劉傳波，張若楠，段 茂，劉 康，王 偉

（1.武漢理工大學機電工程學院，武漢 430070； 2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007）

前言

汽車前艙進氣量主要取決于格柵開口面積與冷卻風扇工作轉(zhuǎn)速，它直接影響發(fā)動機前艙的散熱性能，同時也影響著艙內(nèi)氣動阻力。傳統(tǒng)的進氣模塊匹配中，重點關(guān)注極限工況下冷卻風扇的匹配，格柵進氣角度控制僅局限于全開與全閉兩個工位；且格柵與風扇工作相互獨立。缺點在于基于極限工況匹配的風扇轉(zhuǎn)速在常規(guī)工況下，存在過度冷卻的問題。同時，格柵與風扇工作相互獨立，導致冷卻效率大大降低且無法精確控制冷卻系統(tǒng)進風量。

目前，國內(nèi)外關(guān)于進氣模塊的匹配研究越來越深入。王文璽等［1］建立了整車散熱需求模型和主動進氣格柵（AGS）多開度控制模型，進而實現(xiàn)其多開度控制。Leffert等［2］將空氣動力學風洞試驗、FTP和MVEG測功機測試結(jié)果作為輸入，用MATLAB構(gòu)建整車模型來計算燃油經(jīng)濟性，并研究了各種發(fā)動機冷卻風扇功率與格柵開口面積下，轎車燃油經(jīng)濟性的變化。Bouilly［3］研究發(fā)現(xiàn)格柵穩(wěn)定性是格柵控制一大挑戰(zhàn)，避免因過多位置之間連續(xù)偏轉(zhuǎn)而導致格柵部件壽命縮短，由此提出基于格柵5控制位的控制策略。Shigarkanthi等［4］運用中心組合設(shè)計算法，在仿真試驗的基礎(chǔ)上，匹配不同車速和風扇轉(zhuǎn)速，進而完成滿足冷卻流量需求所對應的格柵角度設(shè)計。

本文中采用計算流體力學方法重點研究了NEDC工況下，格柵角度與風扇轉(zhuǎn)速變化對前艙流場的影響。在滿足冷卻需求的基礎(chǔ)上，以降低能耗為目標，為冷卻系統(tǒng)前端進氣模塊匹配提供了一套合理的解決方案；并通過實車模擬試驗，驗證其合理性與實用性。

1 數(shù)值計算模型

為直觀了解不同格柵角度和風扇轉(zhuǎn)速對冷卻氣流的影響，本文中采用ANSYS Fluent對發(fā)動機前艙內(nèi)流場進行仿真，根據(jù)現(xiàn)有通用的方式建立風洞仿真模型［5］（見圖1），并對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了簡化，前艙內(nèi)部布局見圖2。

圖1 整車模型與計算域

圖2 前艙內(nèi)部布局

選定爬坡工況和高速工況進行仿真，監(jiān)測流經(jīng)散熱器與冷凝器的冷卻氣體進氣量Q（m3／s），對比已有的實車實驗參數(shù)，驗證數(shù)學模型的可靠性。各散熱部件進風量的仿真和實驗值如表1所示。

表1 冷卻系統(tǒng)冷卻空氣進氣量對比 m3／s

通過對比后發(fā)現(xiàn)，在模擬爬坡工況與高速工況下，仿真值與實車試驗值誤差均在10%之內(nèi)，驗證了仿真模型的準確性與實用性。

2 數(shù)值分析與結(jié)果討論

采用上述數(shù)值計算方法對圖1所示的計算模型在不同車速、格柵角度和風扇轉(zhuǎn)速下的前艙內(nèi)流阻力特性和流場特性進行數(shù)值計算。分析前艙進氣元件參數(shù)（格柵角度和風扇轉(zhuǎn)速）對內(nèi)流阻力和進氣流量的影響規(guī)律，為后續(xù)進氣模塊的匹配提供參考。

2.1 格柵角度的影響分析

實車格柵為橫條形，格柵進氣角度定義為葉片與豎直面所成夾角，設(shè)定風扇轉(zhuǎn)速為0。為使仿真規(guī)律適用于NEDC工況下進氣模塊匹配，特選取NEDC中的勻速工況（35，50，70，100和 120 km／h）作為代表工況，對不同格柵角度（0°～90°，間隔為10°）進行仿真分析。

2.1.1 氣動阻力分析

根據(jù)本文中研究對象的工況選擇Realizable k-ε湍流模型進行數(shù)值模擬，并采用壓力耦合式算法進行計算，監(jiān)測前艙進氣通道進出口壓差，得到不同空氣流量下前艙空氣阻力［6］。

圖3為不同格柵角度下前艙內(nèi)流阻力。由圖可見：發(fā)動機前艙氣動阻力隨著前艙進氣量的增大而增大；在0～40°范圍內(nèi)，隨著格柵角度的增大，空氣阻力增長率逐步減??；格柵角度在40°～80°范圍內(nèi)，曲線基本重合，即空氣流量與前艙內(nèi)流阻力的關(guān)系不再隨格柵角度而變化；冷卻系統(tǒng)氣動阻力隨著前艙流量的增大而增大，所以在保證冷卻系統(tǒng)散熱需求前提下，應合理控制進氣流量，使冷卻系統(tǒng)阻力損失降到最小。

圖3 不同格柵角度下前艙內(nèi)流阻力隨進氣量而變化的關(guān)系

2.1.2 冷卻系統(tǒng)進氣流量分析

控制冷卻系統(tǒng)進氣量作為冷卻系統(tǒng)前期開發(fā)的重要參數(shù)，是后期進氣模塊匹配的輸入條件。圖4為不同車速和格柵角度下，冷卻系統(tǒng)進氣量的變化情況。

圖4 不同車速下進氣量隨格柵角度而變化的關(guān)系

由圖可見：（1）所有工況下，冷卻系統(tǒng)進氣量隨著格柵角度的增大而增加，并于40°附近達到最大值，隨后趨于穩(wěn)定；（2）格柵角度在0°～40°范圍內(nèi)增大過程中，車速越高，進氣流量及其增長率越大，因此可認為，高速工況下，適當增大格柵角度，可更快提升進氣量［7］；（3）但綜合考慮格柵實際工作效率、使用壽命與控制精度，格柵角度應在對進氣量影響最為顯著的范圍內(nèi)調(diào)整，且盡可能減小角度變化范圍與控制位數(shù)量［3］，因此將進氣角度調(diào)節(jié)范圍初步設(shè)定為 0°～40°，設(shè)定 0°，10°，20°，30°和 40°5個控制位。

2.2 風扇轉(zhuǎn)速對進氣流量的影響

保持格柵角度為40°不變，在不同風扇轉(zhuǎn)速（500～3 000 r／min，間隔為 500 r／min）、不同車速（35，70，100，120 km／h）下進行仿真分析，監(jiān)測散熱器進風量，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同工況下進氣量與風扇轉(zhuǎn)速的關(guān)系

由圖可見：（1）冷卻系統(tǒng)進氣量隨著車速和風扇轉(zhuǎn)速的升高而增加，但其增長率卻隨著車速的升高而降低；（2）當風扇轉(zhuǎn)速由500增加到3 000 r／min，低速（35 km／h）工況下，冷卻系統(tǒng)進風量增加了 0.575 8 m3／s，即增大了約 35倍，而高 速（120 km／h）工況下，進氣量增加 0.354 1 m3／s，即增大了50%，明顯小于低速工況，說明與高速工況相比，低速工況下，風扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的抽吸效應對氣流的引導效果更為顯著；（3）實際風扇轉(zhuǎn)速匹配時，低速工況下，適當提升風扇轉(zhuǎn)速，進氣流量將有較大提升，高速工況下，由于風扇的抽吸效應減弱，提升風扇轉(zhuǎn)速對增加前艙進氣量的效率降低。因此，高速工況下，應優(yōu)先選擇其它可行方案來滿足進風量需求，再考慮增大風扇轉(zhuǎn)速來提升進風量。

3 前端進氣模塊的匹配與優(yōu)選

前端進氣模塊與冷卻系統(tǒng)匹配優(yōu)化步驟為：（1）確定進氣模塊與冷卻系統(tǒng)的匹配空氣流量，風扇特性曲線（靜壓 空氣流量曲線）與不同格柵角度下冷卻系統(tǒng)風阻特性曲線（空氣流量 流動阻力曲線）匹配時［8］，即可初步確定不同格柵角度與風扇轉(zhuǎn)速下，冷卻系統(tǒng)的理論進氣量，繼而分析該進氣量是否滿足特定工況下，發(fā)動機的散熱需求；（2）從滿足散熱需求的進氣元件參數(shù)組合中，選取最優(yōu)的一組參數(shù)以降低艙內(nèi)的氣動阻力。

3.1 風扇氣動性能曲線

風扇氣動性能可通過風扇性能曲線表示。本文中采用Fluent軟件對風扇氣動性能進行仿真。采用SIMPLE壓力修正算法求解速度與壓力的耦合［9］。

選取穩(wěn)定工況的數(shù)據(jù)，將仿真與風扇性能試驗得到的風扇靜壓值進行對比。在1 500 r／min風扇轉(zhuǎn)速下，靜壓的仿真計算值與試驗值可較好吻合，平均相對誤差為3.62%，表明該方法可準確預測其氣動性能。由此可得不同轉(zhuǎn)速下風扇氣動性能曲線，見圖6。

圖6 風扇性能曲線

3.2 前端進氣模塊的匹配與優(yōu)選

汽車行駛過程中，冷卻系統(tǒng)的氣動阻力等于風扇靜壓與行駛風壓之和，考慮到某些工況下行駛風壓很小，因此可認為當風扇靜壓與冷卻系統(tǒng)阻力相等時，風扇達到穩(wěn)定工作狀態(tài)，此時的空氣流量即為冷卻系統(tǒng)理論進氣量［6］。而風扇性能曲線與冷卻系統(tǒng)阻力曲線交點的橫坐標，即為特定格柵角度與風扇轉(zhuǎn)速下冷卻系統(tǒng)理論進氣量，如圖7所示。

圖7 風扇工作點示意圖

判斷進氣模塊與冷卻系統(tǒng)是否匹配的主要依據(jù)是，該格柵角度與風扇轉(zhuǎn)速所提供進氣量q1是否滿足匹配工況下發(fā)動機的散熱需求q2：（1）若 q1＜q2，會由于散熱不足而導致發(fā)動機出現(xiàn)過熱現(xiàn)象；（2）若q1比q2大很多時，則會冷卻過度而降低發(fā)動機工作性能。因此，綜合考慮，當 q1＝（1～1.2）q2時，冷卻效果最好［10］。

以降低能耗、提升燃油經(jīng)濟性為目標，對滿足發(fā)動機散熱需求的進氣元件參數(shù)組合（格柵角度與風扇轉(zhuǎn)速）進行優(yōu)選，其目的是通過綜合分析風扇功耗與格柵降阻節(jié)油性能，確定常規(guī)工況下，總體功耗最小的前端進氣模塊參數(shù)。

4 匹配實例分析

4.1 進氣元件工作點的確定

本文中基于已有車型對冷卻系統(tǒng)前端進氣模塊進行匹配，冷卻液循環(huán)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)和空氣側(cè)元件選型均已確定。以NEDC油耗測評工況為例來分析前端進氣模塊匹配方法的應用。

根據(jù)前面仿真分析確定，該型號進氣格柵工位設(shè)置為 0°，10°，20°，30°，40°；相應風扇轉(zhuǎn)速擋位設(shè)置為 0，1 000，2 000和3 000 r／min。通過測試，獲得風扇性能數(shù)據(jù)與不同格柵開口下前艙風阻數(shù)據(jù)，并基于滿足散熱需求的匹配準則，得到風扇 格柵 冷卻系統(tǒng)匹配曲線，如圖8所示。相應工作點對應的理論進氣量見表2。

圖8 格柵 風扇 冷卻系統(tǒng)理論匹配曲線

表2 進氣模塊匹配工作點理論進氣量 m3／s

4.2 冷卻系統(tǒng)散熱量的確定

通過發(fā)動機熱平衡實驗獲取散熱系統(tǒng)需求散熱量，從轉(zhuǎn)速范圍 1 000～5 000 r／min，間隔 1 000 r／min，在不同負荷率（20%，40%，60%，80%，100%）下進行測試，獲取冷卻液帶走的熱量，部分實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

由于發(fā)動機散入冷卻液的熱量與轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速均呈線性關(guān)系，因此可利用二元線性回歸方程進行擬合，獲取發(fā)動機散熱量Y與轉(zhuǎn)速X1、轉(zhuǎn)矩X2的回歸模型方程：

經(jīng)計算：（1）擬合相對誤差超過 10%的有12.40%和13.83%，擬合相對誤差平均值為4.23%；（2）對回歸方程進行方差分析，檢驗值F＝1.7242＞0，回歸判定系數(shù)R2＝95%，表明發(fā)動機散熱量與轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩顯著相關(guān)，可用該方程預測冷卻液帶走的熱量。

4.3 冷卻空氣量的確定

4.3.1 確定匹配工況

為便于匹配不同工況下的進氣元件參數(shù)，以滿足發(fā)動機的散熱需求，選擇NEDC工況中的勻速工況 35，50，70，100和 120 km／h作為代表工況，如圖9所示，分別記為工況 1，2，3，4和 5。

表3 發(fā)動機熱平衡實驗數(shù)據(jù)（部分）

圖9 NEDC匹配工況

4.3.2 發(fā)動機理論散熱量

在整車排放實驗室進行整車油耗實驗，通過車載診斷系統(tǒng)（OBD）采集代表工況下發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，將其代入式（1），獲取特定工況下發(fā)動機散入冷卻液的熱量，結(jié)果見表4第5列。

表4 各代表工況下冷卻空氣實際需求量

4.3.3 散熱器實際散熱量

考慮到散熱器使用一段時間后，由于水垢生成、壓力蓋泄漏和氣流分布不均，散熱器散熱性能將降低10%左右，此外，冷凝器前置將使前格柵進氣溫度提升10℃左右，因此，考慮冷凝器對散熱器散熱量的影響，一般有 Qr＝（1.05～1.25）QW［10］，其中 Qr為散熱器散熱量，QW為發(fā)動機散熱量，這里取系數(shù)為1.1，獲得散熱器的散熱量，見表4第6列。

4.3.4 冷卻空氣理論需求量

通過式（2）［12］換算獲取散熱器理論需求的進氣量 Va（m3／s）。

式中：QW為冷卻系統(tǒng)散熱量；Δta為冷卻氣流通過散熱器的前后溫差，取 20℃；ρa為空氣密度，取1.01 kg／m3；Cpa為空氣定壓比熱，取 1.047 kJ／（kg·℃）。根據(jù)已知冷卻系統(tǒng)散熱量，由式（2）確定冷卻空氣理論需求量，見表4第7列。

4.3.5 冷卻空氣實際需求量

從散熱器實際安裝位置看，由于散熱器前布置有進氣格柵與冷凝器，實際有效進風面積并不大，而且風扇排出氣流受發(fā)動機前端面與電子元件阻擋，氣動阻力較大，因此冷卻系統(tǒng)實際有效進氣量遠小于風洞實驗所測理論值。在此引入進風系數(shù)對其進行修正，取值0.6，得到NEDC工況下冷卻空氣實際需求量，見表4第8列。

4.4 進氣模塊參數(shù)優(yōu)選

對比表2與表4和圖4中的數(shù)據(jù)，可匹配得到不同工況下滿足冷卻系統(tǒng)散熱需求的進氣模塊參數(shù)，見表5。

表5 滿足散熱需求的進氣模塊工作點

以節(jié)約能耗、提升整車性能為指標，對表5中進氣模塊參數(shù)進行優(yōu)選。綜上所述，構(gòu)造優(yōu)化準則如下。

（1）與冷卻風扇相比，進氣格柵工作能耗要低得多，因此，宜優(yōu)先增大格柵角度以滿足散熱需求，再考慮開啟風扇增大進氣量。

（2）由于風扇消耗功率占發(fā)動機輸出功率的5%～8%，且風扇功耗與氣動噪聲聲壓級均與轉(zhuǎn)速成正比［11］，因此，在滿足散熱需求的前提下，可優(yōu)先匹配轉(zhuǎn)速更低的風扇。

（3）由于低速工況下，風扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的抽吸效應對氣流的引導效果顯著，高速工況下，風扇的抽吸效應大幅減弱，因此，在低速工況風扇轉(zhuǎn)速匹配中，應適當匹配較大風扇轉(zhuǎn)速，以更快提升進氣流量。

（4）格柵角度在0°～40°范圍內(nèi)增大時，車速越高，前艙進氣流量增長越快，因此，高速工況格柵角度匹配中，可考慮匹配較大格柵角度，以更快提升進氣流量。

由于本車型發(fā)動機工作最佳溫度范圍為85～95℃，因此在確定實際控制時作如下考慮。

（1）發(fā)動機出水口溫度高于95℃時，相關(guān)匹配參數(shù)為（40°，3 000 r／min）。

（2）溫度低于85℃時，匹配參數(shù)為（0°，0）。

（3）溫度位于85～95℃時，根據(jù)上述參考指標，工況 1下，匹配參數(shù)（10°，1 000 r／min）的格柵角度小于（20°，1 000 r／min），因此前艙阻力更小，具有更好的燃油經(jīng)濟性。此外，由于工況1條件下，風扇關(guān)閉，格柵角度為 10°時所提供的空氣流量為0.257 m3／s，滿足冷卻風量需求 0.251 1 m3／s，與風扇相比，格柵工作能耗更低，且風扇高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)帶來高能耗、噪聲等一系列問題。相比于參數(shù)（10°，1 000 r／min），（10°，0）在能耗和噪聲方面性能更優(yōu)，所以工況1匹配的進氣模塊參數(shù)為（10°，0）。

（4）用相同方法可確定工況2和工況3下，進氣模塊的匹配參數(shù)分別為（20°，0）和（30°，0）。

（5）工況4條件下，由圖4可知，100 km／h情況下，開啟格柵所能提供的最大進氣量為開口角度40°時，進氣量為0.824 1 m3／s，小于工況4的進氣量需求0.879 2 m3／s，所以必須開啟風扇來提升進氣量。參考表2中格柵和冷卻風扇各組參數(shù)組合，確定只有（20°，3 000 r／min）和（30°，3 000 r／min）可以滿足冷卻空氣量需求，匹配參數(shù)（20°，3 000 r／min）的格柵角度小于（30°，3 000 r／min），因此前艙阻力更小，具有更好的燃油經(jīng)濟性。因此工況4的匹配參數(shù)為（20°，3 000 r／min）。

（6）工況 5條件下，只有參數(shù)（40°，3 000 r／min）可滿足其進風量需求，因此工況5的匹配參數(shù)為（40°，3 000 r／min）。各工況的進氣模塊對應匹配參數(shù)見表6。

表6 不同工況下進氣模塊優(yōu)化匹配參數(shù)

5 實驗驗證

本文中均在數(shù)值計算符合實際情況下，完成后續(xù)的匹配設(shè)計。為驗證在實際使用情況下進氣模塊匹配結(jié)果的可行性，進行整車測試，如圖10所示。

圖10 實車模擬實驗與前艙溫度傳感器的布置

參數(shù)優(yōu)化匹配的最初目的是讓整車動力系統(tǒng)工作在最佳溫度范圍內(nèi)，因此測試圍繞發(fā)動機溫度展開。進氣模塊應滿足極限工況（模擬爬坡與高速工況）下的整車熱管理性能指標，并提升典型NEDC工況下的燃油經(jīng)濟性。進氣模塊耦合匹配后與原始工作狀態(tài)下的熱性能實驗數(shù)據(jù)對比見表7。

表7 優(yōu)化匹配前后各工況溫度參數(shù)

由表7可見，優(yōu)化匹配進氣模塊后，整車處于熱平衡狀態(tài)時，與原車相比，在模擬爬坡與高速工況下，發(fā)動機進出水口溫度明顯下降，冷卻常數(shù)液氣溫差也下降明顯，因此，可認為進氣模塊優(yōu)化匹配提升了散熱效率，提升了散熱能力。

燃油經(jīng)濟性實驗數(shù)據(jù)對比見表8，進氣模塊工作參數(shù)優(yōu)化匹配后，由于前艙阻力降低，燃油經(jīng)濟性顯著提升，NEDC工況下，100 km綜合油耗降低0.166 L。

表8 優(yōu)化匹配前后綜合油耗對比

6 結(jié)論

通過數(shù)值模擬，分析格柵和風扇工作參數(shù)對前艙氣動阻力與進氣量的影響，根據(jù)前艙進氣模塊的匹配分析可得如下結(jié)論。

（1）前艙氣動阻力隨著進氣量的增大而增大，且在格柵角度為0°～40°范圍內(nèi)，變化最明顯。因此，在保證散熱性能的前提下，合理控制進氣量是減小前艙內(nèi)流阻力的重要手段。

（2）車速一定時，冷卻系統(tǒng)進氣量隨著格柵角度的增加而增加，在40°附近達到最大值，且高速工況下，格柵角度對進氣量影響更為顯著。因此，高速工況下，可匹配較大格柵角度以提升進風量?？紤]格柵的工作效率與使用壽命，將格柵實際工作范圍縮小為 0°～40°。

（3）冷卻系統(tǒng)進風量隨著車速與風扇轉(zhuǎn)速的增加而增加，低速工況下，風扇轉(zhuǎn)速對進風量的影響遠大于高速工況。因此，低速工況下，可考慮匹配較高轉(zhuǎn)速的風扇，以提升進風量。

（4）基于滿足散熱需求的匹配準則與冷卻風扇匹配基本原理，對前艙進氣模塊進行匹配，參考上述準則對匹配參數(shù)進行優(yōu)化。通過整車實驗驗證了該匹配方法的可行性，可為大多數(shù)車輛前端進氣模塊匹配提供參考。

因此，為冷卻系統(tǒng)匹配格柵與風扇工作參數(shù)時，須綜合考慮系統(tǒng)散熱需求、風扇功耗與格柵降阻節(jié)油性能，進行選擇或控制。