汽車進氣格柵對發(fā)動機艙熱管理的影響

李 惠 常印坤 施曉光

（一汽轎車股份有限公司 吉林 長春 130000）

引言

隨著汽車市場的發(fā)展，用戶對汽車動力性、舒適性的要求以及國家對節(jié)能和降低油耗的要求越來越嚴格，汽車整車擁有越來越多的散熱零部件（增壓器、空調(diào)、變速器、48 V電機等）。由于空間有限，單純提高散熱器及風扇的散熱能力已不能滿足散熱需求。CFD技術(shù)的普遍應用，幫助工程師們從流場的角度去提高發(fā)動機艙的散熱能力。對整車熱管理開發(fā)來說，格柵開口越大，進入發(fā)動機艙的風量就越多，散熱能力就越好。但格柵開口越大，與造型的理念以及風阻的開發(fā)相悖。因此，與整車風格相匹配的格柵才是造型最需要的。如何在造型允許的前提下，對格柵進行優(yōu)化設計，以滿足整車熱管理的開發(fā)需求，是熱管理工程師們需要著重考慮的問題。

1 格柵開口位置的影響

基于空氣動力學原理，汽車行駛過程中，來流與車頭相遇，氣流遇到車頭后受到阻滯，使氣流速度降低，在車頭形成正壓區(qū)，氣流的動壓力轉(zhuǎn)換成靜壓力。

針對不可壓縮理想流體定常流動，有如下公式[1]：

式中：p 為靜壓力，Pa；ρ·v2/2 為動壓力，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；z為位置中心處的高度，m，v為氣體流動速度，m/s；c為常數(shù)。

空氣在流動過程中，忽略高度壓差引起的壓力損失，則有如下公式[2]：式中：Cp為壓力系數(shù)，表示來流動壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓力的轉(zhuǎn)化系數(shù)，為車頭部分迎面風進入發(fā)動機艙的利用率。pi為格柵處的靜壓力，Pa；p∞為入口壓強，Pa；v∞為汽車行駛速度，m/s。

Cp可以從外流場CFD計算結(jié)果中讀取。Cp值越大的地方，代表進風效果越好，發(fā)動機艙的冷卻效果越好。格柵的開口應有效利用正壓區(qū)，確保氣流得到最大化的利用。

圖1為汽車外表面壓力分布圖。

圖1 外表面壓力分布

從圖1可以看出，格柵的開口部位在車頭的正壓區(qū)，開口位置較好。

2 格柵開口面積的影響

熱管理定義格柵的有效進風面積為一項重要的控制指標。格柵的有效進風面積為除去遮擋物（保險杠橫梁、支架、喇叭等）外，格柵開口部分正投影到散熱器芯體的面積，為圖2中的紅框綠色部分，一般要求格柵的開口面積占散熱器芯體面積的20%。

圖2 格柵有效進風面積

在造型初期，熱管理將有效進風面積需求提供給造型，并在造型及發(fā)動機艙布置的不同階段跟蹤格柵的有效進風面積。

一般來說，格柵的開口面積越大越好。但是，如果格柵進入的冷風不能得到冷卻模塊充分利用，而是從冷卻模塊與車身內(nèi)壁的四周進入發(fā)動機艙，氣流會在發(fā)動機艙內(nèi)無組織地流動，引起發(fā)動機艙內(nèi)阻增大，增加整車行駛阻力的同時，會對前端模塊的進氣產(chǎn)生影響[3]。從這一點來說，熱管理與整車風阻開發(fā)的目標相一致，應在造型設計階段有效控制格柵的開口，可以對非正對散熱器部分的格柵進行封堵。

為提高冷卻風的利用率，可以在冷卻模塊四周增加導風板，如圖3所示，保證冷卻風盡量進入散熱模塊。

圖3 導風板

導風板的設計應與格柵相匹配，確保冷卻風能夠順利進入冷卻模塊。由于發(fā)動機艙內(nèi)有發(fā)動機、排氣系統(tǒng)等高溫零部件，像懸置橡膠、蓄電池等耐受極限溫度能力較低的零部件，受到熱輻射的影響，需要冷風將其周邊的熱量帶走。如果所有的冷風都通過冷卻模塊，散熱器出口的空氣溫度一般在80～100℃，對懸置橡膠、蓄電池等零部件的散熱不利。因此，整車熱管理的開發(fā)應綜合考慮多個方面，有效協(xié)調(diào)各部分性能。

由于汽車防撞橫梁的存在，為遮擋防撞橫梁，格柵一般設計成上、下兩部分。奧迪車型只有一個大進氣格柵，對防撞橫梁進行噴涂掩飾。上、下格柵進氣的冷卻效果不同，一般來說，針對低速大負荷工況散熱不足，可以適當增大上部格柵。如高速工況不滿足要求，可適當增大下部格柵。

3 格柵細節(jié)設計的影響

3.1 格柵形狀

某車型為提高散熱性能，將下部格柵由原來的蜂窩狀（如圖4所示）改為條狀（如圖5所示），經(jīng)過CFD分析可知，散熱器、發(fā)動機艙的進風量均得到提高，如表1所示。

圖4 蜂窩狀格柵

圖5 條狀格柵

表1 不同格柵狀態(tài)下風量對比

格柵的形狀越復雜，越容易對氣流進行遮擋。與來流方向夾角過大的格柵對氣流的阻礙作用很明顯，氣流的流速減弱，降低了發(fā)動機艙散熱性能[4]。氣流在格柵表面發(fā)生分離造成壓力損失，對格柵的進風不利，不利于熱管理性能。

3.2 格柵橫條的傾斜角度

在氣流通過時，格柵橫條起到一定的導風作用。圖6為格柵橫條傾斜方向圖，圖7為橫條格柵流場示意圖。從圖6、圖7可知，格柵橫條的傾斜角度應盡量與冷卻模塊進行匹配，以便氣流能夠順暢進入冷卻模塊。

4 結(jié)論

對整車熱管理開發(fā)來說，對格柵的約束和控制應注意以下幾點：

1）格柵應盡量開在車頭的正壓區(qū)。

2）格柵的開口面積并不是越大越好，應注意與系統(tǒng)的匹配，一般開口比在20%左右。

3）格柵的表面形狀不能太復雜，但這與造型沖突，應注意與造型協(xié)調(diào)。

圖6 格柵橫條傾斜方向

圖7 格柵橫條流場示意圖

4）格柵的外表面傾斜角度越小越好，有利于進氣。

5）格柵橫條的傾斜角度應與冷卻模塊配合，幫助氣流順暢進入冷卻模塊。