《某MPV车型主动进气格栅的匹配》
本文是格栅和汽车导购类自考开题报告范文和匹配类自考开题报告范文.
【摘 要】基于某MPV品牌车型增加主动进气格栅结构,并以此构建CFD虚拟风洞仿真模型.CFD仿真实验中,以NEDC工况下的车速和进气格栅的角度作为基本变量,以散熱器入口的质量流率作为监控对象,得到各工况下格栅角度对散热器进风量的影响.通过对发动机进行热平衡实验,得到发动机冷却液带走热量与发动机转速和扭矩的线性关系式.在NEDC工况实车试验下,通过OBD采集发动机内置传感器的监测数据,得到不同车速下发动机的转速和扭矩,以此转速和扭矩计算的需求散热量与仿真得到的散热器散热量进行匹配,并以冷却液温度作为监控对象,得到不同车速下格栅角度的调整方案.最后以NEDC循环工况进行油耗验证,相对于原车型,油耗综合降低了5.86%.
【关键词】主动进气格栅;CFD;风阻系数;格栅角度
【中图分类号】U463.85 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）01-0062-05
0 前言
进气格栅作为汽车的前大门,其主要功用是向汽车前舱进气并起到对发动机冷却系统散热的作用.作为决定汽车前脸美观度的一个关键因素,进气格栅在不同的品牌上呈现自己不同的特色.目前,进气格栅在市面大部分的车型上都是固定完全打开的,外界冷却空气通过进气格栅可以随时进出汽车前舱.这导致汽车在冷启动阶段发动机达到最佳温度范围的时间延长,加剧发动机的低温磨损且不利于国家节能减排的基本要求.
主动进气格栅AGS（Active Grille Shutter）是一项新的节油技术,根据汽车行驶工况及测量发动机机油温度、水温、进气温度、空调系统状态等参数信息合理控制前进格栅的开度,改变发动机舱内冷却空气的含量,进而降低内循环阻力,最终提升整车燃油经济性[1].近几年对AGS的研究不少：低温时采用AGS减少暖机时间降低油耗;高速时采用AGS降低风阻提高整车动力性,空调处于冷却功能时合理控制AGS开度减少风阻.此外,AGS能显著提升空调的暖风性能[2].智能进气格栅通过改变整车进风量改变空气阻力,进而影响发动机冷却性能、整车空气阻力和热性能及乘客舱舒适性能等[3].随着国家对汽车油耗新标准的提出,不少车企已经意识到AGS对降低油耗的重要性,未来随着AGS的深入研究和发展,其应用将会走向普及化.
1 计算模型
1.1 数值模型
选取某前置前驱MPV车型,最大行驶速度远小于100 m/s,马赫数Ma远小于0.3,故选取空气为不可压缩气体.在CFD仿真中,应当遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒方程,分别如下.
公式中,ρ为密度;i、j则分别取1、2、3,分别代表了3个坐标轴方向;ui为i方向上的速度分量;p为压力;τ为黏性应力;k为流体导热系数;h为流体焓[4].
本研究发动机舱气流为低Re流,并且在发动机舱内部零件众多结构复杂,气流沿着壁面流动时形成边界层流.气流在机舱内部壁面流动时会发生碰撞,而层流之间相互干扰形成涡流.因此,选用RNG k-e湍流模型和应用最广的SIMPLE算法,为保证计算精度和收敛稳定性,第一步用一阶迎风格式算法计算2 000步,第二步用二阶迎风格式算法计算6 000步,总计8 000步.
1.2 仿真模型
使用三维软件UG对整车模型进行构建,然后以1∶1的比例导入ANSA进行模型简化和面网格的划分.汽车本身的零件众多且复杂,而本研究的重点是发动机舱内部的流场,因此需要对原车模型中与发动机舱内部流场无关或者影响很小的零部件进行简化,从而提高计算机的仿真效率.去除车内与仿真无关的座椅、表盘和方向盘等,简化发动机舱内冷凝器、散热器和风扇等模型.保留整车外部结构的连续性,对驾驶舱内部间隙进行缝合,删除无关的细小特征.整车仿真时,为更好模拟汽车正常行驶时的流场,构建模拟风洞模拟真实风洞.根据经验,设置风洞长为9倍车长,前后比例为3∶5,;宽为6倍车宽,左右对称分布;高为6倍车高.ANSA中完成的面网格模型导入Fluent中进行体网格划分,并在车身附近的区域进行网格加密,具体数值如下：车前长2 000 mm、车后长7 500 mm、车两侧宽3 000 mm和车顶长7 500 mm[5].最终网格总数量为4 532万个,风洞及整车网格模型如图1所示.
1.3 边界条件
CFD仿真为稳态仿真,为了更真实地模拟汽车在NEDC油耗测试循环工况[6]下的仿真实验,选择NEDC工况的匀速段作为本次仿真的基本工况,即确定仿真工况为15 km/h、30 km/h、50 km/h、70 km/h、100 km/h及120 km/h.主动格栅的调整角度范围为0°～90°,上下格栅同步调节,其中0°表示全闭,90°表示全开,调整间距为10°.模拟风洞入口边界条件设定为速度入口（velocityinlet）,速度与车速一致,方向为垂直进口面,环境温度T取40 ℃;模拟风洞出口为压力出口（pressureoutlet）,大小为标准大气压;上表面及地面边界条件设定为滑移平面（movingwall）,速度为车速;车身及发动机舱固定部分为无滑移壁面边界（stationary wall）;设定散热器、冷凝器为多孔介质模型;冷却风扇采用MRF模型,转速为2 568 r/min[7].
2 仿真结果分析
2.1 散热器进风量的分析
对上下格栅角度同时为0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°和90°的仿真模型分别进行计算,每种状态均取15 km/h、30 km/h、50 km/h、70 km/h、100 km/h及120 km/h,风扇转速固定为2 568 r/min,以散热器入口的质量流为检测对象,仿真结果见表1.各工况下格栅角度对散热器进风量的影响曲线如图2所示.
由表1和图2可知,在低速工况下（15 km/h和30 km/h）,随着格栅角度的增大,散热器的进风量在0°～20°时快速增加,大于20°时慢慢趋于稳定状态.中速工况时（50 km/h和70 km/h）,散热器的进风量受格栅角度的影响趋势基本同低速工况时一致,不同在于格栅角度为40°时散热器进风量才慢慢趋于稳定.高度工况时（100 km/h和120 km/h）,随着格栅角度的增大,散热器的进风量先增大后减小.角度在0°～50°时,进风量随着角度的增大而快速增大,角度为50°～70°时,进风量趋于稳定;角度大于70°时,进风量睡着角度增大而减小.当格栅角度固定时,进风量随着车速提升而明显增加.
2.2 整车风阻性能的分析
汽车在行驶过程就是克服阻力的过程,汽车在正常行驶时克服的全部阻力如下：
由于风阻系数是汽车的固有属性,只与汽车的外形相关而与车速无关,所以只选取100 km/h的工况进行仿真,在仿真软件Fluent控制树中选择reference values选项,并在其展开项中输入计算风阻系数相关的参数（见表2）,同时监控残差曲线和整车风阻系数曲线.
对车速为100 km/h,进气格栅开启角度为0°～90°,总共10组状态下的空气阻力系数仿真结果见表3,格栅角度的影响规律如图3所示.
由表3和图3可知：格栅角度为90°时,风阻系数最大为0.359,格栅角度为0°时,整车风阻系数最小为0.344,格栅角度从90°～0°整车整体风阻系数降低了4.19%;风阻系数随着格栅角度的增大而呈现先增大后趋于平稳的变化趋势,角度为70°时,风阻系数基本稳定.由公式（5）可知,行驶车速对整车风阻的作用最大,车速越大,进气格栅对于降低风阻的效果越明显.一般地,风阻系数在0.28～0.4,风阻下降10%,油耗节省7%左右.因此,在保证基本散热需求的基础上,适当地调小格栅角度更利于降低整车的风阻,从而降低油耗.
3 格栅角度匹配
3.1 发动机热平衡实验
发动机热平衡实验的目的是确定在不同工况下燃油燃烧释放的总能量在发动机各部分的分配情况.通过发动机热平衡实验的结果可以分析计算得到各个工况下发动机冷却液带走的热量.热平衡方程及冷却液带走热量计算公式如下：
Qf等于Pe+Qw+Qa+Q0（6）
其中,Qf为燃油释放的总热量,kW;Pe为发动机转化为有效功的热量,kW;Qw为冷却液带走的热量,kW;Qa为排气带走的热量,kW;Q0为余项损失热量,kW.
Qw等于V×△T×ρw×Cw（7）
其中,V为冷却液流量,m3/s;△T为发动机冷却液进出口温度差,℃;ρw为冷却液密度,取ρw等于107 kg/m3;Cw为冷却液定压比热容,取Cw等于3.52 kJ/kg·k.
相关文献资料表明,发动机冷却液带走热量主要与发动机的转速和扭矩相关,并且具有一定的线性关系[8-9].针对某款国产MPV车型进行发动机热平衡实验,控制发动机转速为2 000 r/min、4 000 r/min和6 000 r/min,同时控制在各转速下负荷率分别为15%、25%、35%、50%、65%、75%、85%和100%作为实验工况,得到数据见表4、表5和表6.
由发动机热平衡实验得到的数据绘制成图4,通过图4可知：在同一转速下冷却液带走热量与发动机的负荷率关系曲线趋于线性关系,且在3种转速下均有此趋势,则冷却液带走热量与发动机扭矩呈线性关系;随着负荷率的增大,3种转速下变化曲线基本呈现平行状态,同一负荷率相邻转速下冷却液带走热量变化基本相同,即冷却液带走热量与发动机转速呈线性关系.
综上可知,冷却液带走热量与发动机转速和扭矩成线性相关,利用MATLAB对所得数据进行线性拟合,得到如下经验公式：
Qw等于0.003 8n+0.098 3T-4.948 5（8）
其中,Qw为冷却液带走热量,kW;n为发动机转速,r/min;T為发动机扭矩,N·m.R-Square（拟合优度）为0.988 6.
3.2 格栅角度匹配
一般汽车前舱散热系统以极限工况的散热需求作为依据对冷却系统进行匹配,导致在绝大部分的常规工况下发动机舱散热性能富余,降低了燃油经济性.汽车冷却系统匹配的依据是散热器的散热量大于发动机发热量,即冷却液带走热量,则冷却系统满足散热需求.由发动机热平衡实验可知冷却液带走热量与转速和扭矩成二元线性关系,在NEDC工况实验时,通过OBD实时采集发动机在常规工况下的转速和扭矩,从而计算冷却液带走热量即散热需求.
测量的数据及计算的散热需求见表7.
在仿真研究中,受发动机舱布置形式、发动机功率等复杂因素的影响,散热性能很难评估,但散热器作为发动机舱内主要的散热元器件,满足经典的换热理论公式：
Qn等于Vr ca△tr（9）
其中,Qn为散热器散热量,kW;Vr为散热器入口质量流,kg/s;ca为气体的定压比热容,取ca为1.047 kJ/kg·k;△tr为散热器进出口温度差,℃.由前述仿真得到的散热器入口进风量结合经验公式可得到散热器散热量与车速和格栅角度的关系,数据见表8.
根据计算的散热需求表7及散热器散热量表8对格栅角度与车速进行匹配,即在保证散热器散热量大于散热需求的前提下尽可能减小格栅角度,一方面降低风阻、减少油耗,另一方面避免冷却能力富余,从而减少能耗、降低油耗.匹配结果见表9.
一般认为,当冷却液温度在80～90 ℃（发动机出水温度在85～95 ℃）时,发动机具有最佳的工作性能和使用寿命[8].结合上述可知格栅角度的调整方案如下：在冷启动阶段,当发动机冷却液温度低于80 ℃时,调整格栅角度为0°,以实现快速升温;当冷却液温度在80～90 ℃时,控制策略如上所述;当极限工况下冷却液温度大于90 ℃时,调整格栅角度为90°,使发动机降温.
4 油耗验证
本文基于《汽车燃油消耗量试验方法》（GB/T 12545.5—2008）对整车油耗进行测量,试验方案为两组,每组方案试验5次,然后对于在NEDC工况下的市区油耗、郊区油耗和综合油耗分别取平均值.根据测量结果对比分析主动进气格栅的安装相对于原车型对降低油耗的贡献量.两次试验的基本方案如下.
试验一：汽车未安装主动进气格栅,通过NEDC循环工况测试油耗（原车型）.
试验二：汽车安装主动进气格栅,格栅角度根据上节的方案进行调控,通过NEDC循环工况测试油耗（改进车型）.
本次油耗试验共进行10组,将两种方案下的市区油耗、郊区油耗和综合油耗的均值汇总（见表10）.
试验方案二相对于试验一在市区油耗降低了0.853 L/100 km,降低了8.75%;郊区油耗降低了0.212 L/100 km,降低了3.34%;综合油耗降低了0.446 L/100 km,降低了5.86%.综上分析可知,在实车验证时,安装主动进气格栅并对格栅角度采取合理的控制方案,可以减小风阻降低油耗.
5 结论
研究汽车前舱散热系统主动进气格栅的匹配和控制策略,得到如下结论.
（1）格栅角度对散热器的进风量有一定的影响.在中低速工况时,随着格栅角度的增大,进风量出现先增大后趋于稳定状态;在高速工况下,随着格栅角度的增大,散热器进风量出现先快速增大随后稳定最后出现减小的状态.
（2）从格栅角度对风阻性能的研究得知,随着格栅角度的增大,风阻系数出现先增大后趋于稳定的趋势.格栅角度从全开到全闭的过程,整车风阻系数降低了4.19%.
（3）研究某MPV车型发动机热平衡实验,验证了冷却液带走热量与发动机的转速和扭矩呈线性关系,并经过MATLAB拟合出经验公式为Qw等于0.003 8n+0.098 3T-4.948 5.由NEDC工况下实测的转速和扭矩计算出各工况下的散热需求,与仿真研究中所求的散热器散热量进行匹配得出各个工况下的最佳格栅角度.
（4）通过NEDC油耗实验验证了由车速和冷却液温度联合控制调节的主动进气格栅角度对降低油耗的可行性,使油耗相对于没有安装主动进气格栅综合降低了5.86%.
参 考 文 献
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格栅和汽车导购引用文献:
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