不同格栅开闭状态对发动机散热及采暖温升时间的影响分析

华从波，刘建祥，刘吉林，朱增怀，崔敏

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

主动格栅方案AGS（Active Grille System），作为一种有效的节能措施近年来受到了越来越多的关注。该方案可以动态调节格栅有效通风面积，影响进入发舱的空气流量，从而影响散热器散热；通过调节风阻优化整车在不同车速下的油耗[1]。也有研究人员在稳态工况下评估主动格栅对风阻、空调、动力系统的影响[2]。本文将在已有的研究基础上，通过建立某款乘用车的瞬态换热模型，量化分析主动格栅对发动机表面散热情况、以及对乘员舱采暖温升的影响。主动格栅方案的原理是阻止冷空气进入发动机舱，减少散热器散热，减少发动机表面散热。然后让这部分热量进入冷却循环回路，加热发动机本身、加热冷却液。进一步，让冷却液加热暖风芯体，最终加热乘员舱，实现采暖时间缩短。

1 分析模型建立

为实现上述分析目标，使用Flowmaster软件创建分析模型。整个模型包含四个部分：冷却系统流动模型，发动机固体传热模型，乘员舱换热模型，主动格栅模型。

冷却系统流动模型以发动机转速为输入，实时计算各个冷却支路冷却液流量。

发动机固体传热模型以发动机转速扭矩为输入，计算传递给发动机壁面的总热量，随后根据材料的导热系数以及质量属性计算固体部分温度变化；然后通过热桥计算传递给冷却系统的热量，通过外表面积、对流换热系数、辐射率计算对外传递的热量；该模型主要由固体元件、热桥、控制器组成，是一个相对独立的模块。为使最终模型外观简洁，输入参数整齐，使用软件自定义组件功能将这部分模型整体打包。

乘员舱换热模型以空气流动为主体，考虑和车窗、车门、内饰、外部热辐射等部分的热量交换，计算关键位置的空气温度。

上述模型使用寒带采暖试验数据进行模型校对，使模型输出的冷却系统流量、各处温度和试验数据相符，从而间接校对模型内部各处换热系数，使热量分配符合实际。

主动格栅模型以控制发动机外围空气温度为主体，通过空气温度抑制发动机表面散热，促使热量分配发生变化重新进入冷却系统。

Off模式－相当于格栅通畅，让发动机周围空气温度和环境温度相同。

On模式－相当于格栅封闭，让发动机表面散失的热量加热一个密闭空间内的空气，让发动机周围空气温度和该密闭空间内的空气温度相同。密闭空间体积等效于发动机外侧150mm宽的环状空间体积。显然，该空间内温度不应无限升高，根据实际情况设置最高温度为100℃。

由于本文为研究主动格栅方案的效果，并非分析自动切换策略，故本模型将主动格栅模式设置为手动模式。所以仅在模型运行前指定开启或关闭，运行中不可调。完整模型如下图。

图1 最终换热模型

图2 发动机内部换热模块整体打包

模型运行逻辑：以采暖试验车速、发动机转速扭矩为输入，读取发动机在不同工况（转速、扭矩）下的产热量（＝燃油总热量－输出总功率－排气带走热量）。该产热量使发动机自身升温、冷却液升温、润滑系统。暖风支路的冷却液通过暖风芯体加热进入乘员舱的冷空气，最终实现乘员舱内部温度升高。该逻辑使用 C#语言编写脚本实现，通过封装成DLL文件的方式加速运行效率。

2 主动格栅效果分析

2.1 格栅通畅状态分析

如上文，此时格栅允许冷空气通过，发动机周围空气温度等于环境温度。

图3 发动机表面散热量随时间变化情况

此时发动机表面散热有两种形式，热辐射和对流换热。各阶段散热量随发动机内部温度增加或车速的增加而增加，最大值为约 4kW。怠速阶段平均为 0.5kW，NEDC阶段为1.85kW，高速阶段为3.61kW，高温怠速阶段为2.42kW。全过程平均为2.58kW。

当乘员舱主驾脚部温度达到15℃的时间为1238s。

2.2 格栅关闭状态分析

如上文，此时格栅不允许冷空气通过。让发动机表面散失的热量加热一个密闭空间内的空气，让发动机周围空气温度和该密闭空间内的空气温度相同。

图4 发动机表面散热量随时间变化情况

从上图可知，封闭格栅后发动机对外散热能力大幅下降，最高值约1.6kW，远低于打开状态的4kW. 其中，怠速阶段平均为0.36kW，NEDC阶段为0.29kW，高速阶段为1.3kW，高温怠速阶段为0.3kW。全过程平均为0.68kW。

当乘员舱主驾脚部温度达到15℃的时间为1187s。

3 主动格栅效果评估

图5 关闭格栅前后热量散失对比

格栅开闭状态下发动机在各阶段散热量对比如下图所示，平均降低比例为70%。

从上图降低比例可知，NEDC阶段、高温怠速阶段降低程度最大，超过80%；怠速阶段最低，不足30%。

图6 关闭格栅前后暖风进水口温度对比

暖风进水口温度如图6所示，尽管格栅关闭后有更多的热量进入冷却系统，但水温并没有大幅提高。尤其是对采暖时间影响最大的NEDC段，温度涨幅不明显，平均涨幅约在3℃左右，因而对采暖时间缩短贡献有限。从计算结果看，时间从1238s缩短至1187s，共计51s。

4 结论

①本文建立了一个完整了换热分析模型，通过寒带采暖试验数据进行标定，可模拟不同温度下发动机内部热量的动态分配。结果表明，当格栅关闭后发舱内部温度上升，抑制发动机表面散热，促使缸体表面温度升高，多余热量想冷却系统转移，提升冷却液水温。

②采暖试验过程中，发动机外表面的平均散热功率为2.58kW；怠速阶段平均为 0.5kW，NEDC阶段为 1.85kW，高速阶段为3.61kW，高温怠速阶段为2.42kW。

③主动格栅启用后，外部冷空气几乎不再进入，发动机仅加热舱内空气。当空气温度升高后将限制发动机对外散热。此时，发动机外表面的平均散热功率为0.68kW；怠速阶段平均为0.36kW，NEDC阶段为0.29kW，高速阶段为1.3kW，高温怠速阶段为0.3kW。

④综上，主动格栅方案可以发动机表面的散热量平均减少 1.9kW，提高冷却液水温 3℃，使采暖温度达标时间缩短约51s。