俞曉勇　高樹亮　韋凱軍　覃耿宇　郜　晗

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

主動進氣格柵技術(shù)研究

俞曉勇高樹亮韋凱軍覃耿宇郜晗

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

隨著主動進氣格柵技術(shù)在汽車上的逐步使用，主動進氣格柵的技術(shù)優(yōu)勢逐步體現(xiàn)，文章闡述了主動進氣格柵對整車行駛阻力的優(yōu)化和整車熱控制的相關(guān)影響，并以線性回歸模型的方法對主動進氣格柵的標定方法進行了初步探索。

主動進氣格柵；性能；標定

1　簡介

早在20世紀20年代可變格柵已應用在一些車（如1929年的勞斯萊斯，二十世紀二三十年代的帕卡德）上，盡管早期的可變格柵完全采用機械、人工的方式改變格柵開度，但仍可起到初步的快速暖機、保護冷卻總成的作用［1］。2000年以后，隨著油耗法規(guī)的日益加嚴，行駛阻力的優(yōu)化成為推動現(xiàn)代主動進氣格柵（Active Grille System，AGS）技術(shù)發(fā)展的主要驅(qū)動力，由于其成本相對較低，節(jié)油效果明顯的特點，目前已在歐洲及北美汽車市場普及應用，它通過在行駛過程中合理控制前進氣格柵的開度，達到調(diào)節(jié)進入發(fā)動機艙冷卻風量的目的，降低行駛過程中的內(nèi)循環(huán)阻力，提升整車燃油經(jīng)濟性［2］。同時AGS系統(tǒng)能夠改善發(fā)動機暖機過程中的排放，提升整車駕駛性能，已在國外中高端車型中普遍應用，國內(nèi)自主品牌目前也展開了對AGS技術(shù)工程化的研究。

AGS的開發(fā)能夠為車輛帶來燃油經(jīng)濟性、空調(diào)性能、風燥等多方面的性能提升。在各自有關(guān)領(lǐng)域經(jīng)常有其他更有效的措施。在整車廠，主動進氣格柵的開發(fā)和應用涉及多個部門（車身，冷卻，電子及CAE等）。由于現(xiàn)行標準的行駛工況（NEDC），至少在歐洲和美國，不能反映實際駕駛中以更高速度行駛的比例，所以要使用跨部門團隊來真實的評估成本與收益。法規(guī)將把這考慮在內(nèi)，例如通過為主動空氣動力學組件給予獨立的單車及平均油耗優(yōu)惠［3-5］。

2　AGS系統(tǒng)設計

在AGS早期設計階段，如圖1示的概念設計完成后，可以獲得對AGS模塊預期的漏風量的第一次評估。將使用靜態(tài)的有限元素法計算，應用與不同假定車輛速度同等的力加載到葉片。隨著變形的葉片外形，風載引起的空隙可以被測量，可以被用來計算封閉葉片時的氣流泄漏質(zhì)量。葉片封閉時額外的漏出量是由必要的空隙導致的，與風速無關(guān)。漏出量可以通過計算葉片關(guān)與開時的流量流比率決定。精確的估計要求使用CFD及FSI工具，需要相當長的研制周期來獲得結(jié)果［1］。

圖1　AGS系統(tǒng)方案

綜上所述，通過CFD分析并對早期AGS加裝后的缺流漏流區(qū)域進行結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化，在改善冷卻氣流流圖同時，進一步提升進風量，改善前后對比效果如圖2所示。

圖2　Z=0.1m截面處速度云圖前后優(yōu)化對比分析

在優(yōu)化主動進氣格柵造型后，通過冷凝器的空氣量增加了9.8%，通過散熱器的空氣量增加了7%，散熱器入口處的冷卻液溫度降低了2.12℃。

3　行駛阻力優(yōu)化研究

AGS系統(tǒng)主要用來通過控制冷卻空氣流來改進車輛氣動阻力。由于冷卻系統(tǒng)是設計用來即使在最差的駕駛條件下也能提供足夠冷卻風量的，在所有其他駕駛條件下，有多余的氣流和因此帶來的阻力的增加。尤其在中高速時，格柵葉片的關(guān)閉能夠帶來明顯的風阻優(yōu)化，改善二氧化碳的排放［6］。

行駛阻力的測量通過安裝在車內(nèi)的滑行阻力測試設備來實現(xiàn)測量，測量方法為格柵開度全開、全閉2次測量對比分析，試驗方法參照整車滑行阻力要求進行。行駛阻力與速度的平方成正比（F=Cd*A*1/2pV2，其中，Cd：阻力系數(shù)，A：參考迎風面積，1/2pV2：動壓），因此行駛阻力功率結(jié)果與速度的平方成正比（功率=力*速率），所以，速度越高（＞80KM/H），氣動收益越顯著。

某車型在AGS全開、全閉狀態(tài)下的滑行阻力實測曲線及功率優(yōu)化如圖3、圖4所示：

圖3　AGS滑行阻力對比分析

圖4　AGS功率優(yōu)化

由圖3、圖4分析可知，主動進氣格柵在整個滑行區(qū)間行駛阻力平均優(yōu)化30.1Nm，優(yōu)化比例為6.45%，阻力功率平均優(yōu)化1895W，在中高速區(qū)域（速度＞70公里/小時），阻力與功率優(yōu)化效果極為明顯。

4　AGS對傳動系統(tǒng)冷卻性能影響研究

設計基于傳動系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)的最初輸入是基于涵蓋了較為寬泛范圍的特殊測試條件。經(jīng)典的測試條件包括在高溫度及高負荷駕駛。其他測試包括高外界溫度下城市低速交通測試及高速測試（160km/h或更高）［7］。這些極端測試條件對于判定冷卻要求的氣流及冷卻系統(tǒng)參數(shù)是有必要的。格柵的實施將降低空氣通過冷卻模塊的數(shù)量。所以，格柵控制策略有對冷卻系統(tǒng)的性能產(chǎn)生負面影響的潛在風險。然而，為了改善整車燃油經(jīng)濟成效，選擇格柵最優(yōu)開度使其在維持發(fā)動機冷卻劑、發(fā)動機潤滑油及傳動潤滑油低于它們的溫度極限值的同時達成最大化燃油經(jīng)濟成效的目標。綜上所述，AGS的控制策略直接決定了是否能夠在滿足整車冷卻性能最低需求的同時達成燃油經(jīng)濟性最大化。

4.1開度控制方案與設計

圖5　AGS開度控制模型

在MultiPos_cal和Veh_AeroDynamic_cal模型中均需要建立基于車速vD、風扇狀態(tài)ns、格柵開度θa不同狀態(tài)下對應的空氣流量Qa的Map圖（LUT_AirFlow），以用于AGS開度控制模型計算。

其中，VD標定范圍為0～200Km/h，以10Km/h為標定區(qū)間，共21個標定點；ns標定范圍為0～100%，以20%為標定區(qū)間，共6個標定點；θa標定范圍為0～100%，以10%為標定區(qū)間，共15個標定點。采用傳統(tǒng)標定方法共需進行1890組標定試驗。本文通過引入中心組合設計（CCD）方法進行DOE設計，通過二次多項式回歸方程建立車速-格柵開度-風扇狀態(tài)的三因素風量預測模型，實現(xiàn)格柵開度Map圖的標定。

以車速X1、風扇狀態(tài)X2、格柵開度X3為試驗因素，采用Design Expert8.0進行二次回歸中心組合試驗設計［8］，各因素及水平的試驗設計見表1。

表1　風量因素水平編碼表

標定方案及試驗結(jié)果見表2。

表2　試驗設計及結(jié)果

4.2回歸模型及結(jié)果分析

對實驗數(shù)據(jù)進行多項擬合回歸，建立基于車速、風扇狀態(tài)、格柵開度的風量預測回歸模型方程，見式1。

對回歸模型方程進行方差分析，F(xiàn)值為42.8，P值＜0.0001，表明自變量和因變量間有極顯著的相關(guān)關(guān)系，擬合水平良好；對預測模型的擬合度進行檢驗，回歸判定系數(shù)達到96.289%，體現(xiàn)出回歸模型方程與試驗數(shù)據(jù)整體符合程度較高，表明該模型可用于AGS的冷卻風量預測。

圖6　模型響應曲面分析圖

模型中各因素對風量的影響如圖6所示?？諝饬髁侩S車速、風扇速度、格柵開度的增加而增大，由圖6（a）、（b）分析可知，車速對于空氣流量影響顯著，在AGS開度控制模型中應優(yōu)先考慮利用車速滿足發(fā)動機艙的冷卻風量需求。由圖6（c）分析可知，在車速較低時，格柵開度對空氣流量影響顯著，在AGS開度控制模型中當車速低于V_critical時，應優(yōu)先采用格柵開啟角度滿足冷卻風量需求。

5　結(jié)論及未來前景

目前，AGS系統(tǒng)在改進空氣動力學及燃油經(jīng)濟性提升方面正在為越來越多的整車廠所采用，而AGS系統(tǒng)所帶來的額外收益也越來越被各個整車廠所重視。未來，AGS的應用將延伸至汽油及柴油發(fā)動機的混合驅(qū)動汽車及電動車上，應用AGS不僅為了改善空氣動力學，也為了控制電池冷卻。本文通過引入中央組合設計方法實現(xiàn)對AGS多開度控制Map圖的標定，建立了冷卻需求預測模型及車速-開度-風扇狀態(tài)-風量響應曲面，對顯著影響冷卻風量的因素進行了理論分析。模型F值為42.8，P值＜0.0001，回歸判定系數(shù)達到96.289%，結(jié)果表明，該方法可用于準確預測冷卻需求并優(yōu)化設計AGS匹配標定方案。

［1］ Scott Charnesky， Gregory Fadler，Thomas Lockwood. Variable and Fixed Airflow for Vehicle Cooling［C］.SAE2011-01-1340，2011.

［2］ Alaa E. El-Sharkawy， Joshua C. Kamrad， et al. Evaluation of Impact of Active Grille Shutter onVehicle Thermal Management［C］.SAE 2011-01-1172， 2011.［3］ Rashad Mustafa， Mirko Schulze， et al. Improved Energy Management Using Engine Compartment Encapsulation and Grille Shutter Control［C］. SAE 2012-01-1203， 2012.

［4］ Richard Burke，Chris Brace.The Effects of Engine Thermal Conditions on Performance，Emissions and Fuel Consumption［C］.SAE 2010-01-0802，2010.

［5］ Bing Xu， Michael Leffert. Fuel Economy Impact of Grille Opening and Engine Cooling Fan Power on a Mid-Size Sedan［C］.SAE 2013-01-0857，2013.

［6］ Hussein Jama，Simon Watkins，et al.Reduced Drag and Adequate Cooling for Passenger Vehicles Using Variable Area Front Air Intakes［C］.SAE 2006-01-0342， 2006.

［7］ Bing Xu，Michael Leffert，et al.Fuel Economy Impact of Grille Opening and Engine Cooling Fan Power on a Mid-Size Sedan［C］. SAE 2013-01-0857，2013.

［8］ Michael Duoba. Ambient Temperature （20°F，72°F and 95°F）Impact on Fuel and Energy Consumption for Several Conventional Vehicles，Hybrid and Plug-In Hybrid Electric Vehicles and Battery Electric Vehicle［C］.SAE 2013-01-1462，2006.

Research on active air intake grid technology

Active grille technology is reflected as advantage in automobile while it is used progressively. This article discusses the active grille related to the vehicle driving resistance and vehicle thermal control， builds the linear regression model of active grille calibration method has carried on the preliminary exploration.

Active air inlet grille； performance； calibration

U461

A

1008-1151（2016）03-0057-03

2016-02-10

俞曉勇（1984-），福建福清人，供職于上汽通用五菱汽車股份有限公司，研究方向為汽車空調(diào)系統(tǒng)及發(fā)動機冷卻系統(tǒng)。