CN105956316A - 一种汽车发动机舱前端模块空气进风量计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种省时省力的汽车发动机舱前端模块空气进风量计算方法，可以在设计前期就可以考虑汽车真实行驶条件下的瞬态工况进风量。本方法具体包括步骤：A、对发动机舱前端模块进气系统进行定义，将整个发动机舱前端进气通道按流动特性划分为若干个部件和路径；B、对发动机舱进行CFD流场计算，计算出发动机舱前端模块进气系统各部件和路径的阻力；C、定义部件和路径的阻力特性；D、利用KULI软件搭建发动机舱前端模块进风量的平衡计算模型；E、确定汽车运行的瞬态工况，将定义好的瞬态工况下的整车车速输入到步骤D中的计算模型中；F、根据KULI软件的平衡计算模型反推出前端模块瞬态工况下的进风量。

Description

一种汽车发动机舱前端模块空气进风量计算方法
技术领域
本发明涉及汽车设计技术领域，具体涉及一种汽车发动机舱前端模块空气进风量计算方法。
背景技术
汽车在行驶过程中，围绕车身四周的气流会对车身表面产生气动力。在汽车前端进气格栅处一般为正压力，在气动力的作用下，会有空气流入发动机舱。 汽车的冷却风扇在工作时，会对进气格栅处的空气产生抽吸的作用。因此在汽车车身四周气动力以及冷却风扇的共同作用下，汽车前部会有大量空气经由汽车前端进气格栅进入发动机舱。冷却空气通过前端进气格栅进入发动机舱内部，流经空调冷凝器、发动机散热器、冷却风扇，再流经发动机表面，最后通过发动机下护板流出发动机舱。
汽车在运行过程中，发动机会产生大量的热量，致使发动机舱内的温度升高。进入发动机舱的空气可以对前舱内的热交换器、以及发动机舱内的部件进行冷却。当进风量不足时，空调冷凝器以及散热器的热量就无法得到充分交换，相应的汽车空调系统、以及汽车冷却系统的性能就会下降。同时发动机舱内的冷却效果也会下降，致使发动机舱温度升高，影响汽车安全性。但是进风量并不是越多越好，进风量加大会伴随着风扇功率增大，车辆的行驶阻力也会增加，会导致整车在行驶过程中的功耗增加。因此汽车前端模块进风量的设计对于汽车开发是非常重要的。而前端模块进风量的计算是进风量设计最重要的一个步骤。
目前在汽车设计过程中，前端模块进风量的计算方法主要分为两种。第一种是在设计后期，通过汽车环境风洞的风量试验来进行测试具体的风量。第二种方法是在设计初期，通过CFD仿真技术进行模拟计算。这两种方法都存在一定的弊端。试验方法无法在设计前期开展，只能等到有了实际样车后才能开展相应的工作，且试验费用很高。而第二种CFD仿真方法的缺点是仅能对固定的稳态工况进行计算，且每次计算分析周期长，工作量大。
发明内容
本发明的目的是提出一种省时省力的汽车发动机舱前端模块空气进风量计算方法，可以在设计前期就可以考虑汽车真实行驶条件下的瞬态工况进风量。
根据本发明提供的汽车发动机舱前端模块空气进风量计算方法，包括以下步骤：
A、对发动机舱前端模块进气系统进行定义，将整个发动机舱前端进气通道按流动特性划分为若干个部件和路径，将汽车前端气动力和冷却风扇定义为动力源部件，其他部件和路径均定义为阻力部件；
B、对发动机舱进行CFD流场计算，计算出发动机舱前端模块进气系统各部件和路径的阻力；
C、定义部件和路径的阻力特性：对气动力和路径根据CFD计算结果定义阻力特性，对冷却风扇和其他部件通过单体台架实验获取阻力特性；
D、利用KULI软件搭建发动机舱前端模块进风量的平衡计算模型；
E、确定汽车运行的瞬态工况，将定义好的瞬态工况下的整车车速输入到步骤D中的计算模型中；
F、计算出前端模块瞬态工况下的进风量：根据KULI软件的平衡计算模型反推出前端模块瞬态工况下的进风量。
本发明的汽车发动机舱前端模块空气进风量计算方法，将空气在发动机舱的流动过程看做是一个完整的流体系统，其中汽车车身四周的气动力和冷却风扇看做是整个系统的动力源，将空气在发动机舱的流通路径进行适当的分割和简化，看做是整车系统的阻力，由系统阻力与动力源之间的平衡关系可以反推出系统的风量，即前端模块的进风量；其中，气动力和路径的阻力特性通过CFD流场计算方法获得，冷却风扇和其他部件如冷凝器等通过单体台架实验获取阻力特性；利用KULI软件，可以将各个阻力部件和气动力部件进行搭建，并进行平衡计算，就可以反推出前端模块的进风量。
进一步的，所述A步骤的定义为阻力部件的部件和路径包括：前端进气格栅、前端进气格栅和冷凝器之间的通道、冷凝器、散热器、冷却风扇与发动机舱底部之间的通道、汽车发动机舱底部气动力。
进一步的，所述B步骤对汽车前端气动力Δpin定义方法为：根据CFD计算结果得到汽车前端的压力系数cpin，汽车运行时环境空气密度定义为ρ，汽车行驶速度定义为v，则汽车前端气动力Δpin定义为 ；汽车发动机舱底部气动力的Δpout定义方法与汽车前端气动力Δpin相同。
进一步的，所述前端进气格栅阻力ξgrill的定义方法为：根据CFD计算结果可以得到前端进气格栅的空气阻力Δpgrill，则前端进气格栅阻力ξgrill定义为；所述进气格栅与冷凝器之间的通道阻力ξ1，以及路径2冷却风扇与发动机舱底部的通道阻力ξ2的定义方法与前端进气格栅阻力ξgrill相同。
具体的说，所述E步骤的瞬态工况为欧洲标准的NEDC工况。本发明可以计算任意的瞬态工况，也可以设定一些标准的瞬态工况，例如，欧洲统一的NEDC工况等。
本发明的汽车发动机舱前端模块空气进风量计算方法与现有技术相比，具有以下优点：
1、与传统的风洞测试方法相比，不需要实物样车，在汽车开发前期就可以得到发动机舱前端模块的进风量；
2、与CFD仿真计算方法相比，本方法的计算周期非常短，而且可以计算出汽车在真实行驶情况下的瞬态进风量，而CFD方法只能计算出固定工况下的稳态进风量。
注1：本发明所指的前端模块是指由空调冷凝器、发动机散热器以及冷却风扇组成的一个模块化结构。
注2：本发明所指的稳态工况是指汽车车速、发动机转速以及发动机负荷不随汽车运行时间而变化，保持不变的状态，称作汽车稳态工况。
注3：本发明所指的瞬态工况是指汽车车速、发动机转速以及发动机负荷随着汽车运行时间的变化而变化，该状态即称为汽车瞬态工况。
注4：CFD是Computational Fluid Dynamic的简称，即计算流体动力学。CFD是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。其基本思想为：把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场（如速度场和压力场）用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。
注5：KULI软件由斯太尔工程技术中心开发的汽车热管理仿真软件。KULI软件是一款涵盖系统级和整车级的热性能匹配软件，主要考虑零部件与零部件、零部件与系统之间的匹配。主要功能包括发动机冷却系统设计，加热通风和空调系统设计，同时可以模拟整车在不同路况、不同速度和环境下的瞬时分析。
附图说明
图1为汽车发动机舱典型截面图。
图2为前端模块进气系统的关键部件与关键路径图示。
图3为冷凝器阻力特性。
图4为风扇性能特性。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施实例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理等作进一步的详细说明。
实施例1：
本发明的汽车发动机舱前端模块空气进风量计算方法，包括以下具体步骤：
A、如图1、2，对发动机舱前端模块进气系统进行定义，将整个发动机舱前端进气通道按流动特性划分为6个部件和2个路径，包括：部件1：汽车前端气动力；部件2：前端进气格栅；路径1：进气格栅与冷凝器之间的通道；部件3：冷凝器；部件4：散热器；部件5：冷却风扇；路径2：冷却风扇与发动机舱底部之间的通道；部件6：汽车发动机舱底部气动力。将部件1即汽车前端气动力和部件5即冷却风扇定义为动力源部件，其他部件和路径均定义为阻力部件；
B、对发动机舱进行CFD流场计算，计算出汽车车速在60km/h工况下的前端模块进气系统各部件及路径的阻力；
C、定义部件和路径的阻力特性：对气动力和路径根据CFD计算结果定义阻力特性，对冷却风扇和其他部件通过单体台架实验获取阻力特性，具体为：汽车前端气动力Δpin定义方法为：根据CFD计算结果得到汽车前端的压力系数cpin，汽车运行时环境空气密度定义为ρ，汽车行驶速度定义为v，则汽车前端气动力Δpin定义为；汽车发动机舱底部气动力的Δpout定义方法与汽车前端气动力Δpin相同。前端进气格栅阻力ξgrill的定义方法为：根据CFD计算结果可以得到前端进气格栅的空气阻力Δpgrill，则前端进气格栅阻力ξgrill定义为；所述进气格栅与冷凝器之间的通道阻力ξ1，以及路径2冷却风扇与发动机舱底部的通道阻力ξ2的定义方法与前端进气格栅阻力ξgrill相同。本实施例中，部件1汽车前端压力系数cpin为0.5，部件2进气格栅的空气阻力Δpgrill为30pa，路径1进气格栅与冷凝器之间的通道阻力为50pa，路径2冷却风扇与发动机舱底部通道阻力为100pa，汽车发动机底部压力系数为-0.3，根据CFD计算结果，计算出各部件的阻力特性为：部件1汽车前端气动力Δpin为83pa，部件2进气格栅的空气阻力特性ξgrill为0.18，路径1进气格栅与冷凝器之间的通道阻力特性ξ1为0.30，路径2冷却风扇与发动机舱底部通道阻力特性ξ2为0.60，汽车发动机底部气动力Δpout为-50pa。再由单体台架试验数据得到具体冷凝器和散热器的阻力特性以及风扇的性能特性。其中，冷凝器阻力特性如图3所示，风扇性能特性如图4所示。
D、利用KULI软件搭建发动机舱前端模块进风量的平衡计算模型；
E、确定汽车运行的瞬态工况，将定义好的瞬态工况下的整车车速输入到步骤D中的计 算模型中，瞬态工况如表1所示：
时间（s） 车速（km/h）
0 0
60 0
300 40
600 60
900 90
1200 120
1500 0
表1：整车瞬态工况定义
F、计算出前端模块瞬态工况下的进风量：根据KULI软件的平衡计算模型反推出前端模块瞬态工况下的进风量，计算结果如表2所示：
表2：前端模块瞬态进风量。

Claims (7)

1.一种汽车发动机舱前端模块空气进风量计算方法，其特征在于包括以下步骤：
A、对发动机舱前端模块进气系统进行定义，将整个发动机舱前端进气通道按流动特性划分为若干个部件和路径，将汽车前端气动力和冷却风扇定义为动力源部件，其他部件和路径均定义为阻力部件；
B、对发动机舱进行CFD流场计算，计算出发动机舱前端模块进气系统各部件和路径的阻力；
C、定义部件和路径的阻力特性：对气动力和路径根据CFD计算结果定义阻力特性，对冷却风扇和其他部件通过单体台架实验获取阻力特性；
D、利用KULI软件搭建发动机舱前端模块进风量的平衡计算模型；
E、确定汽车运行的瞬态工况，将定义好的瞬态工况下的整车车速输入到步骤D中的计算模型中；
F、计算出前端模块瞬态工况下的进风量：根据KULI软件的平衡计算模型反推出前端模块瞬态工况下的进风量。
2.根据权利要求1所述的汽车发动机舱前端模块空气进风量计算方法，其特征在于所述A步骤的定义为阻力部件的部件和路径包括：前端进气格栅、前端进气格栅和冷凝器之间的通道、冷凝器、散热器、冷却风扇与发动机舱底部之间的通道、汽车发动机舱底部气动力。
3.根据权利要求2所述的汽车发动机舱前端模块空气进风量计算方法，其特征在于所述B步骤对汽车前端气动力Δpin定义方法为：根据CFD计算结果得到汽车前端的压力系数cpin，汽车运行时环境空气密度定义为ρ，汽车行驶速度定义为v，则汽车前端气动力Δpin定义为 。
4.根据权利要求3所述的汽车发动机舱前端模块空气进风量计算方法，其特征在于所述汽车发动机舱底部气动力的Δpout定义方法与汽车前端气动力Δpin相同。
5.根据权利要求2所述的汽车发动机舱前端模块空气进风量计算方法，其特征在于所述前端进气格栅阻力ξgrill的定义方法为：根据CFD计算结果可以得到前端进气格栅的空气阻力Δpgrill，则前端进气格栅阻力ξgrill定义为。
6.根据权利要求5所述的汽车发动机舱前端模块空气进风量计算方法，其特征在于所述进气格栅与冷凝器之间的通道阻力ξ1，以及路径2冷却风扇与发动机舱底部的通道阻力ξ2的定义方法与前端进气格栅阻力ξgrill相同。
7.根据权利要求1所述的汽车发动机舱前端模块空气进风量计算方法，其特征在于所述E步骤的瞬态工况为欧洲标准的NEDC工况。
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