汽车主动进气格栅技术开发研究

汽车主动进气格栅技术开发研究作者：高树亮黄壮齐俞晓勇王磊罗颖来源：《企业科技与发展》2016年第02期【摘要】随着国内新的油耗法规的实施，汽车生产厂家在面临激烈竞争的同时，需要直面严峻的汽车降油耗任务，这对汽车的制造成本及性能提出了极大的考验。

主动进气格栅技术可以协助汽车厂家以较低的成本实现明显的节油效果。

文章详细介绍了主动进气格栅的功能、优点和开发方法及理论依据，并对控制策略及发展前景作了简要介绍。

【关键词】汽车；主动进气格栅；研究【中图分类号】U462.3 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）02-0049-041 主动进气格栅的优点主动进气格栅（Active Grille System，简称AGS）是近些年汽车工程技术领域一项新兴的节油技术，它具备成本相对较低，节油效果明显的特点，目前它已在欧洲及北美汽车市场普及应用。

它通过在行驶过程中合理地控制前进气格栅的开度，达到调节进入发动机舱冷却风量的目的，降低行驶过程中的内循环阻力，提升汽车燃油经济性。

同时，主动进气格栅系统能够改善发动机暖机过程中的排放，提升汽车发动机效率，已在国外中高端车型中应用，而国内自主品牌对其应用目前仍处于空白阶段。

1.1 气动阻力的减弱AGS系统主要通过控制冷却空气流以改进车辆气动阻力。

冷却系统的设计功能如下：即使在最恶劣的驾驶条件下，也必须为发动机冷却提供足够制冷能力，因此在所有其他驾驶条件下（大部分使用工况下），存在多余的冷却空气流和因此带来的阻力，尤其在公路巡航期间，格栅叶片能够关闭以减少风阻，同时降低燃料消耗及二氧化碳的排放。

考虑到现实的驾驶条件，从不同项目得出的值如下：对于客车二氧化碳减少量达到3 g/km，对于重型货车燃油减少量达到1 L/100 km[1]。

1.2 冷起动和暖机性能优化最近，AGS所带来的冷起动及暖机性能优化让各汽车生产厂家越来越关注，例如改善的发动机预热及发动机停止后机舱里的热保留。

通过减少预热阶段，发动机预热速度更快，二氧化碳的排放更少，也使挡风玻璃融霜、乘员舱保暖更快。

AGS系统是热声发动机舱封装概念的一个重要组件。

1.3 NVH优化AGS系统的初始应用领域特定用来改善柴油机的空转噪声。

在汽车前面能达到大约减弱总体声压级1 dB（A）。

1.4 优化车辆热性能AGS的导风指向性将减少进入汽车前舱的空气乱流，将空气导向散热器，可以增加散热零件的通风量，改善冷却性能。

特别在寒冷季节，AGS可以实现全部关闭，降低发动机舱的通过气流以减少发动机的散热，最大限度地保持发动机的温度，以提高发动机的工作效率。

2 主动进气格栅的设计方法2.1 闭合叶片达到最低漏风量，优化行驶阻力在闭合叶片位置冷却空气流被阻挡，使得气动阻力减少。

这一点通过在导风板前建立驻点压力迫使气流在车辆周围而不是通过冷却组件及发动机舱实现。

要求叶片自身及其周围部件具有最佳气密性。

在与冷却组件连接的前格栅的进气口处考虑与AGS结合。

进气口在车辆的位置要求在AGS设计阶段考虑到行人模块碰撞及低速度损坏承受力。

双射（硬/软）注塑工艺的进气口能够满足上述设计需求。

为了达到汽车生产厂家在车辆的气动目标，需要考虑如下2个因素：最小漏风量设计；包装空间、温度要求及其他因素。

2.2 漏风量的快速设计方法在AGS早期设计阶段，按图1所示的概念设计完成后，可以获得对AGS模块预期的漏风量的第一次评估。

将使用静态的有限元素法计算，应用与不同假定车辆速度同等的力加载到叶片。

随着叶片外形的变形，风载引起的空隙可以被测量，可以被用来计算封闭叶片时的泄漏质量流。

叶片封闭时额外的漏出量是由必要的空隙导致的，与风速无关。

漏出量可以通过计算叶片关与开时的流量流比率决定。

精确的估计要求使用CFD及FSI工具，需要相当长的研制周期来获得结果[2]。

2.3 叶片开启角度对气流的影响在打开叶片位置，任何对AGS冷却空气流的负面影响应该最小化。

通过安装使用了最普通且最具成本效率的旋转叶片造型的AGS，之前合理的开口区域正逐步减少。

可以缩小堵塞气流的组件尺寸或者优化它们的形状以减少任何负面影响。

2.4 驱动电机的紧凑型设计作为叶片转动、驱动力输出的功率器件，应对驱动电机（如图2所示）进行紧凑设计和高扭矩输出性能设计，从而保证系统能够在结冰、泥浆等严苛的工况下正常工作。

AGS系统可以选择不同的驱动器：利用吸持磁体的被动系统在过去一直在使用，但是由于低航空收益而被放弃。

真空驱动器也在单个应用中被使用到，但是由于真空、必要的管道系统，潜在需要的蓄水池等的有限可用性被认为没有竞争力。

现在普遍使用的是电子驱动器，它也能遵守所有OBD要求。

然而，额外的电量消耗对油耗带来影响，故驱动电机必须考虑低功耗设计。

2.5 下一代驱动器电机技术在效率已经提升且满足所有其他要求（EMC、IP、扭矩等）的同时，使用无刷电机技术替换第一代的直流电机及第二代的步进电机是必然的趋势。

步进电机仍存在的缺点为电力消耗与负荷是各自独立的，这一缺点在下一代产品中运用BLDC技术已经处理了，电力可以随着负荷变化而变化。

3 主动进气格栅的控制建模技术传统汽车前进气格栅的开口面积（GOA）是基于满足最恶劣工况下散热需求对风量要求而设计的。

实际工况下，过量的冷却气流动量损失反而会导致内循环阻力上升，可对GOA进行控制优化[3]。

3.1 散热需求模型发动机燃料燃烧放热可分为4个部分：机械做功Pm、发动机散热量Pe、排气带走热量Pex和余项散热损失Pr。

发动机能量守恒方程如下：Qe=Pm+Pe+Pex+Pr（1）其中，Qe为燃料燃烧释放热量。

Qe=■（2）其中，Mf为燃料质量，Hf为燃料热值。

Pm=■/9 550（3）其中，ne为发动机转速，Tn为发动机输出扭矩。

Pe=0.063 7×p×D1.73×S 0.575×■×α[1+1.5S/D]（4）其中，p为气缸数，D为气缸直径，S为活塞行程；α为修正系数。

Pex=Mex×cex×[Tex-in-Tex-out]（5）其中，Mex为排气质量，cex为排气比热容，Tex-in和Tex-out分别为排气进、出口温度。

发动机散热量Pe通过缸壁传热传递到发动机冷却液中。

考虑发动机的热容，忽略发动机表面辐射与对流换热的影响，建立热传递方程。

■=■（6）其中，Pc为冷却液传热量，Te为发动机本体温度，Me为发动机质量，ce为发动机比热容。

3.2 冷却需求模型行驶中，发动机冷却所需的空气流量Qa由风扇与车速共同提供，表示如下：Qa=Qf+■vra×Ar dt=■（7）其中，Qf为风扇提供的空气流量，vra为通过散热器的平均风速，Ar为散热器迎风面积，Tr-in、Tr-out分别为散热器进风侧、出风侧平均温度，ρa为空气密度，ca为空气定压比热容。

Ar由AGS开度θa表示的二次拟合函数如下：Ar=f（θa）（8）冷却气流阻力系数γ可由下式计算：γ=■=■（9）其中，vD为车速，Cpe为出口压力系数，σr为散热器等价压力损失系数，σb为冷却水箱等价压力损失系数，σc为冷凝器等价压力损失系数，σf为散热风扇等价压力损失系数，σp为冷却系管道等价压力损失系数。

轴流式风扇流量Qf可由下式计算：Qf=γ×φ×π（D■■-D■■）/4×u（10）其中，φ为流量系数，D1为轮毂直径，D2为叶轮外径，u为叶轮外圆周速度。

3.3 AGS系统模型由公式（6）可知，当发动机处于热平衡状态时，■=0，Pe=Pc，即发动机散热量与冷却液散热量相当。

依据公式（4）（7）（8）（9）（10）建立基于车速、发动机转速、扭矩、散热器进出风侧温度、风扇转速的AGS开度控制模型。

θa=f（Vd，ne，Te，Tr-in，Tr-out，u）（11）基于上述过程，采用Simulink建立了AGS多开度控制系统模型，如图3、图4所示。

AGS开度控制模型如图5所示。

对AGS开度的控制模型由2部分组成：{1}MultiPos_cal用于计算压缩机不工作时，满足冷却需求所需的格栅开度；{2}Veh_AeroDynamic_cal用于计算当车速大于V_critical且压缩机工作时，满足冷却需求所需的格栅开度。

4 结论及未来前景目前，AGS系统在改进空气动力学及提升燃油经济性方面正在为越来越多的汽车生产厂家所采用，而AGS系统所带来的额外收益也越来越被各个汽车生产厂家所重视。

未来，AGS 的应用将延伸至汽油及柴油发动机的混合驱动汽车及电动车上。

应用AGS不仅可以改善空气动力学，而且能够控制电池冷却。

下一步将AGS与发动机封装上的其他绝缘部件结合，这在燃油经济性提升方面能够带来更大的潜力。

参考文献[1]Richard Burke，Chris Brace.The Effects of EngineThermal Conditions on Performance，Emissions and Fuel Consumption[C].SAE 2010-01-0802，2010.[2]付杰，罗标能.轿车发动机舱热管理仿真[J].汽车零部件，2010（4）：70-72.[3]孙黎，王波.汽车进气格栅造型规律分析[J].汽车工程，2010（5）：399-403.[责任编辑：钟声贤]。