田　磊，張葆華，常瑞征

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北　保定　071000）

Tian Lei，Zhang Baohua，Chang Ruizheng

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汽車熱傷害設(shè)計(jì)預(yù)防及解決方法研究

田磊，張葆華，常瑞征

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定071000）

Tian Lei，Zhang Baohua，Chang Ruizheng

摘要：熱傷害是引發(fā)汽車火災(zāi)的主要原因之一，其引起的失效類型和涉及部件多種多樣。發(fā)動(dòng)機(jī)及排氣系統(tǒng)作為汽車主要高溫部件，其周邊受熱部件是整車熱傷害的防護(hù)重點(diǎn)。在設(shè)計(jì)過程中需要以熱流場分析為基礎(chǔ)，在保證冷卻系統(tǒng)匹配沒有問題的前提下，識(shí)別布置、材料、結(jié)構(gòu)和工藝等因素，有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)預(yù)防，避免熱傷害的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：汽車火災(zāi)；熱傷害；高溫部件；受熱部件；熱流場；設(shè)計(jì)預(yù)防

0　引　言

熱傷害是指由于環(huán)境高溫超過受熱部件正常工作耐受溫度，使該部件發(fā)生物理或化學(xué)變化，從而造成其不能正常運(yùn)行甚至失效的后果。

隨著汽車保有量迅猛增長，汽車火災(zāi)事故發(fā)生頻率居高不下，給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來極大威脅與損害。在汽車火災(zāi)中，由于汽車高溫部件與周圍部件布置間隙過小以及防護(hù)不當(dāng)?shù)仍蛟斐傻幕馂?zāi)屢見不鮮。因此，預(yù)防汽車火災(zāi)是汽車研發(fā)的重要領(lǐng)域，而熱傷害防護(hù)是汽車設(shè)計(jì)的重要課題之一。

發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣系統(tǒng)作為汽車主要高溫部件，其表面溫度為150～400℃，排氣尾管管口溫度甚至可以達(dá)到500℃以上，這樣的溫度會(huì)對(duì)周邊部件產(chǎn)生惡劣影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致周邊部件發(fā)生變形、燒蝕甚至燃燒等問題。故機(jī)艙及排氣系統(tǒng)周邊是整車熱傷害防護(hù)的重點(diǎn)部位。

1　汽車熱傷害主要關(guān)聯(lián)部件識(shí)別

發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃油燃燒后，做功之外的能量以熱的形式通過對(duì)流換熱、熱傳導(dǎo)和熱輻射傳遞到周邊受熱部件，主要關(guān)聯(lián)部件識(shí)別如圖1所示。

圖1　汽車熱傷害主要關(guān)聯(lián)部件識(shí)別

發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣系統(tǒng)由于部件表面溫度高、關(guān)聯(lián)部件數(shù)量多且類型繁雜，在設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注。

以排氣管為例，其外表面溫度在180～370℃之間，且由于車底復(fù)雜的布置環(huán)境，流場湍流嚴(yán)重。按圖2分布的觀測點(diǎn)進(jìn)行溫度測量。

圖2　排氣管溫度測量點(diǎn)分布

考慮車輛實(shí)際使用情況，選取全速全負(fù)荷及滿載爬坡2種工況進(jìn)行測試，如表1所示。

表1　排氣管溫度實(shí)測工況

溫度實(shí)測值如圖3所示。

圖3　某車型排氣系統(tǒng)溫度實(shí)測值

通過對(duì)實(shí)測值進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：

1）相比全速全負(fù)荷工況，爬坡工況提供的驅(qū)動(dòng)能量更大，且由于車速更低，氣流帶走的熱量相對(duì)較少，導(dǎo)致滯留的熱量多，溫度甚至達(dá)到370℃，更易發(fā)生火災(zāi)；

2）因氣流帶走熱量，后部溫度普遍低于前部，消聲器將部分噪聲能量轉(zhuǎn)化成熱能，溫度升高；

3）因后懸架布置環(huán)境復(fù)雜，氣流經(jīng)過后產(chǎn)生嚴(yán)重湍流，導(dǎo)致被帶走的熱量減少，主消聲器溫度升高明顯，高達(dá)320℃，存在嚴(yán)重的熱傷害隱患。

如此高的溫度，給周邊受熱部件提供了極端惡劣的工作環(huán)境，會(huì)造成零部件變形、老化加速、燒蝕甚至燃燒，嚴(yán)重威脅人身及財(cái)產(chǎn)安全。

2　汽車熱傷害問題失效類型識(shí)別

熱傷害引起的失效類型多種多樣，其中相對(duì)隱蔽的失效有部件特性變化、老化等，較明顯的有變形、燒蝕及燃燒等。表2列出了常見的熱傷害類型及發(fā)生部件、失效模式示例和機(jī)理。

表2　汽車熱傷害問題失效類型

3　設(shè)計(jì)因素識(shí)別及先期預(yù)防

為了更好地預(yù)防熱傷害的發(fā)生，識(shí)別熱傷害發(fā)生過程中的設(shè)計(jì)因素是必不可少的。以熱流場為基礎(chǔ)，在保證冷卻系統(tǒng)匹配沒有問題的前提下，按照關(guān)聯(lián)程度由高到低，識(shí)別熱傷害發(fā)生的設(shè)計(jì)因素主要包括布置、材料、結(jié)構(gòu)、工藝等4類。

3.1布置

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率提高，排放要求也升高，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)及底盤部件模塊化率日益增高，布置也越來越緊湊，這增加了熱傷害的預(yù)防難度。設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)結(jié)合CFD分析，考慮位置分布及間隙，合理布局，避免產(chǎn)生漩渦或死區(qū)等造成熱量滯留，或者由于距離太近而產(chǎn)生高溫烘烤和灼燒。

1）高溫布置影響流場流速及方向。圖4為某車型在Y=0mm截面速度分布圖，空濾波紋管處布置管線會(huì)導(dǎo)致氣流流速變小，不利于及時(shí)散熱，容易造成熱量滯留，產(chǎn)生熱傷害風(fēng)險(xiǎn)，故應(yīng)該盡量減少在該位置布置管線。

圖4　怠速工況下車身截面Y=0mm速度分布

2）高溫氣流流經(jīng)位置處減少受熱部件布置。圖5為某車型在Z=70mm高度上速度分布圖，在此高度上，機(jī)艙左側(cè)氣流速度較高，由于氣流帶來熱量，怠速工況下會(huì)存在較多的高溫隱患，減少此處的受熱部件布置，可避免受熱部件發(fā)生熱傷害。

圖5　怠速工況下車身截面Z=70mm速度分布

3）受熱部件與高溫部件位置及間隙。受熱部件應(yīng)遠(yuǎn)離熱源且含油液類部件不應(yīng)布置在熱源正上方，如潤滑系統(tǒng)若布置在高溫部件附近易引起油質(zhì)變化；若布置在高溫部件上方，漏油情況下油液滴落極易引起燃燒釀成火災(zāi)。此外還有線束布置，如線束在高溫部件上方，其外部雖增加高溫防護(hù)膠帶，但若彎折時(shí)熱防護(hù)膠帶防護(hù)層在折彎應(yīng)力集中點(diǎn)脫落，易引起絕熱不均而導(dǎo)致導(dǎo)線熔融失效。

3.2材料

對(duì)于管線類受熱部件的防護(hù)產(chǎn)品材料來說，合適的防護(hù)材料產(chǎn)品選擇，需要考慮不同的防護(hù)類型、防護(hù)強(qiáng)度等因素，正確的選擇不僅可以對(duì)受熱部件進(jìn)行針對(duì)性的有效防護(hù)，而且也不會(huì)造成直接的成本浪費(fèi)，如表3所示。

表3　防護(hù)材料類型示例

3.3結(jié)構(gòu)

部件結(jié)構(gòu)影響流場流速，典型例子為進(jìn)氣格柵。圖6和圖7分別為格柵最上端封閉與未封閉狀態(tài)在Y=200 mm處機(jī)艙內(nèi)流場速度矢量及溫度場分布對(duì)比圖，其中2圖中的（a）為格柵最上端封閉情況，（b）為未封閉情況。圖6（b）的上進(jìn)氣格柵有3股氣流，而（a）只有2股，即在進(jìn)氣格柵最上端未封閉情況下，機(jī)艙上部氣流增加，氣流更為順暢；圖7（b）比圖7（a）冷卻氣流量增加，在機(jī)艙蓋附近溫度明顯降低，而機(jī)艙后部溫度也隨之降低。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該避免流場內(nèi)各部件結(jié)構(gòu)阻礙氣流，導(dǎo)致散熱不及時(shí)。

圖6　速度矢量對(duì)比

圖7　溫度分布對(duì)比

3.4工藝

除去以上3種因素，在部件制造及裝配過程中產(chǎn)生的公差會(huì)使部件與高溫部件的間隙產(chǎn)生偏差，故在設(shè)計(jì)過程中必須考慮實(shí)際公差并進(jìn)行間隙預(yù)留。以排氣系統(tǒng)周邊部件為例，定義了左右、前后和上下6個(gè)方向間隙預(yù)留推薦值，見表4。

表4　排氣系統(tǒng)周邊部件間隙預(yù)留值推薦表mm

4　問題解決實(shí)例

4.1案例

某車型在進(jìn)行整車熱管理試驗(yàn)時(shí)，后保險(xiǎn)杠出現(xiàn)燒蝕問題如圖8所示，后保險(xiǎn)杠耐受溫度為95℃，實(shí)測溫度高達(dá)170℃。

圖8　某車型后保險(xiǎn)杠燒蝕問題

4.2原因調(diào)查

通過對(duì)尾管處進(jìn)行CFD分析發(fā)現(xiàn)：a. 部分尾管熱氣流會(huì)直接噴射到尾管裝飾罩上邊沿；b. 裝飾罩上邊沿搭接邊凸出產(chǎn)生明顯湍流；c. 實(shí)車此處存在縫隙，漏氣導(dǎo)致少量熱氣流吹拂后保險(xiǎn)杠表面。以上原因共同引起燒蝕問題，如圖9所示。

4.3問題解決及驗(yàn)證

問題解決方法：a.排氣尾管以裝飾罩上表面為基準(zhǔn)降低15mm，同時(shí)伸長15mm；b.增加尾管裝飾罩Z向高度，同時(shí)增加密封結(jié)構(gòu)。

再次進(jìn)行CFD分析，尾氣未直接噴射到尾管裝飾罩，且新的裝飾罩密封結(jié)構(gòu)未引起明顯湍流。經(jīng)實(shí)車測量，后保險(xiǎn)杠表面溫度為79℃，未發(fā)現(xiàn)燒蝕問題，如圖10所示。

圖9　后保險(xiǎn)杠燒蝕問題原因調(diào)查

圖10　后保險(xiǎn)杠燒蝕問題解決方案及驗(yàn)證

5　結(jié)束語

發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣系統(tǒng)是汽車最主要的高溫部件，故機(jī)艙和排氣系統(tǒng)周邊是熱傷害的重點(diǎn)防護(hù)部位。由于機(jī)艙內(nèi)熱流場的復(fù)雜性以及發(fā)動(dòng)機(jī)與排氣系統(tǒng)的高溫特性，熱傷害的預(yù)防往往是集布置、材料、結(jié)構(gòu)和工藝等因素于一體的綜合性課題。在設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合CFD分析結(jié)果，對(duì)高溫部件及受熱部件進(jìn)行合理的布局及間隙設(shè)定，受熱部件的防護(hù)材料要滿足防護(hù)要求，流場中各部件的結(jié)構(gòu)盡量避免阻礙氣流或造成湍流，部件的制造及安裝公差也要考慮，間隙設(shè)定要有適當(dāng)?shù)念A(yù)留值。此外必須開展實(shí)車熱管理試驗(yàn)驗(yàn)證，保證熱傷害問題不流入市場，影響消費(fèi)者的人身及財(cái)產(chǎn)安全。

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收稿日期：2015?08?31

文章編號(hào)：1002-4581（2016）01-0031-05

中圖分類號(hào)：U461.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2016.01.009