汽车进气格栅角度与冷却风扇转速的匹配研究*

刘传波，张若楠，段 茂，刘 康，王 伟

（1.武汉理工大学机电工程学院，武汉 430070； 2.上汽通用五菱汽车股份有限公司，柳州 545007）

前言

汽车前舱进气量主要取决于格栅开口面积与冷却风扇工作转速，它直接影响发动机前舱的散热性能，同时也影响着舱内气动阻力。传统的进气模块匹配中，重点关注极限工况下冷却风扇的匹配，格栅进气角度控制仅局限于全开与全闭两个工位；且格栅与风扇工作相互独立。缺点在于基于极限工况匹配的风扇转速在常规工况下，存在过度冷却的问题。同时，格栅与风扇工作相互独立，导致冷却效率大大降低且无法精确控制冷却系统进风量。

目前，国内外关于进气模块的匹配研究越来越深入。王文玺等［1］建立了整车散热需求模型和主动进气格栅（AGS）多开度控制模型，进而实现其多开度控制。Leffert等［2］将空气动力学风洞试验、FTP和MVEG测功机测试结果作为输入，用MATLAB构建整车模型来计算燃油经济性，并研究了各种发动机冷却风扇功率与格栅开口面积下，轿车燃油经济性的变化。Bouilly［3］研究发现格栅稳定性是格栅控制一大挑战，避免因过多位置之间连续偏转而导致格栅部件寿命缩短，由此提出基于格栅5控制位的控制策略。Shigarkanthi等［4］运用中心组合设计算法，在仿真试验的基础上，匹配不同车速和风扇转速，进而完成满足冷却流量需求所对应的格栅角度设计。

本文中采用计算流体力学方法重点研究了NEDC工况下，格栅角度与风扇转速变化对前舱流场的影响。在满足冷却需求的基础上，以降低能耗为目标，为冷却系统前端进气模块匹配提供了一套合理的解决方案；并通过实车模拟试验，验证其合理性与实用性。

1 数值计算模型

为直观了解不同格栅角度和风扇转速对冷却气流的影响，本文中采用ANSYS Fluent对发动机前舱内流场进行仿真，根据现有通用的方式建立风洞仿真模型［5］（见图1），并对内部结构进行了简化，前舱内部布局见图2。

图1 整车模型与计算域

图2 前舱内部布局

选定爬坡工况和高速工况进行仿真，监测流经散热器与冷凝器的冷却气体进气量Q（m3／s），对比已有的实车实验参数，验证数学模型的可靠性。各散热部件进风量的仿真和实验值如表1所示。

表1 冷却系统冷却空气进气量对比 m3／s

通过对比后发现，在模拟爬坡工况与高速工况下，仿真值与实车试验值误差均在10%之内，验证了仿真模型的准确性与实用性。

2 数值分析与结果讨论

采用上述数值计算方法对图1所示的计算模型在不同车速、格栅角度和风扇转速下的前舱内流阻力特性和流场特性进行数值计算。分析前舱进气元件参数（格栅角度和风扇转速）对内流阻力和进气流量的影响规律，为后续进气模块的匹配提供参考。

2.1 格栅角度的影响分析

实车格栅为横条形，格栅进气角度定义为叶片与竖直面所成夹角，设定风扇转速为0。为使仿真规律适用于NEDC工况下进气模块匹配，特选取NEDC中的匀速工况（35，50，70，100和 120 km／h）作为代表工况，对不同格栅角度（0°～90°，间隔为10°）进行仿真分析。

2.1.1 气动阻力分析

根据本文中研究对象的工况选择Realizable k-ε湍流模型进行数值模拟，并采用压力耦合式算法进行计算，监测前舱进气通道进出口压差，得到不同空气流量下前舱空气阻力［6］。

图3为不同格栅角度下前舱内流阻力。由图可见：发动机前舱气动阻力随着前舱进气量的增大而增大；在0～40°范围内，随着格栅角度的增大，空气阻力增长率逐步减小；格栅角度在40°～80°范围内，曲线基本重合，即空气流量与前舱内流阻力的关系不再随格栅角度而变化；冷却系统气动阻力随着前舱流量的增大而增大，所以在保证冷却系统散热需求前提下，应合理控制进气流量，使冷却系统阻力损失降到最小。

图3 不同格栅角度下前舱内流阻力随进气量而变化的关系

2.1.2 冷却系统进气流量分析

控制冷却系统进气量作为冷却系统前期开发的重要参数，是后期进气模块匹配的输入条件。图4为不同车速和格栅角度下，冷却系统进气量的变化情况。

图4 不同车速下进气量随格栅角度而变化的关系

由图可见：（1）所有工况下，冷却系统进气量随着格栅角度的增大而增加，并于40°附近达到最大值，随后趋于稳定；（2）格栅角度在0°～40°范围内增大过程中，车速越高，进气流量及其增长率越大，因此可认为，高速工况下，适当增大格栅角度，可更快提升进气量［7］；（3）但综合考虑格栅实际工作效率、使用寿命与控制精度，格栅角度应在对进气量影响最为显著的范围内调整，且尽可能减小角度变化范围与控制位数量［3］，因此将进气角度调节范围初步设定为 0°～40°，设定 0°，10°，20°，30°和 40°5个控制位。

2.2 风扇转速对进气流量的影响

保持格栅角度为40°不变，在不同风扇转速（500～3 000 r／min，间隔为 500 r／min）、不同车速（35，70，100，120 km／h）下进行仿真分析，监测散热器进风量，结果如图5所示。

图5 不同工况下进气量与风扇转速的关系

由图可见：（1）冷却系统进气量随着车速和风扇转速的升高而增加，但其增长率却随着车速的升高而降低；（2）当风扇转速由500增加到3 000 r／min，低速（35 km／h）工况下，冷却系统进风量增加了 0.575 8 m3／s，即增大了约 35倍，而高 速（120 km／h）工况下，进气量增加 0.354 1 m3／s，即增大了50%，明显小于低速工况，说明与高速工况相比，低速工况下，风扇旋转产生的抽吸效应对气流的引导效果更为显著；（3）实际风扇转速匹配时，低速工况下，适当提升风扇转速，进气流量将有较大提升，高速工况下，由于风扇的抽吸效应减弱，提升风扇转速对增加前舱进气量的效率降低。因此，高速工况下，应优先选择其它可行方案来满足进风量需求，再考虑增大风扇转速来提升进风量。

3 前端进气模块的匹配与优选

前端进气模块与冷却系统匹配优化步骤为：（1）确定进气模块与冷却系统的匹配空气流量，风扇特性曲线（静压 空气流量曲线）与不同格栅角度下冷却系统风阻特性曲线（空气流量 流动阻力曲线）匹配时［8］，即可初步确定不同格栅角度与风扇转速下，冷却系统的理论进气量，继而分析该进气量是否满足特定工况下，发动机的散热需求；（2）从满足散热需求的进气元件参数组合中，选取最优的一组参数以降低舱内的气动阻力。

3.1 风扇气动性能曲线

风扇气动性能可通过风扇性能曲线表示。本文中采用Fluent软件对风扇气动性能进行仿真。采用SIMPLE压力修正算法求解速度与压力的耦合［9］。

选取稳定工况的数据，将仿真与风扇性能试验得到的风扇静压值进行对比。在1 500 r／min风扇转速下，静压的仿真计算值与试验值可较好吻合，平均相对误差为3.62%，表明该方法可准确预测其气动性能。由此可得不同转速下风扇气动性能曲线，见图6。

图6 风扇性能曲线

3.2 前端进气模块的匹配与优选

汽车行驶过程中，冷却系统的气动阻力等于风扇静压与行驶风压之和，考虑到某些工况下行驶风压很小，因此可认为当风扇静压与冷却系统阻力相等时，风扇达到稳定工作状态，此时的空气流量即为冷却系统理论进气量［6］。而风扇性能曲线与冷却系统阻力曲线交点的横坐标，即为特定格栅角度与风扇转速下冷却系统理论进气量，如图7所示。

图7 风扇工作点示意图

判断进气模块与冷却系统是否匹配的主要依据是，该格栅角度与风扇转速所提供进气量q1是否满足匹配工况下发动机的散热需求q2：（1）若 q1＜q2，会由于散热不足而导致发动机出现过热现象；（2）若q1比q2大很多时，则会冷却过度而降低发动机工作性能。因此，综合考虑，当 q1＝（1～1.2）q2时，冷却效果最好［10］。

以降低能耗、提升燃油经济性为目标，对满足发动机散热需求的进气元件参数组合（格栅角度与风扇转速）进行优选，其目的是通过综合分析风扇功耗与格栅降阻节油性能，确定常规工况下，总体功耗最小的前端进气模块参数。

4 匹配实例分析

4.1 进气元件工作点的确定

本文中基于已有车型对冷却系统前端进气模块进行匹配，冷却液循环系统相关参数和空气侧元件选型均已确定。以NEDC油耗测评工况为例来分析前端进气模块匹配方法的应用。

根据前面仿真分析确定，该型号进气格栅工位设置为 0°，10°，20°，30°，40°；相应风扇转速挡位设置为 0，1 000，2 000和3 000 r／min。通过测试，获得风扇性能数据与不同格栅开口下前舱风阻数据，并基于满足散热需求的匹配准则，得到风扇 格栅 冷却系统匹配曲线，如图8所示。相应工作点对应的理论进气量见表2。

图8 格栅 风扇 冷却系统理论匹配曲线

表2 进气模块匹配工作点理论进气量 m3／s

4.2 冷却系统散热量的确定

通过发动机热平衡实验获取散热系统需求散热量，从转速范围 1 000～5 000 r／min，间隔 1 000 r／min，在不同负荷率（20%，40%，60%，80%，100%）下进行测试，获取冷却液带走的热量，部分实验数据如表3所示。

由于发动机散入冷却液的热量与转矩和转速均呈线性关系，因此可利用二元线性回归方程进行拟合，获取发动机散热量Y与转速X1、转矩X2的回归模型方程：

经计算：（1）拟合相对误差超过 10%的有12.40%和13.83%，拟合相对误差平均值为4.23%；（2）对回归方程进行方差分析，检验值F＝1.7242＞0，回归判定系数R2＝95%，表明发动机散热量与转速、转矩显著相关，可用该方程预测冷却液带走的热量。

4.3 冷却空气量的确定

4.3.1 确定匹配工况

为便于匹配不同工况下的进气元件参数，以满足发动机的散热需求，选择NEDC工况中的匀速工况 35，50，70，100和 120 km／h作为代表工况，如图9所示，分别记为工况 1，2，3，4和 5。

表3 发动机热平衡实验数据（部分）

图9 NEDC匹配工况

4.3.2 发动机理论散热量

在整车排放实验室进行整车油耗实验，通过车载诊断系统（OBD）采集代表工况下发动机的转速和转矩，将其代入式（1），获取特定工况下发动机散入冷却液的热量，结果见表4第5列。

表4 各代表工况下冷却空气实际需求量

4.3.3 散热器实际散热量

考虑到散热器使用一段时间后，由于水垢生成、压力盖泄漏和气流分布不均，散热器散热性能将降低10%左右，此外，冷凝器前置将使前格栅进气温度提升10℃左右，因此，考虑冷凝器对散热器散热量的影响，一般有 Qr＝（1.05～1.25）QW［10］，其中 Qr为散热器散热量，QW为发动机散热量，这里取系数为1.1，获得散热器的散热量，见表4第6列。

4.3.4 冷却空气理论需求量

通过式（2）［12］换算获取散热器理论需求的进气量 Va（m3／s）。

式中：QW为冷却系统散热量；Δta为冷却气流通过散热器的前后温差，取 20℃；ρa为空气密度，取1.01 kg／m3；Cpa为空气定压比热，取 1.047 kJ／（kg·℃）。根据已知冷却系统散热量，由式（2）确定冷却空气理论需求量，见表4第7列。

4.3.5 冷却空气实际需求量

从散热器实际安装位置看，由于散热器前布置有进气格栅与冷凝器，实际有效进风面积并不大，而且风扇排出气流受发动机前端面与电子元件阻挡，气动阻力较大，因此冷却系统实际有效进气量远小于风洞实验所测理论值。在此引入进风系数对其进行修正，取值0.6，得到NEDC工况下冷却空气实际需求量，见表4第8列。

4.4 进气模块参数优选

对比表2与表4和图4中的数据，可匹配得到不同工况下满足冷却系统散热需求的进气模块参数，见表5。

表5 满足散热需求的进气模块工作点

以节约能耗、提升整车性能为指标，对表5中进气模块参数进行优选。综上所述，构造优化准则如下。

（1）与冷却风扇相比，进气格栅工作能耗要低得多，因此，宜优先增大格栅角度以满足散热需求，再考虑开启风扇增大进气量。

（2）由于风扇消耗功率占发动机输出功率的5%～8%，且风扇功耗与气动噪声声压级均与转速成正比［11］，因此，在满足散热需求的前提下，可优先匹配转速更低的风扇。

（3）由于低速工况下，风扇旋转产生的抽吸效应对气流的引导效果显著，高速工况下，风扇的抽吸效应大幅减弱，因此，在低速工况风扇转速匹配中，应适当匹配较大风扇转速，以更快提升进气流量。

（4）格栅角度在0°～40°范围内增大时，车速越高，前舱进气流量增长越快，因此，高速工况格栅角度匹配中，可考虑匹配较大格栅角度，以更快提升进气流量。

由于本车型发动机工作最佳温度范围为85～95℃，因此在确定实际控制时作如下考虑。

（1）发动机出水口温度高于95℃时，相关匹配参数为（40°，3 000 r／min）。

（2）温度低于85℃时，匹配参数为（0°，0）。

（3）温度位于85～95℃时，根据上述参考指标，工况 1下，匹配参数（10°，1 000 r／min）的格栅角度小于（20°，1 000 r／min），因此前舱阻力更小，具有更好的燃油经济性。此外，由于工况1条件下，风扇关闭，格栅角度为 10°时所提供的空气流量为0.257 m3／s，满足冷却风量需求 0.251 1 m3／s，与风扇相比，格栅工作能耗更低，且风扇高转速运转带来高能耗、噪声等一系列问题。相比于参数（10°，1 000 r／min），（10°，0）在能耗和噪声方面性能更优，所以工况1匹配的进气模块参数为（10°，0）。

（4）用相同方法可确定工况2和工况3下，进气模块的匹配参数分别为（20°，0）和（30°，0）。

（5）工况4条件下，由图4可知，100 km／h情况下，开启格栅所能提供的最大进气量为开口角度40°时，进气量为0.824 1 m3／s，小于工况4的进气量需求0.879 2 m3／s，所以必须开启风扇来提升进气量。参考表2中格栅和冷却风扇各组参数组合，确定只有（20°，3 000 r／min）和（30°，3 000 r／min）可以满足冷却空气量需求，匹配参数（20°，3 000 r／min）的格栅角度小于（30°，3 000 r／min），因此前舱阻力更小，具有更好的燃油经济性。因此工况4的匹配参数为（20°，3 000 r／min）。

（6）工况 5条件下，只有参数（40°，3 000 r／min）可满足其进风量需求，因此工况5的匹配参数为（40°，3 000 r／min）。各工况的进气模块对应匹配参数见表6。

表6 不同工况下进气模块优化匹配参数

5 实验验证

本文中均在数值计算符合实际情况下，完成后续的匹配设计。为验证在实际使用情况下进气模块匹配结果的可行性，进行整车测试，如图10所示。

图10 实车模拟实验与前舱温度传感器的布置

参数优化匹配的最初目的是让整车动力系统工作在最佳温度范围内，因此测试围绕发动机温度展开。进气模块应满足极限工况（模拟爬坡与高速工况）下的整车热管理性能指标，并提升典型NEDC工况下的燃油经济性。进气模块耦合匹配后与原始工作状态下的热性能实验数据对比见表7。

表7 优化匹配前后各工况温度参数

由表7可见，优化匹配进气模块后，整车处于热平衡状态时，与原车相比，在模拟爬坡与高速工况下，发动机进出水口温度明显下降，冷却常数液气温差也下降明显，因此，可认为进气模块优化匹配提升了散热效率，提升了散热能力。

燃油经济性实验数据对比见表8，进气模块工作参数优化匹配后，由于前舱阻力降低，燃油经济性显著提升，NEDC工况下，100 km综合油耗降低0.166 L。

表8 优化匹配前后综合油耗对比

6 结论

通过数值模拟，分析格栅和风扇工作参数对前舱气动阻力与进气量的影响，根据前舱进气模块的匹配分析可得如下结论。

（1）前舱气动阻力随着进气量的增大而增大，且在格栅角度为0°～40°范围内，变化最明显。因此，在保证散热性能的前提下，合理控制进气量是减小前舱内流阻力的重要手段。

（2）车速一定时，冷却系统进气量随着格栅角度的增加而增加，在40°附近达到最大值，且高速工况下，格栅角度对进气量影响更为显著。因此，高速工况下，可匹配较大格栅角度以提升进风量。考虑格栅的工作效率与使用寿命，将格栅实际工作范围缩小为 0°～40°。

（3）冷却系统进风量随着车速与风扇转速的增加而增加，低速工况下，风扇转速对进风量的影响远大于高速工况。因此，低速工况下，可考虑匹配较高转速的风扇，以提升进风量。

（4）基于满足散热需求的匹配准则与冷却风扇匹配基本原理，对前舱进气模块进行匹配，参考上述准则对匹配参数进行优化。通过整车实验验证了该匹配方法的可行性，可为大多数车辆前端进气模块匹配提供参考。

因此，为冷却系统匹配格栅与风扇工作参数时，须综合考虑系统散热需求、风扇功耗与格栅降阻节油性能，进行选择或控制。