动系布 机变速箱传动比 膨胀水箱质量/kg 置形式 6.75，3.87，2.36， 4×2 TTT19814200 后置后驱 1.47，1，0.83 b俯视 倒档速比 主减速比 效率 6.21 4.11 0.96 图2 发动机舱温度测点布置 ，尽管此处靠近发?发动机舱内最低点出现在点T2 Fig.2 Temperature of observation site 动机油底壳和排气管，但是由于高度已经基本和整 车底盘齐平，顺着底盘的迎面风已经可以流到发动1.2 试验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 机下方，对发动下部进行降温。?点T在发动机和3 试验主要在高速公路上进行，为了能准确计算风扇之间偏下方的位置，此处受到底盘风的影响依发动机转速，在恒定速度行驶时挡位始终在直接挡。然较大，但是也有部分经过散热器加热的冷却空气 -1分别测量在40、50、60、70、80、90km?h时的流过，所以温度比点T稍高。?点T位于发动机27油耗和机舱空间各点的温度。整车空载质量为和风扇之间距风扇较近，此处位置较高，底盘风已10500kg，试验中实际载荷为13800kg。试验过程中，经很少能影响到，主要是经过散热器加热的冷却空环境温湿度基本稳定，温度范围为5~7?，相对湿气流过，温度上升很快。?点T在发动机和左侧10度范围为38%~40%，基本无风，环境条件良好且比格栅之间，从格栅进入的环境空气由于角度和发动较稳定。 机舱内结构的关系多数无法流过，加上发动机的阻 挡，从右侧冷却风扇吹来的冷却空气对此处的影响 也很少，所以温度较高。?点T在发动机上方，受2 试验结果分析 5 到发动机散热的直接影响，加上发动机舱内的热空 气大多数经过此处后由发动机舱后出口排出，当客2.1 发动机舱温度分布 车低速行驶时，发动机舱内空气一部分从舱后背面2.1.1不同高度温度分布 排出;但由于底面开口较大，车速较低时也有一部 分别比较客车在不同车速下发动机舱内空间不分热空气从机舱底面排出。但在车速较高时，一方同高度各测点温度分布，如图3所示。 面是发动机和散热器的散热量随之增加，另一方面 由于车速较高，机舱内部与舱外环境空气相比形成 负压区域，大量环境空气从两侧格栅和机舱底面涌 入，而从底面排出的热空气比例随之减少，相应的 从机舱背面出口排出的热空气量增加，即经过发动 机上部的热空气量增加，导致此处温度上升很快。 因此此处的发动机进气管保温 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 显得尤为重要， 如果受到此处温度影响，会直接降低发动机的充气 效率。 2.1.2 同一高度温度分布 选择接近发动机上部的某一平面，测试其温度 分布。因为右侧格栅附近有散热器和风扇阻挡无法 布置测点，所以仅测得从左到右，点T、T、T1076 的温度分布，如图4所示。 图3 不同高度机舱空间各点温度 Fig.3 Temperatures of the different height 从图3可以看出，在发动机舱内不同高度温度 变化存在明显的梯度特点。自点T开始温度较低;2 点T，温度有所升高，但是升温幅度不大;到点T、310 T时，与下方两点的温差突然变大;再到发动机上7 方时，温度变化呈现与车速的相关性，客车低速行 驶时温度较低，随着车速提高，温度升高很快，高 速行驶时，发动机舱内最高温度出现在该点。 对发动机舱温度场分布特点的综合分析认为: 图6 测点温度随车速的变化 Fig.6 Temperatures at different speeds 从图6可以知道，机舱各测点温度多数随着车 图4 同一高度机舱空间各点温度 速的变化而变化，但是也有空间点温度随车速的变 Fig.4 Temperatures of the same height 化幅度不大，如点T、T、T。分析认为，左侧格6710 栅附近受环境温度影响较大，但是在车速达到从图4可以看出，在发动机舱内同一水平高度，-190km?h时，温度突然降低，说明在车速较高的情发动机左侧越靠近发动机温度越高。但是在发动机况下，大量环境空气涌入打破此处热平衡，导致了右侧空间内，温度变化不大。分析认为，左侧格栅温度的下降，可以预见，若车速继续提高，点T的6由于角度的关系只有一部分冷却空气流向发动机，温度将继续下降。 而右侧格栅的进风受到冷却风扇的驱动，有大量的在发动机左侧，助力转向油泵附近，此处离发冷却空气经过散热器加热后流向发动机，但在发动动机本身较近，离左侧格栅较远，同时因为发动机机表面形成回流，与冷却风扇空气再混合，因此在的阻挡，冷却风扇的冷却空气也很少能涉及此处，发动机和冷却风扇之间的对流较强，且存在回流和上述原因导致此处温度较高。与点T相反，由于受6涡流，在这片区域内温度变化不大。 发动机散热影响较大，受左侧格栅处冷空气影响较 -12.2 机舱空间各点温度随车速的变化 小，在车速达到80km?h时，发动机散热量增加幅度超过冷空气风量增加幅度引起点T的温度升10客车道路试验中，因为档位不变，百公里油耗高。 变化基本随车速提高而增加，如图5所示， 点T位于风扇和散热器后，图3和图6都表明7 此处温度随着车速变化基本保持不变，说明在发动机冷却系统散热能力完全满足的情况下，通过电磁离合器风扇调节冷却风量，冷却空气出口温度基本 [9]不变，这与其他试验中结果是吻合的。由此根据 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 (1)可知，在可调速冷却风扇调节下，散热器散热量与冷却空气流量成正比。 Qqcttqctt,,,,()()(1) vwva112243 qQJ式中，为散热器散热量，;为冷却水流量vw ,1,1ct;为冷却水比热，;为散热kgs,JkgK,,()11 t器进口冷却水温度，?;为散热器冷却水出口温2图5 直接挡情况下车速与油耗的变化关系 ,1qc度，?;为冷却空气流量();为冷kgs,Fig.5 Fuel consumption and speed at direct gear va2 ,1t却空气比热，;为冷却空气进口温JkgK,,()3发动机舱空间各点温度随车速的变化情况如图 t度，?;为冷却空气出口温度，?。 6所示。 4 在靠近机舱上部出口处，布置了T，T，T，合的角度出发提出了对流传热强化的场协同理论198[10-11]分别是左、中、右3点，如图7所示。随车速变化，该理论把对流传热比拟为有内热源的导热，的温度分布如图6所示。 热源强度不仅取决于流体的速度和物理性质，流速 矢量与热流矢量的协同作用对对流传热也有关键影 响。对流的存在不仅能强化传热，也可能对传热无 实质影响，甚至会削弱传热。二维场协同的换热原 理如无因次关联式(2)所示。 1 (2) NuUTdy,,,RePr(),0 式中;,为和的夹UTUT,,,,cos,,TU 角;Nu为努赛尔数;Re为雷诺数;为普朗特Pr -1,TU数;为流体速度矢量，m?s;为温度梯度?。 cos,因此当,0，即0?,,,90?时，随Nu 图7 发动机舱出口处随车速的温度变化 ,,的减小而增大，当=0?时，Nu达到最大值。 Fig.7 Temperatures and speeds 而发动机舱中发动机和散热器表面温度梯度变化发动机舱背面上部出口附近温度相差不大，基 示意图基本如图8所示。可以明显发现除了热源附本上保持在20?~30?之间，点T随着车速提高温1 近温度梯度比较大、等温线比较密集外，右侧空间度也慢慢提高。低速行驶时，点T相对其他2点温8 的等温线比左侧密集很多，这是因为在冷却风扇和度稍低，那是因为点T被膨胀水箱阻挡，流经散热8 散热器的作用下经过散热器加热的冷却空气流到器和发动机被加热的热空气很少从右边排出，此处 发动机时引起了涡流。涡流是影响壁面换热的重大可以说是整个发动机舱的死角。但是随着车速的增 -1因素，这是因为涡流事实上多数是由流体受到回流加，特别到80 km?h时温度上升很快，而点T的9 影响形成。根据式(2)，在冷却壁面时，当冷流体温度却下降，这是因为发动机转速提高导致整个发 动机舱的散热量增加，而车速提高后冷却风量随之,正对热壁面流动时，是=0?、流体沿着最大温度增加，点T温度反而下降，点T由于没有足够的98 梯度方向的流动、Nu最大，换热系数最大的时候。风量将热量排出，因此温度反而比点T高。点T98 在发动机散热量小、冷却系统散热效果较好时温度,Nu一旦发生回流，回流的=180?，是为负值最较低。而在发动机散热量大、冷却系统散热效果差 小的情况，因此回流的产生会极大削弱壁面的冷却时，将会是整个发动机舱内温度最高点之一。 效果。 除上述各点外，从图7可以知道，随车速增加 而温度升高的还有点T，T。这2点的温度上升率23 较小，如T、T温度升高是由于靠近油底壳，转速23 增加后，机油泵流量增加，润滑系统带走热量增加， 使油底壳温度升高，但又由于2点都靠近底盘，车 速提高后迎面风量也大大增加，因此温度升高并不 快。点T位置比点T稍高，所以温度也较高，但32 是升温率基本和点T一样。 2-1图8 车速50 km?h时发动机舱某水平面温度分布示意图 Fig.8 Temperature distribution in a plane of engine compartment 3 场协同与发动机舱温度场 -1at speed 50 km?h 在发动机舱的布置中，减少回流将有效提升散清华大学的过增元教授从流场和温度场相互耦 验科学与技术[J],2005, S1(10): 175. 热效果。首先在冷却风扇和发动机之间尽可能少布 Chen Ziling. Simulation and Optimization of the Length of 置零部件，以减少风道阻力和回流;其次，在发动 Radiator Wing and the Influence on Heat Dissipation [J]. 机表面可以安装90?圆角导流板，引导冷却风经过 Experiment Science & Technology, 2005, S1(10): 175. 发动机表面后不会回流而是改变方向从发动机舱 [4]上官文斌，吴敏，王益有，等. 发动机冷却风扇气动性能尾部出口流出。另外，在对发动机舱内部件进行冷 的计算方法[J]. 汽车工程. 2010, 32(9):799. 却时，舱内散热单元布置应该尽量遵循沿冷却空气 Shangguan Wenbing, Wu Ming Wang Yiyou. Calculation 流动方向，并根据温度逐渐升高的顺序排列，使换 method of aerodynamic performances of engine cooling fans [J]. 热效率达到最大化。 Automotive Engineering. 2010, 32(9): 799. 实际的后置客车发动机舱中零部件繁多，舱内 [5]Moreau S, Bennett E. Improvement of Fan Design Using 流场非常复杂，零部件布置会直接影响发动机冷却 CFD [C]. International Congress & Exposition, Detroit, 1997, 系统及舱内的散热效果。而有效的热管理分析可以 Society of Automotive Engineers, 1997,106(9). 优化冷却系统，保证零部件可靠工作，降低整车油 [6]徐锦华，倪计民，石秀勇，等.车用冷却风扇安装位置对耗，实现节能减排。 其性能影响的分析研究[J],汽车技术，2012, 436(1): 1. Xu Jinghua, Ni Jiming Shi Xiuyong. Investigation on the effects 4 结论 of mounting position on performance of automobile engine cooling fan [J]. Automobile Technology. 2012, 436(1): 1. (1)就本研究车型而言，从后置发动机舱空间 [7]廖清华.后置发动机大客车水箱风道导流板的设计[J].客车温度分布来看，上部温度较高，下部温度较低，发 技术,1997,16(4):18. 动机右侧空间温度比左侧稍高。最高温度出现在发 Liao Qinghua. Design of air guide in the rear-mounted engine 动机上部，因此要加强发动机进气管的保温措施， [J]. Bus & Coach Technology. 1997,16(4):18, 否则会导致充气效率下降。 [8]胡骅.后置水冷发动机客车底盘冷却系的布置[J].客车技术(2)在发动机冷却系统散热能力足够的情况 与研究.1991,13(3):207. 下，冷却风扇调节转速使冷却空气出口温度随车速 Hu Hua. Arrangement of the bus cooling-system with the 基本保持不变，冷却空气流量与散热器散热量成正 rear-mounted engine [J]. Bus & Coach Technology and 比。 Research. 1991,13(3):207. (3)发动机舱内产生的涡流是削弱壁面降温的 [9]王忠，历宝录，黄成海，等.后置发动机客车机舱空间温重要原因。舱内各部件的布置应该尽量使温度梯度 度场的实验研究[J].汽车工程, 2006,28(3):262. 方向与流动方向相同。 Wang Zhong, Li Baolu, Huang Chenghai. An experimental (4)原车型发动机舱温度场和流场的测量、模 study on the temperature field in engine compartment of rear 拟分析对优化冷却系统和发动机舱设计起到至关重 engine bus [J]. Automotive Engineering, 2006, 28(3): 262. 要的作用。在保证车辆可靠运行的基础上，降低油 [10]过增元.换热器中的场协同原则及其应用[J].机械工程学耗，实现节能减排。 报.2003,39(12):1. Guo Zengyuan. The field synergy principle and application in 参考文献 heat exchange [J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering. [1]于恩中，孙彦君，吴明，等.发动机后置客车冷却系的总2003,39(12):1. 体布置与设计[J].客车技术与研究,2006,28(3):30. [11]过增元.对流换热的物理机制及其控制:速度场与热流场Yu Enzhong, Sun Yanjun, Wu Ming, The overall arrangement 的协同[J].科学通报, 2000,45(19):2118. design of the bus cooling-system with the rear-mounted engine Guo Zengyuan. Physical mechanism and control of heat [J]. Bus & Coach Technology and Research, 2006, 28(3): 30. convection [J]. Chinese Science Bulletin, 2000,45(19):2118. [2]Chiou J P. The effect of the flow nonuniformity on the sizing of the engine radiator [C]. SAE Transactions, Warrendale, Society of Automotive Engineers, 1980,89(1):223-230. [3]陈姿伶.散热器翅片长度对散热能力影响的仿真研究[J].实