汽車格柵對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻性能影響的研究

田文毅，殷農(nóng)民，劉耀華，華順軍，肖亮

（浙江眾泰汽車制造有限公司杭州分公司汽車工程研究院，浙江 杭州 310018）

引言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)汽車造型，舒適性，可靠性的要求越來越高。而在汽車設(shè)計(jì)過程中如何均衡造型和性能尤為重要。

1 格柵方案

因市場(chǎng)變化及消費(fèi)者審美差異化，某車型項(xiàng)目在換代改款時(shí)預(yù)選了三款汽車格柵造型方案進(jìn)行論證。A、B、C三款格柵造型方案見表 1。本文通過對(duì)三個(gè)方案的對(duì)比論證，簡(jiǎn)析汽車格柵的開口比對(duì)冷卻性能的影響。

2 理論論證

眾所周知，在散熱器、水泵等冷卻系統(tǒng)部件性能參數(shù)不變的情況下，通風(fēng)性能是影響冷卻性能的關(guān)鍵。通過理論計(jì)算格柵的壓力損失可以直觀的評(píng)價(jià)通風(fēng)性能的好壞。

表1 造型方案

我們可以把流體力學(xué)的基本方程式看做曲線方程，通過研究其曲線特性，對(duì)不同造型的格柵新型論證評(píng)價(jià)。理論計(jì)算模型見圖1。

圖1 理論計(jì)算模型

考慮到壓力和動(dòng)量的平衡可以得到下式。

式中：ρ為密度；V為風(fēng)速；P為壓強(qiáng)；S為通風(fēng)面積；

式中：ρ為密度；V為風(fēng)速；S為通風(fēng)面積；

根據(jù)公式（1）、公式（2）可得到下式。

式中：ρ為密度；V為風(fēng)速；P為壓強(qiáng)；S為通風(fēng)面積；

式中：ρ為密度；V為風(fēng)速；P為壓強(qiáng)；

將伯努利定理變換成如下形式：

式中：ρ為密度；V為風(fēng)速；P為壓強(qiáng)；

式中：ρ為密度；V為風(fēng)速；P為壓強(qiáng)；

通過公式（6）可以看出汽車格柵前后的壓力損失可以使用。

式中：ρ為密度；V為風(fēng)速；表示。

將壓損表達(dá)公式（7）與開口面積關(guān)聯(lián)后可變形成如下公式。

式中：ρ為密度；V為風(fēng)速；S為通風(fēng)面積；

設(shè)定開口比為λin

式中：λin為開口比；S為通風(fēng)面積；

利用表達(dá)式（8）、公式（9）代入下式。

式中：ζ為壓損系數(shù)；ρ為密度；V為風(fēng)速；

式中：λin為開口比；V為風(fēng)速；ΔP為壓強(qiáng)差；

從而，壓損系數(shù)ζ與開口比的關(guān)系可以用如下公式表達(dá)。

式中：ζ為壓損系數(shù)；ξ為隨機(jī)變量；λin為開口比；

為了研究壓損系數(shù)ζ曲線特性，設(shè)定隨機(jī)變量ξ=1.0，分別取值λin=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6，用excel作λin與ζ的函數(shù)曲線見圖2。

在開口比λin≤0.30范圍，曲線斜率相當(dāng)大，壓力損失系數(shù)隨開口面積比的變化急劇變化。反之，在λin>0.30的范圍內(nèi)，曲線斜率變小，開口面積比變化引起的壓力損失系數(shù)變化平緩。所以設(shè)計(jì)格柵開口面積時(shí)，0.30的格柵開口率是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)點(diǎn)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

車型冷卻性能目標(biāo)見表2。

表2 冷卻性能目標(biāo)

選取山路爬坡工況對(duì)三種格柵造型進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)工況見表3：

表3 驗(yàn)證工況

在風(fēng)洞內(nèi)利用格柵快速成型樣件進(jìn)行爬坡工況冷卻性能驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

表4 發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度（℃）

從結(jié)果可以得出格柵越大冷卻性能越好。

4 行業(yè)調(diào)查

根據(jù)理論及試驗(yàn)結(jié)果我們對(duì)市面上不同車企的格柵開口進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)開口比>19%,占比84%。分布散點(diǎn)見圖3、區(qū)間統(tǒng)計(jì)見圖4。

圖3 各車企格柵開口比散點(diǎn)圖

5 結(jié)論

汽車通風(fēng)能力對(duì)冷卻性能的影響取決于格柵開口率λin，而格柵開口率λin在車型開中需兼顧格柵造型及工程開發(fā)。通過理論及試驗(yàn)驗(yàn)證我們得出了開口比λin的一個(gè)范圍：

1.λin≥0.25，處于比較理想狀態(tài)；2.0.21≤λin<0.25，為一般正常狀態(tài)；3.0.19≤λin<0.21，為讓步接受狀態(tài)（后期需補(bǔ)救較多措施）；4.λin＜0.19，不可接受。

因此建議在車型開發(fā)中格柵開口≥0.25。

圖4 各車企格柵開口區(qū)間統(tǒng)計(jì)