汽車格柵對發動機冷卻性能影響的研究

田文毅，殷農民，劉耀華，華順軍，肖亮

（浙江眾泰汽車制造有限公司杭州分公司汽車工程研究院，浙江 杭州 310018）

引言

隨著汽車工業的快速發展，消費者對汽車造型，舒適性，可靠性的要求越來越高。而在汽車設計過程中如何均衡造型和性能尤為重要。

1 格柵方案

因市場變化及消費者審美差異化，某車型項目在換代改款時預選了三款汽車格柵造型方案進行論證。A、B、C三款格柵造型方案見表 1。本文通過對三個方案的對比論證，簡析汽車格柵的開口比對冷卻性能的影響。

2 理論論證

眾所周知，在散熱器、水泵等冷卻系統部件性能參數不變的情況下，通風性能是影響冷卻性能的關鍵。通過理論計算格柵的壓力損失可以直觀的評價通風性能的好壞。

表1 造型方案

我們可以把流體力學的基本方程式看做曲線方程，通過研究其曲線特性，對不同造型的格柵新型論證評價。理論計算模型見圖1。

圖1 理論計算模型

考慮到壓力和動量的平衡可以得到下式。

式中：ρ為密度；V為風速；P為壓強；S為通風面積；

式中：ρ為密度；V為風速；S為通風面積；

根據公式（1）、公式（2）可得到下式。

式中：ρ為密度；V為風速；P為壓強；S為通風面積；

式中：ρ為密度；V為風速；P為壓強；

將伯努利定理變換成如下形式：

式中：ρ為密度；V為風速；P為壓強；

式中：ρ為密度；V為風速；P為壓強；

通過公式（6）可以看出汽車格柵前后的壓力損失可以使用。

式中：ρ為密度；V為風速；表示。

將壓損表達公式（7）與開口面積關聯后可變形成如下公式。

式中：ρ為密度；V為風速；S為通風面積；

設定開口比為λin

式中：λin為開口比；S為通風面積；

利用表達式（8）、公式（9）代入下式。

式中：ζ為壓損系數；ρ為密度；V為風速；

式中：λin為開口比；V為風速；ΔP為壓強差；

從而，壓損系數ζ與開口比的關系可以用如下公式表達。

式中：ζ為壓損系數；ξ為隨機變量；λin為開口比；

為了研究壓損系數ζ曲線特性，設定隨機變量ξ=1.0，分別取值λin=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6，用excel作λin與ζ的函數曲線見圖2。

在開口比λin≤0.30范圍，曲線斜率相當大，壓力損失系數隨開口面積比的變化急劇變化。反之，在λin>0.30的范圍內，曲線斜率變小，開口面積比變化引起的壓力損失系數變化平緩。所以設計格柵開口面積時，0.30的格柵開口率是一個重要的設計點。

3 試驗驗證

車型冷卻性能目標見表2。

表2 冷卻性能目標

選取山路爬坡工況對三種格柵造型進行對比試驗，試驗工況見表3：

表3 驗證工況

在風洞內利用格柵快速成型樣件進行爬坡工況冷卻性能驗證，發動機出水溫度統計結果見表4。

表4 發動機出水溫度（℃）

從結果可以得出格柵越大冷卻性能越好。

4 行業調查

根據理論及試驗結果我們對市面上不同車企的格柵開口進行了統計，發現開口比>19%,占比84%。分布散點見圖3、區間統計見圖4。

圖3 各車企格柵開口比散點圖

5 結論

汽車通風能力對冷卻性能的影響取決于格柵開口率λin，而格柵開口率λin在車型開中需兼顧格柵造型及工程開發。通過理論及試驗驗證我們得出了開口比λin的一個范圍：

1.λin≥0.25，處于比較理想狀態；2.0.21≤λin<0.25，為一般正常狀態；3.0.19≤λin<0.21，為讓步接受狀態（后期需補救較多措施）；4.λin＜0.19，不可接受。

因此建議在車型開發中格柵開口≥0.25。

圖4 各車企格柵開口區間統計