基于整车的前端模块风速场研究

汪 勇

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

对车辆来说，前格栅造型是影响风速场较大的因素，但受整车开发流程约束，很难在整车冷却系统设计阶段变更前脸造型以及更改前格栅，所以优化风速场的方向只能改变前端模块中其他部件入手。

1 前端模块风速场对车辆热管理的影响

1.1 热管理的重要性

对于燃油车而言，传统汽油发动机热效率在30%左右，很少机器能突破40%，柴油机热效率略大于汽油机，其余能量大部分以热能的形式散失，除排气带走的能量外，发动机自身的冷却完全依靠车辆的冷却系统，尤其涡轮增压发动机，还需要中冷器对进气降温，大部分车辆的空调系统的冷凝器也布置在散热器前端，这给原本布置空间有限的冷却系统的带来一定难度。

1.2 风速场的作用

当空间及成本原因，不能增大散热器、中冷器、冷凝器体积，也不能更改各散热器类型，无论冷凝器还是中冷器与散热器，参考热平衡方程可知，在不能改变其他参数下，提高空气流速可以提高换热效率，所以增大通过前端模块的风速是提高各散热器效率的重要办法。由于整车前端模块复杂结构与发动机舱不规则布置，零部件台架试验结果并不能直接应用至整车开发，测量前端模块风速场与优化对整车的热管理性能非常重要。

2 前端模块风速场试验测量

2.1 试验测量方法

现阶段常见的风速传感器有两类，一类是电阻式，另一类是叶轮式，其中叶轮式风速传感器的优点是精度高，受外界干扰小。测量前端模块的风速场，最常用的方法是基于整车拆解前端模块，将多个叶轮式风速传感器均匀安装在散热器或冷凝器前端，然后恢复整车原状态，进行相关工况的测量。本次测量使用了16只叶轮式传感器，按4×4矩阵式均布安装。

2.2 聚风板对前端模块风速场的影响

使用江淮汽车某小型汽车作为试验样车，其冷却系统为冷凝器、中冷器、散热器、护风圈及风扇叠放布置，环境空气依次经过上述各散热器进行换热，因此保险杆与各散热器边缘的密封状态必定影响风速场，而保险杆不规则，与矩形的散热器保持密封状态需要增加聚风板，此举必然会增加整车成本，因此测量增加聚风板带来的增益，以此权衡是否增加或考虑其他优化方案。

聚风板分4种状态（无聚风板、上下聚风板、左右聚风板、全聚风板），由于样车风扇为高低速风扇，风扇有3种风扇状态（不转、低速、高速），测试共计12个状态在相同车速、4种状态的聚风板下风速场的差别。

图1 无聚风板时风速场

该车在60km/h车速下，4种状态结果分别为：加装全聚风板效果最好相对无聚风板增益达到6.6%，其次是上下聚风板增益达到 6.4%、左右聚风板增益最低为 0.9%，无聚风板效果最差，若考虑成本增加上下聚风板就可以达到很好的效果，提高各散热器的换热效率。

车速60km/h、风扇高速扇状态部分测试结果如图1-2。

图2 增加全聚风板时风速场

将上述4种状态的结果输入至KULI进行一维仿真，得到结果如下：

表1

综上可以得知，聚风板对前端模块风速场影响会因车而异，在整车条件下进行试验结合仿真分析方能确定具体增益，同时考虑成本做出选择。

2.3 不同车速下风扇对风速场的增益

车辆低速行驶时，冷却系统主要靠风扇提高散热器、中冷器的进风量，此时风扇作用很关键，冷却液温度和中冷器出气温度会强相关，当风量小不足以带走散热器中冷器热量时，发动机进气温度与冷却液温度升高，混合气氧气密度会降低、空燃比降低、退点火角等一系列恶性循环；当车辆速度逐渐提高，自身撞风可以为散热器中冷器提供风量，此时风扇的作用不大，本小节以江淮汽车某小型汽车研究，在不同车速下风扇对风速场的增益。

试验分别测试3种风扇状态下（不转、低速转、高速转）不同车速时的风速场，为使数据直观化，计算各状态下风速场的平均风速，结果如下：

表2 各状态下风速场的平均风速数据对比表

由此得知，当车速达到100km/h时，风扇带来的增益很小，此时风扇效果较小，主要作用是降低风阻，可以考虑在车辆高速行驶时，关闭风扇或以较低功率驱动，同时在护风圈上加入百叶窗式开孔，车速增加至一定程度撞风后自然开启减小风阻。

3 结语

从上述试验结果可以得知，前端模块风速场对车辆发动机的冷却、进气温度的降低、空调制冷效果都有很大影响，不仅风速大小，风速场的均匀性也很重要，通过试验的方法测量风速场，配合CFD仿真，能够有针对性地对风速场进行优化。