汽车进气格栅对发动机舱热管理的影响

2019-05-14常印坤施晓光

小型内燃机与车辆技术 2019年2期

李惠常印坤施晓光

（一汽轿车股份有限公司吉林长春 130000）

引言

随着汽车市场的发展，用户对汽车动力性、舒适性的要求以及国家对节能和降低油耗的要求越来越严格，汽车整车拥有越来越多的散热零部件（增压器、空调、变速器、48 V电机等）。由于空间有限，单纯提高散热器及风扇的散热能力已不能满足散热需求。CFD技术的普遍应用，帮助工程师们从流场的角度去提高发动机舱的散热能力。对整车热管理开发来说，格栅开口越大，进入发动机舱的风量就越多，散热能力就越好。但格栅开口越大，与造型的理念以及风阻的开发相悖。因此，与整车风格相匹配的格栅才是造型最需要的。如何在造型允许的前提下，对格栅进行优化设计，以满足整车热管理的开发需求，是热管理工程师们需要着重考虑的问题。

1 格栅开口位置的影响

基于空气动力学原理，汽车行驶过程中，来流与车头相遇，气流遇到车头后受到阻滞，使气流速度降低，在车头形成正压区，气流的动压力转换成静压力。

针对不可压缩理想流体定常流动，有如下公式[1]：

式中：p 为静压力，Pa；ρ·v2/2 为动压力，Pa；ρ为流体密度，kg/m3；z为位置中心处的高度，m，v为气体流动速度，m/s；c为常数。

空气在流动过程中，忽略高度压差引起的压力损失，则有如下公式[2]：式中：Cp为压力系数，表示来流动压力转变为静压力的转化系数，为车头部分迎面风进入发动机舱的利用率。pi为格栅处的静压力，Pa；p∞为入口压强，Pa；v∞为汽车行驶速度，m/s。

Cp可以从外流场CFD计算结果中读取。Cp值越大的地方，代表进风效果越好，发动机舱的冷却效果越好。格栅的开口应有效利用正压区，确保气流得到最大化的利用。

图1为汽车外表面压力分布图。

图1 外表面压力分布

从图1可以看出，格栅的开口部位在车头的正压区，开口位置较好。

2 格栅开口面积的影响

热管理定义格栅的有效进风面积为一项重要的控制指标。格栅的有效进风面积为除去遮挡物（保险杠横梁、支架、喇叭等）外，格栅开口部分正投影到散热器芯体的面积，为图2中的红框绿色部分，一般要求格栅的开口面积占散热器芯体面积的20%。

图2 格栅有效进风面积

在造型初期，热管理将有效进风面积需求提供给造型，并在造型及发动机舱布置的不同阶段跟踪格栅的有效进风面积。

一般来说，格栅的开口面积越大越好。但是，如果格栅进入的冷风不能得到冷却模块充分利用，而是从冷却模块与车身内壁的四周进入发动机舱，气流会在发动机舱内无组织地流动，引起发动机舱内阻增大，增加整车行驶阻力的同时，会对前端模块的进气产生影响[3]。从这一点来说，热管理与整车风阻开发的目标相一致，应在造型设计阶段有效控制格栅的开口，可以对非正对散热器部分的格栅进行封堵。

为提高冷却风的利用率，可以在冷却模块四周增加导风板，如图3所示，保证冷却风尽量进入散热模块。

图3 导风板

导风板的设计应与格栅相匹配，确保冷却风能够顺利进入冷却模块。由于发动机舱内有发动机、排气系统等高温零部件，像悬置橡胶、蓄电池等耐受极限温度能力较低的零部件，受到热辐射的影响，需要冷风将其周边的热量带走。如果所有的冷风都通过冷却模块，散热器出口的空气温度一般在80～100℃，对悬置橡胶、蓄电池等零部件的散热不利。因此，整车热管理的开发应综合考虑多个方面，有效协调各部分性能。

由于汽车防撞横梁的存在，为遮挡防撞横梁，格栅一般设计成上、下两部分。奥迪车型只有一个大进气格栅，对防撞横梁进行喷涂掩饰。上、下格栅进气的冷却效果不同，一般来说，针对低速大负荷工况散热不足，可以适当增大上部格栅。如高速工况不满足要求，可适当增大下部格栅。