乘用车智能进气格栅的影响和应用

陈鸿明，武亚娇，李 华，杨雪松

（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201）

乘用车智能进气格栅的影响和应用

陈鸿明，武亚娇，李 华，杨雪松

（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201）

阐述了智能进气格栅的工作原理和开发工作流程，及其对气动阻力性能、整车热管理性能、发动机冷却性能和其它性能的影响，重点描述了增加智能进气格栅引起的发动机舱环境温度升高对于零部件使用寿命的影响。针对某款车型设计了一系列包含不同环境温度和进气格栅开口组合形式的测试方案，根据测试结果评估智能进气格珊对空气阻力、发动机冷却和前舱热性能的影响，基于数据分析结果对开口组合方式和进气格珊的控制逻辑进行优化。

智能进气格栅；气动阻力；整车热性能；发动机冷却

随着汽车普及率的不断提高，消费者对车辆燃油经济性的关注度越来越高，汽车研发工程师需要去尝试不同的方法来降低汽车燃油消耗量以满足消费者的需求。近些年，智能进气格栅渐渐进入工程师的视野并应用在整车上，成为一种有效降低燃油消耗量的手段。智能进气格栅最初的应用主要是为了加快热车过程，特别是在一些寒冷地区的冬天，可以缩短发动机热机时间，加快除霜除冰过程，减少车主等待时间。如今，智能进气格栅通过控制格栅进风，有效降低气动阻力，减少车辆行驶总的阻力，起到了降低燃油消耗的作用。

目前国内对于智能进气格珊的研究还处于初级阶段，相关的文献资料还比较少［1］。大部分乘用车都是通过格栅开口引导冷却风来对发动机和发动机舱内的零部件进行冷却，前端模块没有对进风量进行主动控制。当智能进气格栅关闭时，前端进风将被部分或者完全挡住，发动机和发动机舱零部件的冷却将会受到很大影响，发动机冷却液有可能由于温度过高而沸腾，零部件有可能过热而导致寿命缩短并提前失效甚至直接融化失效等。这些问题都需要在智能进气格栅前期设计开发中予以考虑，通过设计前端开口方式以及智能进气格栅控制逻辑，在保证发动机和前舱的零部件在所有工况下都能得到足够的冷却风量的前提下，提高空气阻力性能。

1 智能进气格栅对整车性能的影响

智能进气格栅通过控制前端进风量降低整车空气阻力，所以它影响的整车性能主要有：整车空气阻力性能、发动机冷却性能、乘客舱舒适性和整车热性能等。

三交镇黄河抗旱应急提水工程的实施，能很大限度地减轻旱灾造成的影响和损失，提高了干旱时期人饮应急供水能力，改善城乡居民生活质量，改变现有的被动应急抗旱方式，增强抗旱减灾保障能力，对促进经济社会全面、协调、可持续发展具有重要的现实意义。

1.1 气动阻力的影响

这在西王以前是不可能的事情，一开始西王篮球俱乐部请了一位大学还没有毕业的学生当新闻官，所以跟媒体闹出了诸多业余矛盾，比如说在赛季前誓师会的时候，这位新闻官竟然把来自济南的一车媒体记者，在寒风中晾在邹平荒野上一个多小时。到后来人们才知道，他是要更换所乘大巴的“山东高速”车贴，怕老板看到还没换成山东西王不高兴呢。

以普通的家用中型轿车为例，假设油耗为 10 L/ 100 km，0.27 ＜风阻系数 Cd＜ 0.37，1 Counts =0.001，对于上下格栅都有智能进气格栅的车型，能降低空气阻力系数约 12 Counts。内部数据以及相关研究［2］表明，汽车在高速行驶时，12 Counts的气动阻力减小可带来大约 0.24 L/100 km 的燃油节省，而且，随着车速增加，智能进气格珊所带来的气动阻力收益也越来越大，这就意味着更大的燃油节省量。

1.2 发动机冷却性能的影响

构建税收服务高质量发展的指标系统。根据全市高质量发展指标体系，结合省税务局绩效考核要求，建立税收服务高质量发展的指标体系，既呼应全市指标体系中的财税指标，又深化与高质量发展密切相关的税收指标；既关注高质量发展的财税贡献指标，又体现税收优惠政策的精准效应；既反映税收治理质效，又聚焦纳税人的获得感与满意度。

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发动机冷却性能主要表现为发动机水温，变速器油温以及发动机机油温度等，主要是通过散热器和油冷器完成散热，而散热器和油冷器都是通过进入前舱的冷却风来进行散热。但智能进气格栅是通过控制前端进风量来降低风阻，当智能进气格栅关闭时，发动机的冷却性能将会受到很大影响。

整车热性能也可以简单概括为由于发动机和变速器系统散热而导致的热性能问题，主要表现为前舱和底盘各零部件的温度状态。当智能进气格栅关闭时，前端进风量急剧下降导致排气系统、前端冷却模块、发动机以及变速器无法得到足够的冷却风，前舱的环境温度和排气管表面温度都会迅速升高，导致前舱和底盘各零部件温度升高并超过其温度限值，从而引发一系列的热性能问题［3］。这些热性

该系统往往与电网企业办公大楼中其他非数据中心区域设备(如办公空调)共用，根据PUE的定义，只需统计系统与数据中心关联的部分耗电量，而此部分耗电量难以直接测量，只能通过估算的方法得出，具体如下：

1.3 整车热性能的影响

从对相关问题的深度分析过程中，逐步认识到为了增强多媒体设备的使用效能，弥补现阶段多媒体管理缺陷，关键是引入高新智慧型管理技术，提高设备管理水平和使用效率，助推学校管理现代化。多媒体技术水平较高，基于技术管理工作的考虑，管理人员需要持续开展技术创新工作，以现代高效的管理手段，增强管理工作的便捷性，确保多媒体技术设备的合理使用。以下提出三种智慧型门禁管理多媒体设施、设备的自动化系统，分析研究系统结构、组成、完善系统功能。

高温环境下，当智能格栅起作用并且将前端开口关闭，冷却系统温度将急剧上升，系统会命令冷却风扇保持高速运转，需要耗费很多能量。如果温度继续上升将出现水温报警甚至冷却液沸腾现象。在低温环境下，前端格栅开口关闭将使发动机快速暖机，发动机油和变速器油快速升温，降低传动系统的损耗，进而起到降低油耗的作用。

如果已知在某个环境温度 T1的寿命时间为 t1，很容易通过式（9）推出在另一个环境温度 T2的寿命时间 t2。比如：某种橡胶材料在 100 ℃（373 K）的环境温度下使用寿命为 3 000 h，并且已知该材料的 E=0.965 eV，R=8.617×10-5eV/K，那么从式（9）可以推出该种材料在 110℃环境温度下的使用寿命为 1 370 h，这意味着温度升高 10℃，材料寿命减少一半。由此可见，环境温度对于零部件的使用寿命影响非常大，而且对于活化能越大的材料，温度升高带来的寿命减少的风险就越严重。

每个零部件都必须通过试验得出其自身的温度限值，并且零部件温度限值分为长期限值和短期限值，与其相对应，消费者驾驶过程中也有长期和短期工况。长期和短期是指消费者在行驶过程中所能遇到某种工况频率的高低，比如碰到频率较高的城市工况和高速工况就属于长期工况。智能格珊开发设计过程中要尽量避免有零部件在长期工况中超出其温度限值。

消防用水储存于生产新水水池内，同时采取保证消防水不做他用的措施。厂区内大多为丁、戊类单层厂房，根据规范要求设置室内外消火栓给水系统，水池出水可满足消防供水压力。从消防水池设消防给水管网至厂区。

移动学习交互系统学生客户端使用包括Android智能手机等基于Android操作系统的移动设备，通过3G/4G上网或Wi-Fi无线网络连接服务器端，进行课程学习。教师客户端使用PC电脑，通过互联网连接WWW服务器，管理课程资源，查看统计数据。移动学习交互系统服务平台主要由资源服务器和数据库服务器组成。客户端和服务器端采用HTTP协议通信，利用JSON或HTML格式传输数据。

1.4 其它性能的影响

除了整车热性能和发动机冷却性能，受智能进气格栅影响的其它性能主要是空调性能，同时它也影响冷却风扇、空调压缩机、鼓风机的工作状态以及发动机暖机时间。当智能进气格栅关闭，空调制冷剂温度和发动机冷却水温就会升高，这将使压缩机、鼓风机和发动机冷却风扇需要耗费更多的功率来保持乘客舱空调出风温度和发动机冷却水温。因此，设计者需要综合比较关闭进气格栅所带来的空气阻力效益和为此消耗的其它功率，通过设计智能进气格栅的控制策略，在获取最大空气阻力效益的同时，还要保证额外的功率消耗最小。此外，发动机冷启动时，将智能进气格栅关闭可以使发动机油温和变速器油温快速升高，达到快速暖机的效果，减少车辆冷启动时的燃油消耗。本研究主要关注智能进气格栅对于整车热性能和发动机冷却性能的影响，对于空调性能的影响以及如何平衡收益与消耗可参考文献［3］，在此不详细介绍。

2 智能进气格栅在乘用车上的应用

相对于传统车型，带有智能进气格栅的车型不仅需要考虑格栅开口完全开启时所有工况设计，同时也要额外考虑格栅开口关闭状态下的设计工况。这就需要设计者在车辆开发前期根据空气动力学的特性以及发动机冷却性能的状态进行工况点的设计，即设计者期望智能格栅在什么时候关闭开口，同时需要确认格栅开口关闭后发动机冷却性能以及其它性能是否满足要求。本文将以某款车型（三厢车，混合动力车型）为例介绍前期设计、逻辑控制设计并且对不同前端开口组合方案的试验进行分析。

（3）智能格栅开口状态。测试工况的智能格栅进风口分为三种组合情况：上、下格栅开口都打开；上格栅开口打开、下格栅开口关闭；上、下格栅开口都关闭。下格栅的前端投影有效面积较大，所以下格栅开口对于空气阻力影响较大，在选择上、下格栅其中一个关闭时，本研究选择下格栅关闭。

（2）车速。由图 2可知，车速越高，关闭智能格栅进风口带来的收益越高。相反，如果车辆处于低速状态则智能格栅所带来的收益就非常有限。同时，结合中国的道路限速情况，普通道路限速为 60 km/h，高速公路限速 120 km/h。结合这两个因素，测试工况的车速分为 60 km/h、120 km/h 和最高车速。

控制逻辑主要是依据车速和发动机的热负荷情况。如图4所示，影响上、下进气格栅开口状态的因素主要包括：环境温度、发动机冷却水温、控制头和仪表输入、空调压力、车速和变速器热负荷。以这些信号为输入，通过一系列的算法决定进气格栅的开启状态和报警机制。

2.2 控制逻辑

本文所研究的车型具有上、下前格栅开口，相对应的智能进气格栅也分为上格栅进口和下格栅进口。如图3所示，上、下智能格栅进口都可以独立控制。因此在设计控制逻辑的过程中就需要为上、下格栅进口分别进行逻辑设定，比如智能进气格栅开启优先等级，各自开启角度等等。

图3 某车型智能进气格栅示意图

前期开发中首先需要确定的就是前端进风量的目标要求，分为智能进气格栅开口打开和关闭两种状态。格栅开口打开主要是针对一些恶劣工况，比如高温、高负荷工况，这与传统车型的进风量目标设定过程相同［7］。格栅开口关闭状态下的设计工况与传统车型有所区别，并不是选择可能遇到的恶劣工况，而是选择经常遇到并且能够带来空气阻力效益的工况，比如常温下的高速工况。

2.3 试验结果及分析

本文针对一种并联调姿托架(简称托架)进行标定，利用空间矢量链法建立托架位姿误差、主动移动副运动量、名义结构参数，以及结构误差间的关系表达式，然后随机给定一组符合耦合关系的结构误差，求出标定前考虑结构误差的托架位姿误差，以计算出的位姿误差为误差模型输入，输出误差模型辨识出的结构误差并进行误差补偿。

为验证智能格珊开口对整车空气动力阻力的影响，分别进行了四次试验，前端开口的组合方式和测试结果见表1。

表1 前端开口对风阻系数的影响

从数据来看，智能进气格珊可带来约 9 Counts的风阻收益，这就意味着在高速工况下能带来约0.18 L/100 km 的油耗收益。

对于发动机冷却和整车热管理性能测试工况的设计，必须保证测试的工况消费者能经常碰到，同时也要确认智能格栅能够处于关闭状态。为此，需要考虑如下几个因素：

图4 某车型智能进气格栅控制示意图

（1）环境温度。在高温环境下（大于 30 ℃），关闭智能格栅开口则无法保证发动机冷却和空调性能满足要求；而当环境温度低于 30℃时，就可以开始考虑将智能格栅进风口关闭。因此，所进行的测试工况环境温度均低于 30 ℃，分别为 30 ℃、20 ℃和 5 ℃。

NW向断裂及其次级断裂夹持部位，剖面上呈“Y”型，断裂构造的走向、倾向等产状产生变化的部位以及构造的局部膨大部位，往往是有矿体产出构造部位。如607-2矿点产于绿草沟断裂与其次级断裂夹持部位(图10)。

2.1 前期设计

（4）空调负荷。对于一些空调负荷较低的工况，智能格栅开口全部关闭或者部分关闭也能够满足冷凝器对进风量的需求。因此，测试过程中空调处于自动模式，目标温度为 22 ℃，循环模式为内循环。

为节 省 环境 模 拟实 验室时 间， 将 60 km/h、120 km/h 以及最高车速（160 km/h）三个稳定车速连在一起进行试验，简称为稳速工况试验，NEDC工况则作为单独的测试工况，简称为综合工况。结合空调模式、行驶工况以及智能格栅开口状态，将所需进行的所有测试工况汇总，见表2，一个环境温度对应一个空调模式，所以总共有 3×2×3=18个测试工况。

为保证各测试零部件的起始点温度尽量一致，每个工况开始前都有 10 min 热车时间，在热车期间上、下格栅均处于开启状态。之后开始测试之前定义的稳速工况和综合工况，并记录数据。

气动阻力和车辆行驶速度关系如图2所示，实线和虚线分别代表智能进气格栅开启和关闭状态下的气动阻力。由图2可知，智能进气格栅关闭与开启时的气动阻力差值和车速平方成正比，这也就意味着车速越快，气动阻力差值越大。

表2 测试工况汇总表

图5为稳速工况的车速示意图，该车型为混合动力车型，最高车速限定为 160 km/h。然而，160 km/h并未使发动机处于最大负荷，不论智能进气格栅是开启状态还是关闭状态，车速均可以稳定在 160 km/h，所以研究车型没有出现如文献［3］中所描述的智能格栅开度影响最高车速的情况。图6为综合工况车速示意图，该工况为NEDC工况，是目前我国通用的油耗测试工况，属于低、中、高车速混合的综合工况。从试验数据来看，稳速工况的温度均高于综合工况，并且稳速工况的温度曲线更为稳定，便于分析数据，因此，温度曲线只列举了稳速工况的数据。

由图 7 可知，对于 60 km/h 和 120 km/h 两种工况，智能格栅的三种状态对于水温影响很小，三条线基本重合，主要是由于这两个工况的发动机热负荷小，需要的冷却风量少，智能格栅在三种状态下的进风量均能满足发动机散热需求。最高车速阶段，智能格栅上、下开口都关闭时，水温明显高于另外两种状态，30 ℃环境温度下，三条曲线的发动机冷却水温度差达到 22 ℃。

图5 稳速工况车速示意图

图6 综合工况车速示意图

图7 三种环境温度稳速工况的发动机冷却水温图

图8 三种环境温度稳速工况发动机机油温度曲线

图8给出了不同环境温度下的发动机机油温度曲线，与发动机水温的趋势基本一致。当智能格栅上、下开口都关闭时发动机油温最高，比智能进气格栅另外两种状态的发动机油温高约 21℃。

通 过 这 些 数 据 可 以 看 出， 对 于 60 km/h、120 km/h 等较为常见的稳速工况，无论智能格栅开口处于何种状态，发动机水温和发动机油温都基本一致。这说明当前的前端进风量能满足发动机冷却需求，对于消费者经常使用的工况都能保持格栅开口关闭以获取风阻效益，也验证了的前期设计的准确性。综合工况（NEDC）的车速未超过 120 km/h，上面总结的规律适用于综合工况。实际数据表明，综合工况的三种开口状态下发动机水温和油温差别较小，与推测的结果基本一致，具体数据见表3。

一些学者提出了最佳适应算法和首次适应算法的改进算法。我们观察首次适应算法和最佳适应算法，货品是随机的没有降序排列，会发生容量大的排列，装不进去，原因是可能先装了小的货品，只能再开启新的箱子，使空间的没有充分利用。

表3 温度测试结果单位：℃

而对于最高车速即 160 km/h，格栅开口全部关闭时，发动机水温和油温相比另外两种状态高约20℃，并且冷却风扇最高转速已被触发。因此，对于最高车速工况，无论是从经济性和安全性角度考虑，都建议不要将上、下格栅进风口全部关闭，可将上格栅进风口打开允许部分进风以保证发动机冷却性能。

图9为不同环境温度下，智能进气格栅三种开口状态下的发动机上方某传感器表面温度曲线。与格栅开口全部打开的状态相比，单独关闭下格栅开口的温度升高 10 ℃，而上、下格栅开口全关闭状态的温度则高 40 ℃。该传感器长期温度限值为100 ℃，从测试结果来看，单独关闭下格栅开口能够满足温度要求，但是上、下格栅开口全关闭的结果无法满足热性能要求。

图9 三种环境温度稳速工况发动机上方某传感器表面温度曲线

表3为稳速工况和综合工况下，发动机冷却水温、油温和部分关键零部件的温度最大值。由表3可知，智能进气格栅的开口状态对前舱零部件的温度影响很大，呈现出上、下开口关闭时温度最高，上开口打开、下开口关闭次之，上、下开口全开最低的趋势。对于底盘区域，特别是车身下底盘零部件的影响较小，但是温度趋势与前舱零部件相反。这主要是因为格栅开口关闭后，底盘零部件周围风速变大，零部件表面对流换热系数变大。

3 结论

本文阐述了智能进气格栅的工作原理以及在整车开发过程中的基本工作流程，同时也说明了智能进气格栅如何影响气动阻力性能、发动机冷却性能、整车热管理性能以及其它性能，并通过试验数据对智能进气格栅的三个开口状态进行对比，直观地呈现出其对发动机冷却和整车热管理性能的影响。

（1）车速越大，智能进气格栅对于整车空气阻力影响越大，因此在控制逻辑设计中需要确保智能进气格栅在高车速的工况中处于关闭状态，从而获得最大的油耗收益。

（2）在开发前期，不同于传统车型的设计，带有智能进气格栅的车型必须增加一些额外的设计工况点，这些工况点在保证车辆满足整车热性能和发动机冷却性能的同时，还能最大限度地保证进气格栅能处于关闭状态以获取最小的空气阻力，达到降低油耗的目的。

目前军工科研单位许多科研人员认为档案是档案管理部门的工作，缺乏对过程资料归档的意识。导致项目建设中对随机资料、研制过程资料、测试验收资料等没有进行及时的预归档工作，造成后期找不到资料，档案验收不合格的情况。

（3）智能进气格栅的开口状态对于前舱零部件的热性能以及发动机冷却性能的影响很大，特别是前舱零部件，在开发过程中必须保证前舱零部件温度值不超过其温度限值，特别是长期温度限值。温度的升高对于零部件的使用寿命影响很大，如果超出限值将使零部件提前失效导致质量问题甚至是安全问题，需要不断地调整智能进气格栅标定以保证零部件的热性能。

（4）从试验数据来看，对于具有上、下格栅开口，同时具备上、下智能进气格栅的车型，在非高温的驾驶情况下，关闭一个格栅开口和格栅开口全部打开，这两种状态的热性能和发动机冷却性能差别较小，所以，长时间保持关闭一个格栅开口是可行的。在控制逻辑的设计过程中，可以对两个开口设定优先级别，采用优先开启其中一个格栅开口，如果性能不满足再打开另外一个格栅开口，而不是两个格栅开口同时开启或者同时关闭。具体优先开启顺序必须根据具体车型的气动阻力、整车热性能以及发动机冷却性能等的测试结果而定。

（References）：

［1］严程健，夏靖武，张志勇，等 . 客车发动机舱温控电子百叶窗系统设计［J］. 汽车电器，2014（5）：47-48. YAN Chengjian，XIA Jingwu，ZHANG Zhiyong，et a1. Design of Temperature Contro1 E1ectronic Persiennes System for Bus Engine Cabin［J］. Automotive E1ectronics，2014（5）：47-48.(in Chinese)

［2］KUMAR A， FELIX R A，DEVIREDDY R，et a1.Passenger Car Front Air-Dam Design Based on Aerodynamic and Fue1 Economy Simu1ations［C］// SAE Technica1 Paper，2013-26-0063.

［3］EL-SHARKAWY A E，KAMRAD J C， LOUNSBERRY T H，et a1.Eva1uation of Impact of Active Gri11e Shutter on Vehic1e Therma1 Management［C］//SAE Technica1 Paper，2011-01-1172.

［4］EL-SHARKAWY A E， LUIBRAND E A.App1ication of Kinetics of Therma1 Degradation for Time-Temperature Ana1ysis of Automotive Components［C］//SAE Technica1 Paper，2009-01-1178.

［5］KAMAL M R. Thermoset Characterization for Mo1dabi1ity Ana1ysis［J］.Po1ymer Engineering and Science，1974，14（3）： 231-239.

［6］KAMAL M R，SOUROUR S. Kinetics and Therma1 Characterization of Thermoset Cure［J］. Po1ymer Engineering and Science，1973，13（1）：59-64.

［7］DAMODARAN V，MOUDUDUR R.Front-end Coo1ing Airf1ow Performance Prediction Using Vehic1e System Resistance［C］//SAE Technica1 Paper，2003-01-0273.

作者介绍

责任作者：陈鸿明 (1981-)，男，福建泉州人。硕士，工程师，主要从事整车热性能分析和试验工作。

Te1：15000373575

E-mai1：hongming_chen@patac.com.cn

Effects on Vehicle Performance and Applications of Active Grille Shutters

CHEN Hongming，WU Yajiao，LI Hua，YANG Xuesong
（Pan Asia Technical Automotive Center Co., Ltd，Shanghai 201201，China）

This paper introduces the working principles and the development process of active grille shutters, then explains its effects on aero drag, full vehicle thermal management, powertrain cooling performance and other performances, and especially explains the impact of ambient temperature rise on the service life of components due to active grille shutters. A series of tests have been designed and conducted to evaluate the effects of the grille shutter on aero drag, power train cooling as well as under-hood and underbody components temperatures for one vehicle. Finally, the combinations of grille opening and shutter control logic were optimized.

active grill shutter；aerodynamic drag；thermal management；powertrain cooling

U463.85+9

：A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.03.10

武亚娇 (1984-)，女，山西大同人。硕士，工程师，主要从事整车热性能分析和试验方面工作。

2017-01-18 改稿日期：2017-02-10

参考文献引用格式：

陈鸿明，武亚娇，李华，等 . 乘用车智能进气格栅的影响和应用［J］. 汽车工程学报，2017，7(3)：226-234.

CHEN Hongming，WU Yajiao，LI Hua，et a1. Effects on Vehic1e Performance and App1ications of Active Gri11e Shutters［J］.Chinese Journa1 of Automotive Engineering，2017，7(3)：226-234.(in Chinese)

Te1：15221968364

E-mai1：Wu_yajiao@patac.com.cn