基于整車的前端模塊風(fēng)速場(chǎng)研究

汪 勇

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

對(duì)車輛來說，前格柵造型是影響風(fēng)速場(chǎng)較大的因素，但受整車開發(fā)流程約束，很難在整車?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段變更前臉造型以及更改前格柵，所以優(yōu)化風(fēng)速場(chǎng)的方向只能改變前端模塊中其他部件入手。

1 前端模塊風(fēng)速場(chǎng)對(duì)車輛熱管理的影響

1.1 熱管理的重要性

對(duì)于燃油車而言，傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率在30%左右，很少機(jī)器能突破40%，柴油機(jī)熱效率略大于汽油機(jī)，其余能量大部分以熱能的形式散失，除排氣帶走的能量外，發(fā)動(dòng)機(jī)自身的冷卻完全依靠車輛的冷卻系統(tǒng)，尤其渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，還需要中冷器對(duì)進(jìn)氣降溫，大部分車輛的空調(diào)系統(tǒng)的冷凝器也布置在散熱器前端，這給原本布置空間有限的冷卻系統(tǒng)的帶來一定難度。

1.2 風(fēng)速場(chǎng)的作用

當(dāng)空間及成本原因，不能增大散熱器、中冷器、冷凝器體積，也不能更改各散熱器類型，無論冷凝器還是中冷器與散熱器，參考熱平衡方程可知，在不能改變其他參數(shù)下，提高空氣流速可以提高換熱效率，所以增大通過前端模塊的風(fēng)速是提高各散熱器效率的重要辦法。由于整車前端模塊復(fù)雜結(jié)構(gòu)與發(fā)動(dòng)機(jī)艙不規(guī)則布置，零部件臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果并不能直接應(yīng)用至整車開發(fā)，測(cè)量前端模塊風(fēng)速場(chǎng)與優(yōu)化對(duì)整車的熱管理性能非常重要。

2 前端模塊風(fēng)速場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量

2.1 試驗(yàn)測(cè)量方法

現(xiàn)階段常見的風(fēng)速傳感器有兩類，一類是電阻式，另一類是葉輪式，其中葉輪式風(fēng)速傳感器的優(yōu)點(diǎn)是精度高，受外界干擾小。測(cè)量前端模塊的風(fēng)速場(chǎng)，最常用的方法是基于整車拆解前端模塊，將多個(gè)葉輪式風(fēng)速傳感器均勻安裝在散熱器或冷凝器前端，然后恢復(fù)整車原狀態(tài)，進(jìn)行相關(guān)工況的測(cè)量。本次測(cè)量使用了16只葉輪式傳感器，按4×4矩陣式均布安裝。

2.2 聚風(fēng)板對(duì)前端模塊風(fēng)速場(chǎng)的影響

使用江淮汽車某小型汽車作為試驗(yàn)樣車，其冷卻系統(tǒng)為冷凝器、中冷器、散熱器、護(hù)風(fēng)圈及風(fēng)扇疊放布置，環(huán)境空氣依次經(jīng)過上述各散熱器進(jìn)行換熱，因此保險(xiǎn)桿與各散熱器邊緣的密封狀態(tài)必定影響風(fēng)速場(chǎng)，而保險(xiǎn)桿不規(guī)則，與矩形的散熱器保持密封狀態(tài)需要增加聚風(fēng)板，此舉必然會(huì)增加整車成本，因此測(cè)量增加聚風(fēng)板帶來的增益，以此權(quán)衡是否增加或考慮其他優(yōu)化方案。

聚風(fēng)板分4種狀態(tài)（無聚風(fēng)板、上下聚風(fēng)板、左右聚風(fēng)板、全聚風(fēng)板），由于樣車風(fēng)扇為高低速風(fēng)扇，風(fēng)扇有3種風(fēng)扇狀態(tài)（不轉(zhuǎn)、低速、高速），測(cè)試共計(jì)12個(gè)狀態(tài)在相同車速、4種狀態(tài)的聚風(fēng)板下風(fēng)速場(chǎng)的差別。

圖1 無聚風(fēng)板時(shí)風(fēng)速場(chǎng)

該車在60km/h車速下，4種狀態(tài)結(jié)果分別為：加裝全聚風(fēng)板效果最好相對(duì)無聚風(fēng)板增益達(dá)到6.6%，其次是上下聚風(fēng)板增益達(dá)到 6.4%、左右聚風(fēng)板增益最低為 0.9%，無聚風(fēng)板效果最差，若考慮成本增加上下聚風(fēng)板就可以達(dá)到很好的效果，提高各散熱器的換熱效率。

車速60km/h、風(fēng)扇高速扇狀態(tài)部分測(cè)試結(jié)果如圖1-2。

圖2 增加全聚風(fēng)板時(shí)風(fēng)速場(chǎng)

將上述4種狀態(tài)的結(jié)果輸入至KULI進(jìn)行一維仿真，得到結(jié)果如下：

表1

綜上可以得知，聚風(fēng)板對(duì)前端模塊風(fēng)速場(chǎng)影響會(huì)因車而異，在整車條件下進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)合仿真分析方能確定具體增益，同時(shí)考慮成本做出選擇。

2.3 不同車速下風(fēng)扇對(duì)風(fēng)速場(chǎng)的增益

車輛低速行駛時(shí)，冷卻系統(tǒng)主要靠風(fēng)扇提高散熱器、中冷器的進(jìn)風(fēng)量，此時(shí)風(fēng)扇作用很關(guān)鍵，冷卻液溫度和中冷器出氣溫度會(huì)強(qiáng)相關(guān)，當(dāng)風(fēng)量小不足以帶走散熱器中冷器熱量時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度與冷卻液溫度升高，混合氣氧氣密度會(huì)降低、空燃比降低、退點(diǎn)火角等一系列惡性循環(huán)；當(dāng)車輛速度逐漸提高，自身撞風(fēng)可以為散熱器中冷器提供風(fēng)量，此時(shí)風(fēng)扇的作用不大，本小節(jié)以江淮汽車某小型汽車研究，在不同車速下風(fēng)扇對(duì)風(fēng)速場(chǎng)的增益。

試驗(yàn)分別測(cè)試3種風(fēng)扇狀態(tài)下（不轉(zhuǎn)、低速轉(zhuǎn)、高速轉(zhuǎn)）不同車速時(shí)的風(fēng)速場(chǎng)，為使數(shù)據(jù)直觀化，計(jì)算各狀態(tài)下風(fēng)速場(chǎng)的平均風(fēng)速，結(jié)果如下：

表2 各狀態(tài)下風(fēng)速場(chǎng)的平均風(fēng)速數(shù)據(jù)對(duì)比表

由此得知，當(dāng)車速達(dá)到100km/h時(shí)，風(fēng)扇帶來的增益很小，此時(shí)風(fēng)扇效果較小，主要作用是降低風(fēng)阻，可以考慮在車輛高速行駛時(shí)，關(guān)閉風(fēng)扇或以較低功率驅(qū)動(dòng)，同時(shí)在護(hù)風(fēng)圈上加入百葉窗式開孔，車速增加至一定程度撞風(fēng)后自然開啟減小風(fēng)阻。

3 結(jié)語

從上述試驗(yàn)結(jié)果可以得知，前端模塊風(fēng)速場(chǎng)對(duì)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻、進(jìn)氣溫度的降低、空調(diào)制冷效果都有很大影響，不僅風(fēng)速大小，風(fēng)速場(chǎng)的均勻性也很重要，通過試驗(yàn)的方法測(cè)量風(fēng)速場(chǎng)，配合CFD仿真，能夠有針對(duì)性地對(duì)風(fēng)速場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化。