汽車主動(dòng)進(jìn)氣格柵技術(shù)開發(fā)研究

高樹亮 黃壯齊 俞曉勇 王磊 羅穎

【摘 要】隨著國內(nèi)新的油耗法規(guī)的實(shí)施，汽車生產(chǎn)廠家在面臨激烈競爭的同時(shí)，需要直面嚴(yán)峻的汽車降油耗任務(wù)，這對汽車的制造成本及性能提出了極大的考驗(yàn)。主動(dòng)進(jìn)氣格柵技術(shù)可以協(xié)助汽車廠家以較低的成本實(shí)現(xiàn)明顯的節(jié)油效果。文章詳細(xì)介紹了主動(dòng)進(jìn)氣格柵的功能、優(yōu)點(diǎn)和開發(fā)方法及理論依據(jù)，并對控制策略及發(fā)展前景作了簡要介紹。

【關(guān)鍵詞】汽車；主動(dòng)進(jìn)氣格柵；研究

【中圖分類號(hào)】U462.3 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）02-0049-04

1 主動(dòng)進(jìn)氣格柵的優(yōu)點(diǎn)

主動(dòng)進(jìn)氣格柵（Active Grille System，簡稱AGS）是近些年汽車工程技術(shù)領(lǐng)域一項(xiàng)新興的節(jié)油技術(shù)，它具備成本相對較低，節(jié)油效果明顯的特點(diǎn)，目前它已在歐洲及北美汽車市場普及應(yīng)用。它通過在行駛過程中合理地控制前進(jìn)氣格柵的開度，達(dá)到調(diào)節(jié)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻風(fēng)量的目的，降低行駛過程中的內(nèi)循環(huán)阻力，提升汽車燃油經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，主動(dòng)進(jìn)氣格柵系統(tǒng)能夠改善發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)過程中的排放，提升汽車發(fā)動(dòng)機(jī)效率，已在國外中高端車型中應(yīng)用，而國內(nèi)自主品牌對其應(yīng)用目前仍處于空白階段。

1.1 氣動(dòng)阻力的減弱

AGS系統(tǒng)主要通過控制冷卻空氣流以改進(jìn)車輛氣動(dòng)阻力。冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能如下：即使在最惡劣的駕駛條件下，也必須為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻提供足夠制冷能力，因此在所有其他駕駛條件下（大部分使用工況下），存在多余的冷卻空氣流和因此帶來的阻力，尤其在公路巡航期間，格柵葉片能夠關(guān)閉以減少風(fēng)阻，同時(shí)降低燃料消耗及二氧化碳的排放?？紤]到現(xiàn)實(shí)的駕駛條件，從不同項(xiàng)目得出的值如下：對于客車二氧化碳減少量達(dá)到3 g/km，對于重型貨車燃油減少量達(dá)到1 L/100 km[1]。

1.2 冷起動(dòng)和暖機(jī)性能優(yōu)化

最近，AGS所帶來的冷起動(dòng)及暖機(jī)性能優(yōu)化讓各汽車生產(chǎn)廠家越來越關(guān)注，例如改善的發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱及發(fā)動(dòng)機(jī)停止后機(jī)艙里的熱保留。通過減少預(yù)熱階段，發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱速度更快，二氧化碳的排放更少，也使擋風(fēng)玻璃融霜、乘員艙保暖更快。AGS系統(tǒng)是熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)艙封裝概念的一個(gè)重要組件。

1.3 NVH優(yōu)化

AGS系統(tǒng)的初始應(yīng)用領(lǐng)域特定用來改善柴油機(jī)的空轉(zhuǎn)噪聲。在汽車前面能達(dá)到大約減弱總體聲壓級(jí)1 dB（A）。

1.4 優(yōu)化車輛熱性能

AGS的導(dǎo)風(fēng)指向性將減少進(jìn)入汽車前艙的空氣亂流，將空氣導(dǎo)向散熱器，可以增加散熱零件的通風(fēng)量，改善冷卻性能。

特別在寒冷季節(jié)，AGS可以實(shí)現(xiàn)全部關(guān)閉，降低發(fā)動(dòng)機(jī)艙的通過氣流以減少發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱，最大限度地保持發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。

2 主動(dòng)進(jìn)氣格柵的設(shè)計(jì)方法

2.1 閉合葉片達(dá)到最低漏風(fēng)量，優(yōu)化行駛阻力

在閉合葉片位置冷卻空氣流被阻擋，使得氣動(dòng)阻力減少。這一點(diǎn)通過在導(dǎo)風(fēng)板前建立駐點(diǎn)壓力迫使氣流在車輛周圍而不是通過冷卻組件及發(fā)動(dòng)機(jī)艙實(shí)現(xiàn)。要求葉片自身及其周圍部件具有最佳氣密性。在與冷卻組件連接的前格柵的進(jìn)氣口處考慮與AGS結(jié)合。進(jìn)氣口在車輛的位置要求在AGS設(shè)計(jì)階段考慮到行人模塊碰撞及低速度損壞承受力。雙射（硬/軟）注塑工藝的進(jìn)氣口能夠滿足上述設(shè)計(jì)需求。為了達(dá)到汽車生產(chǎn)廠家在車輛的氣動(dòng)目標(biāo)，需要考慮如下2個(gè)因素：最小漏風(fēng)量設(shè)計(jì)；包裝空間、溫度要求及其他因素。

2.2 漏風(fēng)量的快速設(shè)計(jì)方法

在AGS早期設(shè)計(jì)階段，按圖1所示的概念設(shè)計(jì)完成后，可以獲得對AGS模塊預(yù)期的漏風(fēng)量的第一次評估。將使用靜態(tài)的有限元素法計(jì)算，應(yīng)用與不同假定車輛速度同等的力加載到葉片。隨著葉片外形的變形，風(fēng)載引起的空隙可以被測量，可以被用來計(jì)算封閉葉片時(shí)的泄漏質(zhì)量流。葉片封閉時(shí)額外的漏出量是由必要的空隙導(dǎo)致的，與風(fēng)速無關(guān)。漏出量可以通過計(jì)算葉片關(guān)與開時(shí)的流量流比率決定。精確的估計(jì)要求使用CFD及FSI工具，需要相當(dāng)長的研制周期來獲得結(jié)果[2]。

2.3 葉片開啟角度對氣流的影響

在打開葉片位置，任何對AGS冷卻空氣流的負(fù)面影響應(yīng)該最小化。通過安裝使用了最普通且最具成本效率的旋轉(zhuǎn)葉片造型的AGS，之前合理的開口區(qū)域正逐步減少?？梢钥s小堵塞氣流的組件尺寸或者優(yōu)化它們的形狀以減少任何負(fù)面影響。

2.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的緊湊型設(shè)計(jì)

作為葉片轉(zhuǎn)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)力輸出的功率器件，應(yīng)對驅(qū)動(dòng)電機(jī)（如圖2所示）進(jìn)行緊湊設(shè)計(jì)和高扭矩輸出性能設(shè)計(jì)，從而保證系統(tǒng)能夠在結(jié)冰、泥漿等嚴(yán)苛的工況下正常工作。

AGS系統(tǒng)可以選擇不同的驅(qū)動(dòng)器：利用吸持磁體的被動(dòng)系統(tǒng)在過去一直在使用，但是由于低航空收益而被放棄。真空驅(qū)動(dòng)器也在單個(gè)應(yīng)用中被使用到，但是由于真空、必要的管道系統(tǒng)，潛在需要的蓄水池等的有限可用性被認(rèn)為沒有競爭力?，F(xiàn)在普遍使用的是電子驅(qū)動(dòng)器，它也能遵守所有OBD要求。然而，額外的電量消耗對油耗帶來影響，故驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須考慮低功耗設(shè)計(jì)。

2.5 下一代驅(qū)動(dòng)器電機(jī)技術(shù)

在效率已經(jīng)提升且滿足所有其他要求（EMC、IP、扭矩等）的同時(shí)，使用無刷電機(jī)技術(shù)替換第一代的直流電機(jī)及第二代的步進(jìn)電機(jī)是必然的趨勢。步進(jìn)電機(jī)仍存在的缺點(diǎn)為電力消耗與負(fù)荷是各自獨(dú)立的，這一缺點(diǎn)在下一代產(chǎn)品中運(yùn)用BLDC技術(shù)已經(jīng)處理了，電力可以隨著負(fù)荷變化而變化。

3 主動(dòng)進(jìn)氣格柵的控制建模技術(shù)

傳統(tǒng)汽車前進(jìn)氣格柵的開口面積（GOA）是基于滿足最惡劣工況下散熱需求對風(fēng)量要求而設(shè)計(jì)的。實(shí)際工況下，過量的冷卻氣流動(dòng)量損失反而會(huì)導(dǎo)致內(nèi)循環(huán)阻力上升，可對GOA進(jìn)行控制優(yōu)化[3]。

3.1 散熱需求模型

發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒放熱可分為4個(gè)部分：機(jī)械做功Pm、發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量Pe、排氣帶走熱量Pex和余項(xiàng)散熱損失Pr。

發(fā)動(dòng)機(jī)能量守恒方程如下：

Qe=Pm+Pe+Pex+Pr（1）

其中，Qe為燃料燃燒釋放熱量。

Qe=■（2）

其中，Mf為燃料質(zhì)量，Hf為燃料熱值。

Pm=■/9 550（3）

其中，ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，Tn為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩。

Pe=0.063 7×p×D1.73×S 0.575×■×α[1+1.5S/D]（4）

其中，p為氣缸數(shù)，D為氣缸直徑，S為活塞行程；α為修正系數(shù)。

Pex=Mex×cex×[Tex-in-Tex-out]（5）

其中，Mex為排氣質(zhì)量，cex為排氣比熱容，Tex-in和Tex-out分別為排氣進(jìn)、出口溫度。

發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量Pe通過缸壁傳熱傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液中?？紤]發(fā)動(dòng)機(jī)的熱容，忽略發(fā)動(dòng)機(jī)表面輻射與對流換熱的影響，建立熱傳遞方程。

■=■（6）

其中，Pc為冷卻液傳熱量，Te為發(fā)動(dòng)機(jī)本體溫度，Me為發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，ce為發(fā)動(dòng)機(jī)比熱容。

3.2 冷卻需求模型

行駛中，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻所需的空氣流量Qa由風(fēng)扇與車速共同提供，表示如下：

Qa=Qf+■vra×Ar dt=■（7）

其中，Qf為風(fēng)扇提供的空氣流量，vra為通過散熱器的平均風(fēng)速，Ar為散熱器迎風(fēng)面積，Tr-in、Tr-out分別為散熱器進(jìn)風(fēng)側(cè)、出風(fēng)側(cè)平均溫度，ρa(bǔ)為空氣密度，ca為空氣定壓比熱容。

Ar由AGS開度θa表示的二次擬合函數(shù)如下：

Ar=f（θa）（8）

冷卻氣流阻力系數(shù)γ可由下式計(jì)算：

γ=■=■（9）

其中，vD為車速，Cpe為出口壓力系數(shù)，σr為散熱器等價(jià)壓力損失系數(shù)，σb為冷卻水箱等價(jià)壓力損失系數(shù)，σc為冷凝器等價(jià)壓力損失系數(shù)，σf為散熱風(fēng)扇等價(jià)壓力損失系數(shù)，σp為冷卻系管道等價(jià)壓力損失系數(shù)。

軸流式風(fēng)扇流量Qf可由下式計(jì)算：

Qf=γ×φ×π（D■■-D■■）/4×u（10）

其中，φ為流量系數(shù)，D1為輪轂直徑，D2為葉輪外徑，u為葉輪外圓周速度。

3.3 AGS系統(tǒng)模型

由公式（6）可知，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，■=0，Pe=Pc，即發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量與冷卻液散熱量相當(dāng)。依據(jù)公式（4）（7）（8）（9）（10）建立基于車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、散熱器進(jìn)出風(fēng)側(cè)溫度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的AGS開度控制模型。

θa=f（Vd，ne，Te，Tr-in，Tr-out，u）（11）

基于上述過程，采用Simulink建立了AGS多開度控制系統(tǒng)模型，如圖3、圖4所示。AGS開度控制模型如圖5所示。

對AGS開度的控制模型由2部分組成：{1}MultiPos_cal用于計(jì)算壓縮機(jī)不工作時(shí)，滿足冷卻需求所需的格柵開度；{2}Veh_AeroDynamic_cal用于計(jì)算當(dāng)車速大于V_critical且壓縮機(jī)工作時(shí)，滿足冷卻需求所需的格柵開度。

4 結(jié)論及未來前景

目前，AGS系統(tǒng)在改進(jìn)空氣動(dòng)力學(xué)及提升燃油經(jīng)濟(jì)性方面正在為越來越多的汽車生產(chǎn)廠家所采用，而AGS系統(tǒng)所帶來的額外收益也越來越被各個(gè)汽車生產(chǎn)廠家所重視。未來，AGS的應(yīng)用將延伸至汽油及柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的混合驅(qū)動(dòng)汽車及電動(dòng)車上。應(yīng)用AGS不僅可以改善空氣動(dòng)力學(xué)，而且能夠控制電池冷卻。下一步將AGS與發(fā)動(dòng)機(jī)封裝上的其他絕緣部件結(jié)合，這在燃油經(jīng)濟(jì)性提升方面能夠帶來更大的潛力。

參 考 文 獻(xiàn)

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

[2]付杰，羅標(biāo)能.轎車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理仿真[J].汽車零部件，2010（4）：70-72.

[3]孫黎，王波.汽車進(jìn)氣格柵造型規(guī)律分析[J].汽車工程，2010（5）：399-403.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]