不同格柵開閉狀態(tài)對發(fā)動機(jī)散熱及采暖溫升時間的影響分析

華從波，劉建祥，劉吉林，朱增懷，崔敏

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

主動格柵方案AGS（Active Grille System），作為一種有效的節(jié)能措施近年來受到了越來越多的關(guān)注。該方案可以動態(tài)調(diào)節(jié)格柵有效通風(fēng)面積，影響進(jìn)入發(fā)艙的空氣流量，從而影響散熱器散熱；通過調(diào)節(jié)風(fēng)阻優(yōu)化整車在不同車速下的油耗[1]。也有研究人員在穩(wěn)態(tài)工況下評估主動格柵對風(fēng)阻、空調(diào)、動力系統(tǒng)的影響[2]。本文將在已有的研究基礎(chǔ)上，通過建立某款乘用車的瞬態(tài)換熱模型，量化分析主動格柵對發(fā)動機(jī)表面散熱情況、以及對乘員艙采暖溫升的影響。主動格柵方案的原理是阻止冷空氣進(jìn)入發(fā)動機(jī)艙，減少散熱器散熱，減少發(fā)動機(jī)表面散熱。然后讓這部分熱量進(jìn)入冷卻循環(huán)回路，加熱發(fā)動機(jī)本身、加熱冷卻液。進(jìn)一步，讓冷卻液加熱暖風(fēng)芯體，最終加熱乘員艙，實現(xiàn)采暖時間縮短。

1 分析模型建立

為實現(xiàn)上述分析目標(biāo)，使用Flowmaster軟件創(chuàng)建分析模型。整個模型包含四個部分：冷卻系統(tǒng)流動模型，發(fā)動機(jī)固體傳熱模型，乘員艙換熱模型，主動格柵模型。

冷卻系統(tǒng)流動模型以發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為輸入，實時計算各個冷卻支路冷卻液流量。

發(fā)動機(jī)固體傳熱模型以發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速扭矩為輸入，計算傳遞給發(fā)動機(jī)壁面的總熱量，隨后根據(jù)材料的導(dǎo)熱系數(shù)以及質(zhì)量屬性計算固體部分溫度變化；然后通過熱橋計算傳遞給冷卻系統(tǒng)的熱量，通過外表面積、對流換熱系數(shù)、輻射率計算對外傳遞的熱量；該模型主要由固體元件、熱橋、控制器組成，是一個相對獨立的模塊。為使最終模型外觀簡潔，輸入?yún)?shù)整齊，使用軟件自定義組件功能將這部分模型整體打包。

乘員艙換熱模型以空氣流動為主體，考慮和車窗、車門、內(nèi)飾、外部熱輻射等部分的熱量交換，計算關(guān)鍵位置的空氣溫度。

上述模型使用寒帶采暖試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校對，使模型輸出的冷卻系統(tǒng)流量、各處溫度和試驗數(shù)據(jù)相符，從而間接校對模型內(nèi)部各處換熱系數(shù)，使熱量分配符合實際。

主動格柵模型以控制發(fā)動機(jī)外圍空氣溫度為主體，通過空氣溫度抑制發(fā)動機(jī)表面散熱，促使熱量分配發(fā)生變化重新進(jìn)入冷卻系統(tǒng)。

Off模式－相當(dāng)于格柵通暢，讓發(fā)動機(jī)周圍空氣溫度和環(huán)境溫度相同。

On模式－相當(dāng)于格柵封閉，讓發(fā)動機(jī)表面散失的熱量加熱一個密閉空間內(nèi)的空氣，讓發(fā)動機(jī)周圍空氣溫度和該密閉空間內(nèi)的空氣溫度相同。密閉空間體積等效于發(fā)動機(jī)外側(cè)150mm寬的環(huán)狀空間體積。顯然，該空間內(nèi)溫度不應(yīng)無限升高，根據(jù)實際情況設(shè)置最高溫度為100℃。

由于本文為研究主動格柵方案的效果，并非分析自動切換策略，故本模型將主動格柵模式設(shè)置為手動模式。所以僅在模型運行前指定開啟或關(guān)閉，運行中不可調(diào)。完整模型如下圖。

圖1 最終換熱模型

圖2 發(fā)動機(jī)內(nèi)部換熱模塊整體打包

模型運行邏輯：以采暖試驗車速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速扭矩為輸入，讀取發(fā)動機(jī)在不同工況（轉(zhuǎn)速、扭矩）下的產(chǎn)熱量（＝燃油總熱量－輸出總功率－排氣帶走熱量）。該產(chǎn)熱量使發(fā)動機(jī)自身升溫、冷卻液升溫、潤滑系統(tǒng)。暖風(fēng)支路的冷卻液通過暖風(fēng)芯體加熱進(jìn)入乘員艙的冷空氣，最終實現(xiàn)乘員艙內(nèi)部溫度升高。該邏輯使用 C#語言編寫腳本實現(xiàn)，通過封裝成DLL文件的方式加速運行效率。

2 主動格柵效果分析

2.1 格柵通暢狀態(tài)分析

如上文，此時格柵允許冷空氣通過，發(fā)動機(jī)周圍空氣溫度等于環(huán)境溫度。

圖3 發(fā)動機(jī)表面散熱量隨時間變化情況

此時發(fā)動機(jī)表面散熱有兩種形式，熱輻射和對流換熱。各階段散熱量隨發(fā)動機(jī)內(nèi)部溫度增加或車速的增加而增加，最大值為約 4kW。怠速階段平均為 0.5kW，NEDC階段為1.85kW，高速階段為3.61kW，高溫怠速階段為2.42kW。全過程平均為2.58kW。

當(dāng)乘員艙主駕腳部溫度達(dá)到15℃的時間為1238s。

2.2 格柵關(guān)閉狀態(tài)分析

如上文，此時格柵不允許冷空氣通過。讓發(fā)動機(jī)表面散失的熱量加熱一個密閉空間內(nèi)的空氣，讓發(fā)動機(jī)周圍空氣溫度和該密閉空間內(nèi)的空氣溫度相同。

圖4 發(fā)動機(jī)表面散熱量隨時間變化情況

從上圖可知，封閉格柵后發(fā)動機(jī)對外散熱能力大幅下降，最高值約1.6kW，遠(yuǎn)低于打開狀態(tài)的4kW. 其中，怠速階段平均為0.36kW，NEDC階段為0.29kW，高速階段為1.3kW，高溫怠速階段為0.3kW。全過程平均為0.68kW。

當(dāng)乘員艙主駕腳部溫度達(dá)到15℃的時間為1187s。

3 主動格柵效果評估

圖5 關(guān)閉格柵前后熱量散失對比

格柵開閉狀態(tài)下發(fā)動機(jī)在各階段散熱量對比如下圖所示，平均降低比例為70%。

從上圖降低比例可知，NEDC階段、高溫怠速階段降低程度最大，超過80%；怠速階段最低，不足30%。

圖6 關(guān)閉格柵前后暖風(fēng)進(jìn)水口溫度對比

暖風(fēng)進(jìn)水口溫度如圖6所示，盡管格柵關(guān)閉后有更多的熱量進(jìn)入冷卻系統(tǒng)，但水溫并沒有大幅提高。尤其是對采暖時間影響最大的NEDC段，溫度漲幅不明顯，平均漲幅約在3℃左右，因而對采暖時間縮短貢獻(xiàn)有限。從計算結(jié)果看，時間從1238s縮短至1187s，共計51s。

4 結(jié)論

①本文建立了一個完整了換熱分析模型，通過寒帶采暖試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，可模擬不同溫度下發(fā)動機(jī)內(nèi)部熱量的動態(tài)分配。結(jié)果表明，當(dāng)格柵關(guān)閉后發(fā)艙內(nèi)部溫度上升，抑制發(fā)動機(jī)表面散熱，促使缸體表面溫度升高，多余熱量想冷卻系統(tǒng)轉(zhuǎn)移，提升冷卻液水溫。

②采暖試驗過程中，發(fā)動機(jī)外表面的平均散熱功率為2.58kW；怠速階段平均為 0.5kW，NEDC階段為 1.85kW，高速階段為3.61kW，高溫怠速階段為2.42kW。

③主動格柵啟用后，外部冷空氣幾乎不再進(jìn)入，發(fā)動機(jī)僅加熱艙內(nèi)空氣。當(dāng)空氣溫度升高后將限制發(fā)動機(jī)對外散熱。此時，發(fā)動機(jī)外表面的平均散熱功率為0.68kW；怠速階段平均為0.36kW，NEDC階段為0.29kW，高速階段為1.3kW，高溫怠速階段為0.3kW。

④綜上，主動格柵方案可以發(fā)動機(jī)表面的散熱量平均減少 1.9kW，提高冷卻液水溫 3℃，使采暖溫度達(dá)標(biāo)時間縮短約51s。