利用风扇罩主动格栅实现对车辆冷却气流的控制

刘晓晖，庞加斌，王建新，李田田，朱志军，张 俊

（1.中国空气动力研究与发展中心 空气动力学国家重点实验室，四川，绵阳 621000；2.同济大学 上海地面交通工具风洞中心，上海 201804；3.上海大众汽车股份有限公司 TEGG，上海 201804）

利用风扇罩主动格栅实现对车辆冷却气流的控制

刘晓晖1,2，庞加斌2，王建新2，李田田2，朱志军2，张 俊3

（1.中国空气动力研究与发展中心 空气动力学国家重点实验室，四川，绵阳 621000；2.同济大学 上海地面交通工具风洞中心，上海 201804；3.上海大众汽车股份有限公司 TEGG，上海 201804）

从汽车冷却气流形成机理分析入手，提出采用风扇罩主动格栅（Fan Housing Active Grille Shutter，FHAGS）对气流进行主动控制的技术手段。该技术有别于传统的主动格栅（Active Grille Shutter，AGS）只侧重降低风阻的单一功能，既可以保持传统风扇罩提高强制对流效率的特点，又可以提高中高速下的冲压气流流量。利用该技术，在等效冷却的前提下可以有效降低冷却风扇的转速，从而达到降低油耗、减小噪声的目的。以一辆参考车作为研究对象，通过计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）分析和试验验证，归纳推导出冷却气流的计算公式和控制逻辑，并结合热环境风洞试验对该技术的有效性进行验证。试验表明，FHAGS作为一项汽车节能降噪技术，具有一定的推广价值。

汽车热管理；风扇罩主动格栅；冷却气流；降油耗；降噪声

对于汽车冷却气流的管理，目前国际上流行的做法是采用AGS技术。AGS技术是通过在前保格栅后加装一道可控开闭的AGS，实现对冷却气流的管理，在热机或高速时关闭，以减小冷却气流，减少风阻；在低速时打开，提高冷却气流流量，促进冷却［1］。AGS在实际使用过程中受到格栅角度、密封性以及气流倒流的影响，会降低散热器的气流均匀度，影响其换热效率［2］。

冷却气流由冲压和抽吸两种效应产生。冲压气流与车速V相关，抽吸气流与风扇转速n相关。冲压效应和抽吸效应本身存在着矛盾，矛盾的焦点就是风扇本身和风扇罩。对于冲压效应，风扇和风扇罩是阻力元件，它们增加了气流的局部阻力，降低了冲压时冷却气流的流量。但是反过来，对于抽吸效应，风扇罩使风扇的压头提高，提高了风扇效率，加大了抽吸下的气流流量。为了解决该矛盾，本文提出FHAGS技术，即将主动格栅移到风扇罩上，形成第三个变量φ（AGS开度），φ是一个主动变量，通过它对冷却气流进行调整，使AGS技术的应用更加科学合理。

本项目利用一台量产车进行了FHAGS改装，依托同济大学上海地面交通工具风洞中心，进行了相关理论分析和试验验证，获得了非常满意的效果。

1 研究的内容及方法

1.1 研究的内容

整个研究分成三个部分：首先，研究参考车单独散热模块在加装FHAGS后冷却气流的影响规律，通过CFD和风洞试验找出冷却气流随V、n、φ三个参数之间的关系。其次，在整车上通过试验进一步验证这种影响规律的继承性，同时得到整车上冷却气流流量的解析式，建立控制逻辑的计算基础。此外，还要通过空气动力学风洞（Aerodynamics Wind Tunnel，AWT）试验获得FHAGS对风阻的影响，评估流量计算的准确性。最后，通过热环境风洞（Climatic Wind Tunnel，CWT）的热平衡试验，验证控制逻辑的有效性，以及FHAGS主动控制的准确性。整个研究的内容分解见表1。

表1 整个研究内容的分解示意

1.2 参考车辆及试验件改装

参考车来自市售量产斯柯达明锐三厢轿车（图1），其基本参数见表2，具有一定的代表性。

图1 试验参考车

表2 参考车的基本参数

为实现FHAGS，对原风扇罩进行了改装，将一块305 mm×100 mm的格栅模块固定在风扇罩一侧，如图2所示。该格栅模块带有电机驱动模块，可以控制格栅从0°～90°任意变化。

图2 改装后的风扇罩

为了准确客观地反映FHAGS的作用，避免其它因素的影响，在试验时，用胶带将风扇罩上原有的被动格栅封闭，使其失效。通过改装，FHAGS在散热器上可以增加1.2%的流通面积。

1.3 布点、参数计算及测量矩阵

为了全面客观地反映FHAGS给发动机冷却带来的效果，需要同时在空气侧和防冻液侧布置传感器。空气侧需要知道冷却气流的流量以及散热器进出口的温度。防冻液侧则需要知道散热器的进出水温度和进出水流量。因此，根据测量的要求，在试验改装的同时进行了传感器测点的布置。根据所需测量物理量特性的不同，分别采用了不同形式的传感器，具体布置见表3。

表3 不同物理量测点布置

需要特别说明的是，在空气侧叶轮风速计的布置上，摒弃了传统的等间隔横平竖直的布置方式，转而采用特征区域分割布置，如图3所示。这样布置的好处是可以避免由于叶轮位置不合理造成的测量误差。这样，对于FHAGS，叶轮11和12正好覆盖其流动区域，而对于风扇电机而言，叶轮1是其直接反映。16个叶轮及其所代表的面积见表4。

图3 采用特征区域分割的叶轮风速计布置

表4 叶轮风速计特征区域面积

在整个研究过程中，有4个参数贯穿始终，表5给出了它们的定义和量纲。

表5 主要计算参数及其量纲

正如上文所述，在本研究中有3个重要变量V、n、φ，因此在设计试验矩阵时，应围绕这3个变量展开。而作为验证试验，AWT风阻试验则按照参考文献［4］的要求进行。进行CWT热平衡试验时，设计了三种工况，分别是低速爬坡、中速爬坡和高速平坦路，目的是检验FHAGS的实际效果。测量矩阵的详细说明见表6。

表6 测量矩阵

1.4 试验设备

本研究依托同济大学上海地面交通工具风洞中心的两座整车风洞展开。其中AWT风洞配有高精度六分量测力天平、道路模拟系统和边界层抽吸系统，可以准确模拟车辆在行驶过程中周围空气的绕流情况，其风阻测量客观真实。CWT风洞可以模拟宽泛的温度和湿度环境，配备有高精度、大功率的底盘测功机，可以给车辆准确加载，模拟发动机的真实工作状态。同时，CWT风机可以跟随底盘测功机调节气流速度，实现冷却气流的真实模拟。参考车在两座风洞中的测试情况如图4所示。

图4 参考车在两座风洞中进行测试的情况

1.5 CFD计算

为了直观了解FHAGS对冷却气流的影响，便于更好地分析试验结果，对参考车的单个前端进气模块进行仿真计算，模型见图5。计算域尺寸为7 m×3 m×2 m，入口距冷却模块前端约2.7 m，出口距冷却模块后端约4 m。

模块表面最小网格尺度为4 mm，局部加密网格，网格数目约为800万个，如图6所示。冲压效应计算采用速度入口和压力出口，抽吸效应计算采用压力入口和压力出口。

图5 数值仿真模型

图6 数值仿真计算网格

2 冷却气流的形成规律及FHAGS对其影响

2.1 冲压效应

气流的冲压效应是车辆向前行驶自然产生的机舱内流动效应。利用该效应，发动机可以得到非常“低廉”的冷却支持。冲压效应产生的冷却气流流量与车辆行驶的速度息息相关。无论是模块试验还是整车冷态试验，包括CFD分析都可以得出同一个结果，那就是冲压效应产生的冷却流量和车速呈正比关系（图7），FHAGS对冲压效应的贡献是积极的，在FHAGS全开的状态下，整车的冷却流量提高了8%。

通过模拟分析可知，在冲压状态下，FHAGS改善了冷却模块的背风面流动，特别是在FHAGS对应区域后方的小背风涡消失了，同时两对大的背风涡的强度有所减小（图8）。随着背风区流动的改善，散热器上的速度分布也发生了变化，FHAGS提高了速度均匀度（图9），有利于提高换热效率。由图10可知，45°之前，冷却气流速度的均匀度随FHAGS开启角度的增大而增大；45°之后，均匀度随开启角度的增大变化不大。

图7 冲压效应下冷却流量与车速的关系

图8 FHAGS对冷却模块背风面流动的影响

图9 FHAGS对散热器表面速度分布的影响

图10 气流均匀度随开度的变化

所以，仅从冲压效应的角度讲，FHAGS改善了冷却气流的流动，提高了散热器表面速度的均匀度，致使冷却气流流量增多。

2.2 抽吸效应

当冲压效应产生的冷却气流流量满足不了要求时，只能依靠风扇抽吸效应增加流量。特别是当车辆怠速时，抽吸效应就成了唯一措施。

与冲压效应类似，无论是模块试验还是整车冷态试验，在抽吸效应下，冷却气流流量与风扇转速n成正比。但是，此时如果打开FHAGS，流量不仅没有增加，反而降低了。如图11所示，在整车冷态试验中，φ=90o时，冷却流量降低了8%。

图11 抽吸效应下冷却气流流量与风扇转速的关系

造成这一现象的原因是因为在风扇抽吸时，风扇罩壳起到了增大风扇与散热器之间负压区的作用。而一旦FHAGS打开，由于风扇罩内外压差的作用，气流会穿过FHAGS倒流到风扇罩内，导致散热器表面速度均匀度变差，冷却气流减小，风扇散热效率降低，如图12所示。

图12 FHAGS对风扇罩壳倒流的影响

整车条件下冷却气流均匀度随FHAGS开度的变化情况，如图13所示。相比冲压效应，其恶化程度非常明显，总体接近10%。由此可见，在怠速时FHAGS应保持关闭。

图13 整车条件下冷却气流均匀度随FHAGS开度的变化情况

2.3 组合效应及流量计算解析

由2.1节和2.2节可知，冲压效应时，FHAGS开启有利于冷却；抽吸效应时，FHAGS关闭有利于冷却。车辆在行驶时的速度千变万化，发动机的负荷也随之变化，需要多大的冷却气流流量，该如何正确控制FHAGS已成为必须解决的问题。

要解决上述问题，首先应准确知道所需冷却气流流量以及流量随n、V、φ三个参数变化的关系，才能进行有效的判断。通过分析单独冲压和抽吸试验数据分析可得：

（1）单独冲压时流量公式

（2）单独抽吸时流量公式

如前所述，风扇本身对冷却气流来讲同样是一个阻力源，冲压效应和抽吸效应相互影响，其组合效果并非是单独效应的叠加，所以要找出组合效应与单独效应间的关系。假设存在一个修正系数R，组合效应下的流量QV.a和QV.s、QV.p存在以下关系：

然后确定R的计算公式。通过组合试验可知，实际流量和计算值之间的规律非常好，如图14所示，呈二次曲线，这为推导R的计算公式提供了可能。

图14 修正系数在不同V下随n的变化情况

首先，设定R=A·n2+B·n+C，其中系数A、B、C随车速的变化规律如图15所示，同样也呈二次曲线变化。其计算公式可以表示为：

图15 A、B、C随车速变化规律

对于系数矩阵随FHAGS的变化，可以采取分段线性拟合的方式进行计算，其表达式如下：

分段拟合得到的系数值见表7。

表7 分段拟合系数表

通过对组合试验的解析，将冷却气流流量计算与单独冲压效应和抽吸效应的标定结果通过修正系数R联系起来，这样，只要知道当前车速、风扇转速和FHAGS的开度，就可以计算出实际的冷却气流流量，为主动控制冷却气流扫除了障碍。

3 FHAGS功能校核

3.1 对风阻的影响及流量计算的准确性

与传统的AGS相比，FHAGS最大的不同在于它是从改善冷却气流的角度出发，通过优化控制策略实现性能优化。对于风阻的影响，不求降低，但求不增加。因此，研究内容中专门有验证AWT风洞［4］这一项，既可以考核风阻，又可以验证流量计算的准确性。

不同速度和不同开度下风阻系数的增量对比如图16所示，在60 km/h的速度下，FHAGS可以降低风阻，但在120 km/h的速度下却又增加风阻。无论增加量还是减少量都是在2个count以内。所以，增加FHAGS并未打破原有的风阻格局，其对风阻的影响可以忽略。

图16 FHAGS对风阻的影响

进行AWT试验时，并没有拆除全部的测量仪器，所以在获得风阻系数的同时，还可以检验在2.3节中推导出的流量计算公式的准确性。流量计算值和试验值的对比见表8，误差在1%以内，这表明计算公式是准确可靠的。

表8 流量计算值与试验值对比

因此，对于该参考车而言，加装FHAGS后，在任何条件下都可以准确定量计算出其冷却气流流量，形成一组Map图，如图17所示。通过该Map图可以方便地查找特定流量下对应的V、n、φ。同样，也可以方便地知道在特定的车速下，如何执行n与φ的控制以获得同样的流量。

图17 不同车速下的冷却气流流量Map图

3.2 控制策略

从降低油耗，减小噪声的角度出发，通过FHAGS控制冷却气流应该遵循风扇转速最小原则，即在冷却不足时，优先增大FHAGS的开度，如果依然无法满足，则提高风扇转速。反之，如果冷却过度，则优先降低风扇转速，然后再减小FHAGS开度，以确保水温在设定最优值的同时，风扇油耗和噪声处于最优状态。其控制原理如图18所示。

图18 FHAGS的控制策略

3.3 实际效果

通过热平衡试验，可以直观检验FHAGS的实际效果（热平衡试验设定环境温度为35℃）。低速爬坡时（V=40 km/h，F=3 000 N，i=16.8%）散热器进出水的温差变化，如图19所示。由图可知，低速时，由于冲压效应不占主导，冷却气流主要依靠风扇的强制抽吸效应产生，因此，FHAGS非但没有提高温差，反而降低了换热效率。但是到了中高速时，由于冲压效应占据了主导地位，FHAGS可以明显提高进气流量，降低进出水温度，提高散热器的换热效率。在中速爬坡时（V=110 km/h，F=2 159 N，i=10%，n=888 r/min），散热器进水温度降低了2.2℃，出水温度降低了2.8℃，温差降低了0.6℃，如图20所示，整个进气流量提高了3.2 kg/m；在高速爬坡时（V=160 km/h，F=1 862 N，i=6%，n=1 292 r/min），散热器进水温度降低了1.1℃，出水温度降低了3.5℃，温差降低了2.4℃，如图21所示，整个进气流量提高了4.1 kg/min。

图19 低速爬坡时散热器进出水温差变化

图20 中速爬坡时散热器进出水温差变化

图21 高速爬坡时散热器进出水温差变化

图22 V=110 km/h时FHAGS与风扇功率等价折算

以车速110 km/h为例，如图22所示，在获得等价冷却效果的前提下，FHAGS打开26°，可以减少470 r/min的风扇转速，对应的电机功率为59 W。

利用3.2节所述的控制策略在实际连续变工况中进行的控制过程如图23所示。在水温尚未达到临界值时，通过主动降低风扇转速（从2 800 r/min降到1 000 r/min）来减少风扇油耗和噪声。当水温触发临界值时，通过计算，先打开FHAGS至最佳角度，如果冷却依然不够，再提高风扇转速。从实际应用看，FHAGS有着非常不错的效果。

图23 控制策略在连续变工况中的实际应用

4 结论

（1）对于每一个具体的车型，都可通过整车风洞试验得到冷却气流流量与车速和风扇转速间的解析式，进而可以构建冷却控制的模型和逻辑。

（2）冷却气流的这种解析关系在引入一个第三变量（比如FHAGS）时依然可以构建，因此具有一定的广义性。在以FHAGS作为第三变量时，通过合理的试验手段，可以将冷却流量的计算精度控制在1%以内，保证了控制效果的准确性。

（3）作为一种新构想，FHAGS具有成本低，对风阻没有影响的特点，对冷却气流的管理明显，它既可以保留传统风扇罩的优势，又可以根据需要主动改善冲压效果，在解决冲压和抽吸两者矛盾的问题上提供了一种灵活、快速、实用的手段。

（4）建立在FHAGS基础上的控制逻辑被试验证明是行之有效的。特别是对在中高车速下提高冷却效率，降低风扇油耗和噪声具有明显效果。在提倡节能减排和精细化设计的当下，具有一定的推广价值。

（References）：

［1］ 张斌，余小松，潘乐燕. 主动进气格栅对整车性能的影响［J］. 客车技术，2015（1）：11-14. ZHANG Bin， YU Xiaosong，PAN Leyan. Influence of Active Grille Shutter to Performance of the Vehicle［J］. Bus & Coach Technology，2015（1）：11-14.（in Chinese）

［2］HUCHO W H，SOVRAN G. Aerodynamic of Road Vehicles ［J］. Annual Review of Fluid Mechanics，1987，25（1）：485-537.

［3］ 李坦，靳世平，黄素逸，等. 流场速度分布均匀性评价指标比较与应用研究［J］. 热力发电，2013，42（11）：60-63. LI Tan，JIN Shiping，HUANG Suyi ，et al. Evaluation Indices of Flow Velocity Distribution Uniformity Comparison and Application ［J］.Thermal Power Generation，2013，42（11）：60-63. （in Chinese）

［4］SAE International. Measurement of Aerodynamic Performance for Mass-Produced Cars and Light-Duty Trucks［C］//SAE J 2881：2010.

作者介绍

刘晓晖（1970-），男，江西南昌人。高级工程师，主要从事汽车空气动力学及热力学试验研究。

Tel：021-69583684

E-mail：xiaohui.liu@sawtc.com

Application of Fan Housing Active Grille Shutter for Cooling Air Flow Control on Vehicles

LIU Xiaohui1,2，PANG Jiabin2，WANG Jianxin2，LI Tiantian2，ZHU Zhijun2，ZHANG Jun3
（1. State Key Laboratory of Aerodynamics，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，Sichuan，China；2. Shanghai Automotive Wind Tunnel Center，Tongji University，Shanghai 201804，China；3. TEGG, SAIC Volkswagen Automotive Company Limited，Shanghai 201804，China）

From the analysis on the formation mechanism of car cooling airflow，a technology called fan housing active grille shutter (FHAGS) for airflow control was presented. The technique is different from the traditional active grille shutter (AGS), which focuses on the single function of reducing wind resistance. The FHAGS can not only keep the high efficiency of the traditional fan housing, but also can increase the cooling airflow under the stamping mode at middle/high speed. On the premise of equivalent cooling, using this technique can reduce the cooling fan speed, and therefore decrease the noise level and fuel consumption. Taking a reference vehicle as the research object, the paper introduced the test layout, data processing and the derivation of formulas. The effectiveness of the technique was verified by using the thermal wind tunnel test combined with the cooling air flow control theory. It is suggested that the FHAGS is worthy to be promoted as a technology of energy-saving and noise reduction.

thermal management；fan housing active grille shutter；cooling air flow；fuel consumption reduction；fan noise reduction

U464.138+.4

A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.04.07

2017-03-15 改稿日期：2017-04-25

空气动力学国家重点实验室开放基金资助（SKLA20160206）

参考文献引用格式：

刘晓晖，庞加斌，王建新，等. 利用风扇罩主动格栅实现对车辆冷却气流的控制［J］. 汽车工程学报，2017，7(4)：288-298.

LIU Xiaohui，PANG Jiabin，WANG Jianxin，et al. Application of Fan Housing Active Grille Shutter for Cooling Air Flow Control on Vehicles［J］. Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7(4)：288-298.(in Chinese)