摘要：汽车排气管是发动机舱内温度最高的部件，它周围零部件的热保护如果欠缺特别容易引起相关部件的损坏。某车型进行样车热害试验时发现排气管周围的压缩机局部温度显著超出其最高耐温，存在严重的热害风险。为了排除压缩机热害风险，本文采用CFD方法,从热辐射和空气对流两个角度，分析压缩机热害产生的原因，通过从改变前格栅开口、改变冷却风扇，移动压缩机改变间距，增加并优化排气管隔热罩形状，改变排气管隔热罩材料这几个措施，降低预催对压缩机的热辐射，改善压缩机附近的空气对流换热情况。仿真结果显示最终方案能够使得压缩机表面最高温度降低约70℃，并且在最终的试验中，压缩机表面温度低于耐温限值，成功解决了该车型的压缩机热害问题。这种通过全面改善压缩机周边对流及辐射环境来解决热害问题的方法，对解决发动机舱内部件的热保护问题具有重要的借鉴意义。

汽车的压缩机对汽车空调的制冷剂有压缩和输送的作用^[1]，被誉为汽车空调的心脏。压缩机内部的密封橡胶圈和润滑油，在高温环境下工作容易破坏，破坏后容易引起压缩机的异响或拉缸，甚至造成压缩机的磨损报废，所以汽车压缩机要避免出现热害风险。汽车排气管系统是发动机舱内温度最高的部件，某些工况下能够达到 600～800℃，这个高温的表面会对周边零部件产生强烈的辐射，同时会显著加热流经周围的空气，进而高温的空气会对下游产生明显影响。

由于试验费用和仿真精度等问题国内一般车企都采用仿真和试验相结合来解决和规避汽车零部件的热害问题。某车型进行热害试验时发现压缩机局部温度超出其最高耐温，存在严重的热害风险。

本文采用STARCCM+流体软件,从热辐射和空气对流两个角度，分析压缩机热害产生的原因，通过从增加前格栅开口增大进入机舱的冷风量、增大冷却风扇的尺寸和转速以加大机舱内冷风的抽入量，移动压缩机的布置位置，使它远离排气管热源，增加排气管隔热罩，隔绝排气管对压缩机的辐射，优化上游排气管隔热罩，降低对经过排气管路空气的加热，从而减少对处于气流下游位置压缩机的加热效果，改变排气管隔热罩材料提高其隔热效果这几个措施，改善压缩机附近的空气对流换热情况，降低预催对压缩机的热辐射，最终经过试验验证，压缩机表面最高温度降低约50℃。

1 方法

1.1 理论公式

流体运动遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒定律。同时这三大定律对流体运动的数学的详细描述形成了流体力学的基本方程组^[2]。本文采用STARCCM+10.04版本软件，同时计算流场、辐射和固体传热。求解流场的NS方程和固体导热方程是采用有限体积法，计算辐射是用面到面的热辐射计算。

1.2 网格处理

随着表面网格、边界层网格和其他体网格的精细化，计算结果一定会越来越精确，但同时带来计算时间的延长。工程上的反馈周期往往是严格要求的，在有限的计算资源条件下，只能适当减少网格数量，牺牲一定的计算精度以换取时间得到完全的保证。鉴于工程反馈时间要求和计算资源的约束，本文的网格采取如下设定：边界棱柱网格厚度5 mm；隔热罩固体网格大小2 mm；边界棱柱网格层数2；汽车面网格1～16 mm；冷凝器、中冷器、散热器体网格大小2～4 mm；体网格总数约3 000万。

图1  机舱网格模型图

图2  整车计算模型图

1.3 试验及仿真的边界条件

考察发动机舱内部件热保护能力的环境舱试验的工况为车速 60 km/h，负载坡度10%，CFD的模拟也为了尽可能地和试验一致，由于难以通过发动机建模模拟在负载10%坡度时的排气系统发热量，因而本文将基础试验中测得的排气管表面温度作为CFD分析中的温度边界条件，进而在各个情形条件下模拟空气流动、辐射来考察处于排气管周围的压缩机表面的温度。

空气密度：1.14 kg/m³，比热：1003.62 J/kg-K ，热导率：0.026 W/m-K。本分析中散热器 、中冷器和冷凝器采用多孔介质模型；风扇用 moving reference frame 模型，其它固体表面采用绝热边界条件，所有隔热罩采用固体模型 。预催隔热罩材料是由镀铝钢板和陶瓷纤维构成，两层0.5 mm的镀铝钢板中间夹一层0.5 mm 陶瓷纤维，折算成整体的密度、比热和热导率进行计算，属性表二所示。

2 研究的情形

仿真分析了8种情形，分别是基础车型、格栅开孔、大风扇、压缩机下移、增加预催隔热罩、更改预催隔热罩材料、优化的预催隔热罩外形、优化预催隔热罩外形并下移压缩机。后7种的方案均是相对于基础车型的更改，而不是依次更改的叠加。试验方面，对基础车型和优化预催隔热罩外形并下移压缩机的情形进行了试验测试。

2.1 基础车型

图3显示压缩机、发电机和热源等零部件的相对位置图：压缩机背风面紧挨发动机，右侧正对着热源预催，正上方是发电机，灰色半透明隔热罩为排气歧管隔热罩。

图3  压缩机相对位置图

2.2 格栅开孔

考虑通过增加压缩机表面的对流换热来降低温度，希望通过在情形一正对压缩机的前格栅处开口，增加发动机舱的冷风进入量，如图4、5黑框内区域，从而使得更多冷空气吹到压缩机的表面以降低温度。

图4  格栅开口正视图

图5  格栅开口背视图

2.3 改为大风扇

考虑情形二中降温不明显可能是由于冷风不足，考虑在情形一增加风扇的尺寸来增加压缩机附近的冷风量。原风扇的直径是455 mm，8叶转速是2 100 r/min，大风扇选择直径465 mm， 7叶，转速同为2 100 r/min。由于供应商的产品所限，大风扇没有8 叶的型号，只有7叶的型号（图6、7）。

图6  原叶风扇，8叶

图7  大风扇，7叶

2.4 压缩机下移

考虑到辐射的强度和距离的平方成反比，考虑在情形一基础上将压缩机的布置位置远离热源排气管，将压缩机下移50 mm。

2.5 增加预催隔热罩

在情形一基础上新增加的预催隔热罩，如图8是预催隔热罩，以及预催隔热罩相对于压缩机的位置，预催隔热罩遮挡住了预催对压缩机的辐射，但是没有包裹住预催上端部分对压缩机的辐射，但是预催上端离压缩机距离远一些，辐射的结果需要计算^[4]。

隔热罩为三层结构，前后为镀铝钢板，中间为纤维材料。更新隔热效果更好的纤维材料，使得隔热罩的热导率降低约一半。

2.6 更改预催隔热罩材料的属性

图8  预催隔热罩形状及与压缩机的相对位置

针对机舱内零部件的热害问题主要包括以下2种情况：一是热源通过热辐射的方式对热害部件加热；另一种方式是热量通过流体向热害部件传递。对于上述压缩机热害问题，需要知道导致热害产生的原因尤为重要，再根据产生热害的原因寻找解决方案。

2.7 优化的预催隔热罩形状

图9显示优化后隔热罩的形状以及位置。和优化前预催隔热罩相比（图8），第一优化后的隔热罩相比优化前的要高一些，把来至预催上端的热辐射也挡住了；第二优化后的预催隔热罩包裹住了预催上端，隔离了从排气歧管上的来流，被预催再次加热；第三优化后的隔热罩与排气歧管隔热罩之间做了很好的搭接（上图红色框线内的位置），可以防止排气歧管和预催加热后的气流从此处流向压缩机^[5]。

图9  优化后预催隔热罩形状

2.8 优化预催隔热罩同时下移压缩机

实施优化的隔热罩同时压缩机下移50 mm，即同时实施情形七和情形四的方案.

3 结果及讨论

3.1 基础情型

压缩机的最高耐温值为120℃，而通过仿真得出的最高温度为 188℃（黑色框线），超出耐温68℃存在热害风险；试验结果显示，在短时间内该点温度上升到150℃，因而终止试验。通过图10的第二和第三张图可以看出，压缩机迎风面积均小于100℃，而被风面上大部分区域温度高于100℃（图中红色区域），存在热害风险。

从图10可以看出，压缩机被风面大部分没有受到热源隔热罩的保护，导致预催散发出的热量直接辐射在其表面；而由于与热源被隔热罩隔开，所以热源的热量不能直接辐射到压缩机的迎风面，所以发动机表面的热害风险大部分都出现在发动机的被风面^[5]。

由于距离压缩机被风面最近的热源为预催，且热源件和热害件之间并没有隔热罩的保护措施，图中显示出压缩机表面最高温度为 188℃，已经远大于发动机表面的120℃耐温限制，因此可以判断压缩机表面热害问题一部分原因是由预催辐射造成的。

图11显示：气流将排气歧管的热量带到发动机下侧，同样能导致压缩机表面出现温度过高。

图11  压缩机周围流线分布图

综上所述：压缩机产生的热害问题主要是由预催辐射和流过排气歧管气体的热传导造成的。

3.2 前格栅开口计算结果

前格栅开口的仿真结果显示，压缩机表面仍有大面积超过 120℃的区域，原因推测是这个高温的区域处于背风侧，冷风没有直接吹到，背风区域的降温效果不明显，最高温度为186℃，降低了约2℃，没有满足要求。说明增多了的格栅进风并没有吹到压缩机的背风面（图12）。

图12  不同标尺下压缩机表面温度分布图

3.3 更改大风扇的计算结果

大风扇压缩机表面降温幅度较大，最高温度降到了152℃并且压缩机表面高于120℃的区域也有所减小。说明大风扇增大了风扇后部区域的空气流动，增强了压缩机表面的对流换热，降低了表面温度（图13）。

图13  不同标尺下压缩机表面温度分布图

3.4 压缩机下移50mm计算结果

压缩机表面最高温度由188℃降至149℃，降低了约40℃。这是由于增大了与热源的间距，降低了热辐射的影响。但是压缩机表面高于120℃的区域没有减小，但是位置发生了变化（图14）。

图14  不同标尺下压缩机表面温度分布图

3.5 增加预催隔热罩的计算结果压缩机的最高温度为如图15所示，在预催增加隔热罩后，压缩机表面最高温度降低17℃，但是热害问题依旧存在，而且出现热害问题的区域变大（图中红色区域均为超出耐温限制的区域）。

图15  压缩机表面最高温度分布位置图

3.6 更改预催隔热罩材料属性

图16  不同标尺下压缩机表面温度

为了降低辐射效果，尝试通过改变预催隔热罩的材料属性，增加预催隔热罩的隔热能力。结果发现最高温度仍然相对基础车型下降16℃，降到了171℃，和最初的预催隔热罩效果基本一样。说明普通预催隔热罩的材料就已有效避免了遮挡区域的热辐射，压缩机的高温是由于其他部位的热辐射和热流的影响（图16）。

3.7 优化预催隔热罩

通过对预催隔热罩的优化，压缩机最高温度从基础模型的

188℃，降低到117℃，热害风险得到了消除。

图17  压缩机温度分布云图和周围流线图

从图17可以看出，优化后的隔热罩一方面将预催与压缩机隔开，起到了阻碍辐射的作用；另一方面，隔热罩本身对流经排气歧管的热流起到了降温的作用，从而使流到压缩机表面的气体温度明显降低。

3.8 优化预催隔热罩同时下移压缩机

为了强化方案的效果在实施优化的预催隔热罩同时下移压缩机。仿真结果的压缩机最高温度降到了116℃（表1）。以本方案进行了热害试验验证，热害状态下压缩机表面的温度为108℃，满足耐温要求（图18）。

4 结束语

本文通过对压缩机热害问题分析得出：对于耐温较低的热敏感部件，在总布置前期，首先要考虑远离高温区域布置，至少要远离排气系统。其次需要确定每个热敏感零部件与热源的最佳安全辐射距离，然后根据辐射安全间距开展机舱的布置。

在机舱热害问题解决过程中，如果想要通过增加隔热罩来解决热害问题，那么就应该详细的分析，新增加的隔热罩会不会引起其周围流场的变化，周围流场的变化会不会导致其它零部件的热害问题。原则是：增加隔热罩解决热害问题时，既要起到隔热的效果，又不引起其它的热害^[5]。

本文针对某车热害试验中出现的压缩机温度超过温度限值 120℃。针对这个压缩机热害问题进行了CFD仿真分析。仿真最高温度为188℃。针对此结果进行了优化仿真分析，较为有效的优化方案是增加预催隔热罩，压缩机表面最高温度降低了15℃；通过下移压缩机能够降低约40℃；通过加大和优化预催隔热罩的形状，使预催上端对周围零部件的辐射降低了，同时弱化了预催上端对周边空气的加热，从而能使压缩机表面温度降低了约70℃，降到了 117℃，满足耐温限值。最终，为了强化降温效果，在同时实施优化的预催隔热罩和下移压缩机，仿真结果为116℃，并且在热平衡验证试验中压缩机最高温度为108℃，满足120℃限值要求。通过仿真分析手段解决了现在车型的热害问题，对后续同平台车型压缩机热害问题和热源附件其它热害问题的规避有重要的指导意义^[5]。

作者：张晓春、李喆隆、王树苹、封云、吴列

单位：北京汽车股份有限公司

文章来源：汽车热管理之家