摘要：汽車排氣管是發動機艙內溫度最高的部件，它周圍零部件的熱保護如果欠缺特別容易引起相關部件的損壞。某車型進行樣車熱害試驗時發現排氣管周圍的壓縮機局部溫度顯著超出其最高耐溫，存在嚴重的熱害風險。為了排除壓縮機熱害風險，本文采用CFD方法,從熱輻射和空氣對流兩個角度，分析壓縮機熱害產生的原因，通過從改變前格柵開口、改變冷卻風扇，移動壓縮機改變間距，增加并優化排氣管隔熱罩形狀，改變排氣管隔熱罩材料這幾個措施，降低預催對壓縮機的熱輻射，改善壓縮機附近的空氣對流換熱情況。仿真結果顯示最終方案能夠使得壓縮機表面最高溫度降低約70℃，并且在最終的試驗中，壓縮機表面溫度低于耐溫限值，成功解決了該車型的壓縮機熱害問題。這種通過全面改善壓縮機周邊對流及輻射環境來解決熱害問題的方法，對解決發動機艙內部件的熱保護問題具有重要的借鑒意義。

汽車的壓縮機對汽車空調的制冷劑有壓縮和輸送的作用^[1]，被譽為汽車空調的心臟。壓縮機內部的密封橡膠圈和潤滑油，在高溫環境下工作容易破壞，破壞后容易引起壓縮機的異響或拉缸，甚至造成壓縮機的磨損報廢，所以汽車壓縮機要避免出現熱害風險。汽車排氣管系統是發動機艙內溫度最高的部件，某些工況下能夠達到 600～800℃，這個高溫的表面會對周邊零部件產生強烈的輻射，同時會顯著加熱流經周圍的空氣，進而高溫的空氣會對下游產生明顯影響。

由于試驗費用和仿真精度等問題國內一般車企都采用仿真和試驗相結合來解決和規避汽車零部件的熱害問題。某車型進行熱害試驗時發現壓縮機局部溫度超出其最高耐溫，存在嚴重的熱害風險。

本文采用STARCCM+流體軟件,從熱輻射和空氣對流兩個角度，分析壓縮機熱害產生的原因，通過從增加前格柵開口增大進入機艙的冷風量、增大冷卻風扇的尺寸和轉速以加大機艙內冷風的抽入量，移動壓縮機的布置位置，使它遠離排氣管熱源，增加排氣管隔熱罩，隔絕排氣管對壓縮機的輻射，優化上游排氣管隔熱罩，降低對經過排氣管路空氣的加熱，從而減少對處于氣流下游位置壓縮機的加熱效果，改變排氣管隔熱罩材料提高其隔熱效果這幾個措施，改善壓縮機附近的空氣對流換熱情況，降低預催對壓縮機的熱輻射，最終經過試驗驗證，壓縮機表面最高溫度降低約50℃。

1 方法

1.1 理論公式

流體運動遵循質量守恒、動量守恒和能量守恒定律。同時這三大定律對流體運動的數學的詳細描述形成了流體力學的基本方程組^[2]。本文采用STARCCM+10.04版本軟件，同時計算流場、輻射和固體傳熱。求解流場的NS方程和固體導熱方程是采用有限體積法，計算輻射是用面到面的熱輻射計算。

1.2 網格處理

隨著表面網格、邊界層網格和其他體網格的精細化，計算結果一定會越來越精確，但同時帶來計算時間的延長。工程上的反饋周期往往是嚴格要求的，在有限的計算資源條件下，只能適當減少網格數量，犧牲一定的計算精度以換取時間得到完全的保證。鑒于工程反饋時間要求和計算資源的約束，本文的網格采取如下設定：邊界棱柱網格厚度5 mm；隔熱罩固體網格大小2 mm；邊界棱柱網格層數2；汽車面網格1～16 mm；冷凝器、中冷器、散熱器體網格大小2～4 mm；體網格總數約3 000萬。

圖1  機艙網格模型圖

圖2  整車計算模型圖

1.3 試驗及仿真的邊界條件

考察發動機艙內部件熱保護能力的環境艙試驗的工況為車速 60 km/h，負載坡度10%，CFD的模擬也為了盡可能地和試驗一致，由于難以通過發動機建模模擬在負載10%坡度時的排氣系統發熱量，因而本文將基礎試驗中測得的排氣管表面溫度作為CFD分析中的溫度邊界條件，進而在各個情形條件下模擬空氣流動、輻射來考察處于排氣管周圍的壓縮機表面的溫度。

空氣密度：1.14 kg/m³，比熱：1003.62 J/kg-K ，熱導率：0.026 W/m-K。本分析中散熱器 、中冷器和冷凝器采用多孔介質模型；風扇用 moving reference frame 模型，其它固體表面采用絕熱邊界條件，所有隔熱罩采用固體模型 。預催隔熱罩材料是由鍍鋁鋼板和陶瓷纖維構成，兩層0.5 mm的鍍鋁鋼板中間夾一層0.5 mm 陶瓷纖維，折算成整體的密度、比熱和熱導率進行計算，屬性表二所示。

2 研究的情形

仿真分析了8種情形，分別是基礎車型、格柵開孔、大風扇、壓縮機下移、增加預催隔熱罩、更改預催隔熱罩材料、優化的預催隔熱罩外形、優化預催隔熱罩外形并下移壓縮機。后7種的方案均是相對于基礎車型的更改，而不是依次更改的疊加。試驗方面，對基礎車型和優化預催隔熱罩外形并下移壓縮機的情形進行了試驗測試。

2.1 基礎車型

圖3顯示壓縮機、發電機和熱源等零部件的相對位置圖：壓縮機背風面緊挨發動機，右側正對著熱源預催，正上方是發電機，灰色半透明隔熱罩為排氣歧管隔熱罩。

圖3  壓縮機相對位置圖

2.2 格柵開孔

考慮通過增加壓縮機表面的對流換熱來降低溫度，希望通過在情形一正對壓縮機的前格柵處開口，增加發動機艙的冷風進入量，如圖4、5黑框內區域，從而使得更多冷空氣吹到壓縮機的表面以降低溫度。

圖4  格柵開口正視圖

圖5  格柵開口背視圖

2.3 改為大風扇

考慮情形二中降溫不明顯可能是由于冷風不足，考慮在情形一增加風扇的尺寸來增加壓縮機附近的冷風量。原風扇的直徑是455 mm，8葉轉速是2 100 r/min，大風扇選擇直徑465 mm， 7葉，轉速同為2 100 r/min。由于供應商的產品所限，大風扇沒有8 葉的型號，只有7葉的型號（圖6、7）。

圖6  原葉風扇，8葉

圖7  大風扇，7葉

2.4 壓縮機下移

考慮到輻射的強度和距離的平方成反比，考慮在情形一基礎上將壓縮機的布置位置遠離熱源排氣管，將壓縮機下移50 mm。

2.5 增加預催隔熱罩

在情形一基礎上新增加的預催隔熱罩，如圖8是預催隔熱罩，以及預催隔熱罩相對于壓縮機的位置，預催隔熱罩遮擋住了預催對壓縮機的輻射，但是沒有包裹住預催上端部分對壓縮機的輻射，但是預催上端離壓縮機距離遠一些，輻射的結果需要計算^[4]。

隔熱罩為三層結構，前后為鍍鋁鋼板，中間為纖維材料。更新隔熱效果更好的纖維材料，使得隔熱罩的熱導率降低約一半。

2.6 更改預催隔熱罩材料的屬性

圖8  預催隔熱罩形狀及與壓縮機的相對位置

針對機艙內零部件的熱害問題主要包括以下2種情況：一是熱源通過熱輻射的方式對熱害部件加熱；另一種方式是熱量通過流體向熱害部件傳遞。對于上述壓縮機熱害問題，需要知道導致熱害產生的原因尤為重要，再根據產生熱害的原因尋找解決方案。

2.7 優化的預催隔熱罩形狀

圖9顯示優化后隔熱罩的形狀以及位置。和優化前預催隔熱罩相比（圖8），第一優化后的隔熱罩相比優化前的要高一些，把來至預催上端的熱輻射也擋住了；第二優化后的預催隔熱罩包裹住了預催上端，隔離了從排氣歧管上的來流，被預催再次加熱；第三優化后的隔熱罩與排氣歧管隔熱罩之間做了很好的搭接（上圖紅色框線內的位置），可以防止排氣歧管和預催加熱后的氣流從此處流向壓縮機^[5]。

圖9  優化后預催隔熱罩形狀

2.8 優化預催隔熱罩同時下移壓縮機

實施優化的隔熱罩同時壓縮機下移50 mm，即同時實施情形七和情形四的方案.

3 結果及討論

3.1 基礎情型

壓縮機的最高耐溫值為120℃，而通過仿真得出的最高溫度為 188℃（黑色框線），超出耐溫68℃存在熱害風險；試驗結果顯示，在短時間內該點溫度上升到150℃，因而終止試驗。通過圖10的第二和第三張圖可以看出，壓縮機迎風面積均小于100℃，而被風面上大部分區域溫度高于100℃（圖中紅色區域），存在熱害風險。

從圖10可以看出，壓縮機被風面大部分沒有受到熱源隔熱罩的保護，導致預催散發出的熱量直接輻射在其表面；而由于與熱源被隔熱罩隔開，所以熱源的熱量不能直接輻射到壓縮機的迎風面，所以發動機表面的熱害風險大部分都出現在發動機的被風面^[5]。

由于距離壓縮機被風面最近的熱源為預催，且熱源件和熱害件之間并沒有隔熱罩的保護措施，圖中顯示出壓縮機表面最高溫度為 188℃，已經遠大于發動機表面的120℃耐溫限制，因此可以判斷壓縮機表面熱害問題一部分原因是由預催輻射造成的。

圖11顯示：氣流將排氣歧管的熱量帶到發動機下側，同樣能導致壓縮機表面出現溫度過高。

圖11  壓縮機周圍流線分布圖

綜上所述：壓縮機產生的熱害問題主要是由預催輻射和流過排氣歧管氣體的熱傳導造成的。

3.2 前格柵開口計算結果

前格柵開口的仿真結果顯示，壓縮機表面仍有大面積超過 120℃的區域，原因推測是這個高溫的區域處于背風側，冷風沒有直接吹到，背風區域的降溫效果不明顯，最高溫度為186℃，降低了約2℃，沒有滿足要求。說明增多了的格柵進風并沒有吹到壓縮機的背風面（圖12）。

圖12  不同標尺下壓縮機表面溫度分布圖

3.3 更改大風扇的計算結果

大風扇壓縮機表面降溫幅度較大，最高溫度降到了152℃并且壓縮機表面高于120℃的區域也有所減小。說明大風扇增大了風扇后部區域的空氣流動，增強了壓縮機表面的對流換熱，降低了表面溫度（圖13）。

圖13  不同標尺下壓縮機表面溫度分布圖

3.4 壓縮機下移50mm計算結果

壓縮機表面最高溫度由188℃降至149℃，降低了約40℃。這是由于增大了與熱源的間距，降低了熱輻射的影響。但是壓縮機表面高于120℃的區域沒有減小，但是位置發生了變化（圖14）。

圖14  不同標尺下壓縮機表面溫度分布圖

3.5 增加預催隔熱罩的計算結果壓縮機的最高溫度為如圖15所示，在預催增加隔熱罩后，壓縮機表面最高溫度降低17℃，但是熱害問題依舊存在，而且出現熱害問題的區域變大（圖中紅色區域均為超出耐溫限制的區域）。

圖15  壓縮機表面最高溫度分布位置圖

3.6 更改預催隔熱罩材料屬性

圖16  不同標尺下壓縮機表面溫度

為了降低輻射效果，嘗試通過改變預催隔熱罩的材料屬性，增加預催隔熱罩的隔熱能力。結果發現最高溫度仍然相對基礎車型下降16℃，降到了171℃，和最初的預催隔熱罩效果基本一樣。說明普通預催隔熱罩的材料就已有效避免了遮擋區域的熱輻射，壓縮機的高溫是由于其他部位的熱輻射和熱流的影響（圖16）。

3.7 優化預催隔熱罩

通過對預催隔熱罩的優化，壓縮機最高溫度從基礎模型的

188℃，降低到117℃，熱害風險得到了消除。

圖17  壓縮機溫度分布云圖和周圍流線圖

從圖17可以看出，優化后的隔熱罩一方面將預催與壓縮機隔開，起到了阻礙輻射的作用；另一方面，隔熱罩本身對流經排氣歧管的熱流起到了降溫的作用，從而使流到壓縮機表面的氣體溫度明顯降低。

3.8 優化預催隔熱罩同時下移壓縮機

為了強化方案的效果在實施優化的預催隔熱罩同時下移壓縮機。仿真結果的壓縮機最高溫度降到了116℃（表1）。以本方案進行了熱害試驗驗證，熱害狀態下壓縮機表面的溫度為108℃，滿足耐溫要求（圖18）。

4 結束語

本文通過對壓縮機熱害問題分析得出：對于耐溫較低的熱敏感部件，在總布置前期，首先要考慮遠離高溫區域布置，至少要遠離排氣系統。其次需要確定每個熱敏感零部件與熱源的最佳安全輻射距離，然后根據輻射安全間距開展機艙的布置。

在機艙熱害問題解決過程中，如果想要通過增加隔熱罩來解決熱害問題，那么就應該詳細的分析，新增加的隔熱罩會不會引起其周圍流場的變化，周圍流場的變化會不會導致其它零部件的熱害問題。原則是：增加隔熱罩解決熱害問題時，既要起到隔熱的效果，又不引起其它的熱害^[5]。

本文針對某車熱害試驗中出現的壓縮機溫度超過溫度限值 120℃。針對這個壓縮機熱害問題進行了CFD仿真分析。仿真最高溫度為188℃。針對此結果進行了優化仿真分析，較為有效的優化方案是增加預催隔熱罩，壓縮機表面最高溫度降低了15℃；通過下移壓縮機能夠降低約40℃；通過加大和優化預催隔熱罩的形狀，使預催上端對周圍零部件的輻射降低了，同時弱化了預催上端對周邊空氣的加熱，從而能使壓縮機表面溫度降低了約70℃，降到了 117℃，滿足耐溫限值。最終，為了強化降溫效果，在同時實施優化的預催隔熱罩和下移壓縮機，仿真結果為116℃，并且在熱平衡驗證試驗中壓縮機最高溫度為108℃，滿足120℃限值要求。通過仿真分析手段解決了現在車型的熱害問題，對后續同平臺車型壓縮機熱害問題和熱源附件其它熱害問題的規避有重要的指導意義^[5]。

作者：張曉春、李喆隆、王樹蘋、封云、吳列

單位：北京汽車股份有限公司

文章來源：汽車熱管理之家