不同格柵開閉狀態對發動機散熱及采暖溫升時間的影響分析

華從波，劉建祥，劉吉林，朱增懷，崔敏

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

主動格柵方案AGS（Active Grille System），作為一種有效的節能措施近年來受到了越來越多的關注。該方案可以動態調節格柵有效通風面積，影響進入發艙的空氣流量，從而影響散熱器散熱；通過調節風阻優化整車在不同車速下的油耗[1]。也有研究人員在穩態工況下評估主動格柵對風阻、空調、動力系統的影響[2]。本文將在已有的研究基礎上，通過建立某款乘用車的瞬態換熱模型，量化分析主動格柵對發動機表面散熱情況、以及對乘員艙采暖溫升的影響。主動格柵方案的原理是阻止冷空氣進入發動機艙，減少散熱器散熱，減少發動機表面散熱。然后讓這部分熱量進入冷卻循環回路，加熱發動機本身、加熱冷卻液。進一步，讓冷卻液加熱暖風芯體，最終加熱乘員艙，實現采暖時間縮短。

1 分析模型建立

為實現上述分析目標，使用Flowmaster軟件創建分析模型。整個模型包含四個部分：冷卻系統流動模型，發動機固體傳熱模型，乘員艙換熱模型，主動格柵模型。

冷卻系統流動模型以發動機轉速為輸入，實時計算各個冷卻支路冷卻液流量。

發動機固體傳熱模型以發動機轉速扭矩為輸入，計算傳遞給發動機壁面的總熱量，隨后根據材料的導熱系數以及質量屬性計算固體部分溫度變化；然后通過熱橋計算傳遞給冷卻系統的熱量，通過外表面積、對流換熱系數、輻射率計算對外傳遞的熱量；該模型主要由固體元件、熱橋、控制器組成，是一個相對獨立的模塊。為使最終模型外觀簡潔，輸入參數整齊，使用軟件自定義組件功能將這部分模型整體打包。

乘員艙換熱模型以空氣流動為主體，考慮和車窗、車門、內飾、外部熱輻射等部分的熱量交換，計算關鍵位置的空氣溫度。

上述模型使用寒帶采暖試驗數據進行模型校對，使模型輸出的冷卻系統流量、各處溫度和試驗數據相符，從而間接校對模型內部各處換熱系數，使熱量分配符合實際。

主動格柵模型以控制發動機外圍空氣溫度為主體，通過空氣溫度抑制發動機表面散熱，促使熱量分配發生變化重新進入冷卻系統。

Off模式－相當于格柵通暢，讓發動機周圍空氣溫度和環境溫度相同。

On模式－相當于格柵封閉，讓發動機表面散失的熱量加熱一個密閉空間內的空氣，讓發動機周圍空氣溫度和該密閉空間內的空氣溫度相同。密閉空間體積等效于發動機外側150mm寬的環狀空間體積。顯然，該空間內溫度不應無限升高，根據實際情況設置最高溫度為100℃。

由于本文為研究主動格柵方案的效果，并非分析自動切換策略，故本模型將主動格柵模式設置為手動模式。所以僅在模型運行前指定開啟或關閉，運行中不可調。完整模型如下圖。

圖1 最終換熱模型

圖2 發動機內部換熱模塊整體打包

模型運行邏輯：以采暖試驗車速、發動機轉速扭矩為輸入，讀取發動機在不同工況（轉速、扭矩）下的產熱量（＝燃油總熱量－輸出總功率－排氣帶走熱量）。該產熱量使發動機自身升溫、冷卻液升溫、潤滑系統。暖風支路的冷卻液通過暖風芯體加熱進入乘員艙的冷空氣，最終實現乘員艙內部溫度升高。該邏輯使用 C#語言編寫腳本實現，通過封裝成DLL文件的方式加速運行效率。

2 主動格柵效果分析

2.1 格柵通暢狀態分析

如上文，此時格柵允許冷空氣通過，發動機周圍空氣溫度等于環境溫度。

圖3 發動機表面散熱量隨時間變化情況

此時發動機表面散熱有兩種形式，熱輻射和對流換熱。各階段散熱量隨發動機內部溫度增加或車速的增加而增加，最大值為約 4kW。怠速階段平均為 0.5kW，NEDC階段為1.85kW，高速階段為3.61kW，高溫怠速階段為2.42kW。全過程平均為2.58kW。

當乘員艙主駕腳部溫度達到15℃的時間為1238s。

2.2 格柵關閉狀態分析

如上文，此時格柵不允許冷空氣通過。讓發動機表面散失的熱量加熱一個密閉空間內的空氣，讓發動機周圍空氣溫度和該密閉空間內的空氣溫度相同。

圖4 發動機表面散熱量隨時間變化情況

從上圖可知，封閉格柵后發動機對外散熱能力大幅下降，最高值約1.6kW，遠低于打開狀態的4kW. 其中，怠速階段平均為0.36kW，NEDC階段為0.29kW，高速階段為1.3kW，高溫怠速階段為0.3kW。全過程平均為0.68kW。

當乘員艙主駕腳部溫度達到15℃的時間為1187s。

3 主動格柵效果評估

圖5 關閉格柵前后熱量散失對比

格柵開閉狀態下發動機在各階段散熱量對比如下圖所示，平均降低比例為70%。

從上圖降低比例可知，NEDC階段、高溫怠速階段降低程度最大，超過80%；怠速階段最低，不足30%。

圖6 關閉格柵前后暖風進水口溫度對比

暖風進水口溫度如圖6所示，盡管格柵關閉后有更多的熱量進入冷卻系統，但水溫并沒有大幅提高。尤其是對采暖時間影響最大的NEDC段，溫度漲幅不明顯，平均漲幅約在3℃左右，因而對采暖時間縮短貢獻有限。從計算結果看，時間從1238s縮短至1187s，共計51s。

4 結論

①本文建立了一個完整了換熱分析模型，通過寒帶采暖試驗數據進行標定，可模擬不同溫度下發動機內部熱量的動態分配。結果表明，當格柵關閉后發艙內部溫度上升，抑制發動機表面散熱，促使缸體表面溫度升高，多余熱量想冷卻系統轉移，提升冷卻液水溫。

②采暖試驗過程中，發動機外表面的平均散熱功率為2.58kW；怠速階段平均為 0.5kW，NEDC階段為 1.85kW，高速階段為3.61kW，高溫怠速階段為2.42kW。

③主動格柵啟用后，外部冷空氣幾乎不再進入，發動機僅加熱艙內空氣。當空氣溫度升高后將限制發動機對外散熱。此時，發動機外表面的平均散熱功率為0.68kW；怠速階段平均為0.36kW，NEDC階段為0.29kW，高速階段為1.3kW，高溫怠速階段為0.3kW。

④綜上，主動格柵方案可以發動機表面的散熱量平均減少 1.9kW，提高冷卻液水溫 3℃，使采暖溫度達標時間縮短約51s。