童 元， 漆 杰， 孫孟超， 趙少鋒， 王 文

(安徽江淮汽車集團股份有限公司 技術中心， 合肥 230601)

乘用車的發(fā)動機艙前端集成有冷卻系統(tǒng)的熱交換器與空調系統(tǒng)的冷凝器，故整車前端的流場好壞對上述系統(tǒng)的性能有非常大的影響。汽車低速行駛時發(fā)動機艙內存在3種回流，即從車外部回流到車頭前方的外部回流、車內部繞過前端部件回流到冷卻部件前方的內部回流以及空調冷凝器和發(fā)動機散熱器內部來回流動的內部回流。相關研究表明，發(fā)動機艙內熱空氣回流會嚴重影響發(fā)動機冷卻與空調系統(tǒng)的性能[1]。同時，漏風與熱空氣回流也會影響發(fā)艙內的保溫性，間接影響整車的采暖性能。

為解決上述問題，本文通過CFD軟件對整車前端流場進行分析[2]，同時提出相應的整改方案，并通過試驗驗證，對整車前端密封設計提出相應的修改方案。

1 密封影響分析

1.1 密封性對冷卻系統(tǒng)的影響

整車前端密封不良會導致熱風回流[3]，影響冷卻系統(tǒng)進風效率，使發(fā)動機艙內高溫部件散熱不足，引起艙內溫度過高，直接影響汽車的動力性和燃油經(jīng)濟性。且發(fā)動機艙散熱效率下降，會導致發(fā)動機可靠性下降、零件磨損加劇及熱量不平衡等問題[4]。

冷卻系統(tǒng)的進風主要來源于整車前端的格柵開口進風[5]，格柵處的進風量對冷卻系統(tǒng)的散熱起到了至關重要的作用[6]，在冷卻部件與格柵之間增加聚風板結構可以優(yōu)化整車進風量[7]。現(xiàn)選取某一車型的發(fā)動機艙模型，運用starccm+分析軟件，對比其在有、無聚風板兩種狀態(tài)的進風量，如圖1和圖2所示。

圖1 60 km/h速度云圖對比(Z=360 mm)

圖2 怠速速度云圖對比(Z=360 mm)

由圖1和圖2可知，車輛在60 km/h沒有聚風板的情況下行駛時，格柵進風從兩側大量逃逸；怠速沒有聚風板時，大量熱空氣從兩側回流至冷卻部件前。以上的進風逃逸與熱風回流，直接影響了冷卻部件的冷卻效果。對比增加聚風板后的狀態(tài)得知，發(fā)動機散熱器進風量提升了15%～30%[8]，同時，冷卻部件前的進風溫度有所降低，整個冷卻性能得到較大提升。

1.2 密封性對空調系統(tǒng)的影響分析

由于空調冷凝器與發(fā)動機的散熱交換器一般在整車前端為串聯(lián)設計，所以整車前端密封不良將導致進風量不足，熱風回流，影響空調冷凝器散熱，直接造成空調制冷性能不良，引起顧客抱怨[9]。為解決上述問題，除了增加聚風板之外，還需在空調冷凝器與發(fā)動機散熱器之間增加密封件，運用starccm+軟件進行模擬后可知，怠速工況下增加密封海綿條進行封堵后，該車型冷凝器前的氣流速度提升了約5%，進氣溫度有所降低，整個空調系統(tǒng)的性能又有了進一步的提升。

1.3 密封性對整車采暖的影響分析

在我國某些地區(qū)，冬季平均氣溫在-28～-8 ℃,客戶對車輛采暖需求強烈?，F(xiàn)階段車輛的采暖性能主要依賴于發(fā)動機的水溫溫升速率，溫升速率越快，采暖性能越好。影響水溫溫升速率的因素有發(fā)動機熱損失、乘員艙熱損失、冷卻循環(huán)熱損失以及發(fā)動機艙熱損失等。在車輛怠速與行駛過程中，車前的冷空氣會通過冷卻部件進入發(fā)動機艙內部，影響發(fā)動機艙的保暖與溫升，增加發(fā)動機艙的熱損失。為了解決上述問題，可以對格柵進行改進設計，增配主動進氣格柵，同時配合其他密封結構對整車前端進行完全密封，減少發(fā)動機艙的熱損失。

1.4 密封整改方案

根據(jù)上述理論分析結果，需要在冷卻模塊與前格柵之間增加聚風板，冷卻部件、空調部件與周邊部件之間增加密封結構：

1) 對采暖有特別要求的車型可匹配主動進氣格柵。主動進氣格柵是通過發(fā)動機水溫、機油溫度、空調系統(tǒng)狀態(tài)、進氣溫度等信息，依靠控制電機實現(xiàn)進氣格柵的百葉片開啟一定角度或者關閉的裝置。通過與ECU建立通訊，在整車怠速及低速階段控制進氣格柵全關閉，同時配合其他密封結構使車前完全密閉，防止冷空氣進入發(fā)動機艙，可以較大地提高發(fā)動機的水溫溫升速率，從而提升整車采暖性能。

2) 整車前端各模塊之間均需有相應的密封結構。前格柵與空調系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)部件之間推薦用聚風板密封；空調與冷卻系統(tǒng)之間以及系統(tǒng)內部都可用帶軟邊的聚風板延伸結構進行密封，也可使用透氣性較差的EPDM海綿配合粘合劑進行密封，原則上保證空氣只能通過冷凝器與散熱器的芯子部分，將其他部分均密封住，防止產(chǎn)生漏風與熱風回流，如圖3所示。

圖3 各系統(tǒng)間密封示意圖

3) 整車聚風板的前端邊緣建議與格柵開口邊緣相重合，無用部分進行封堵。整車格柵的有效開口直接決定整車進風量的大小，在造型符合的前提下，盡量增加格柵開度，可通過聚風板導風，最大限度地利用進風；同時，為了防止過大的進風面積增加整車風阻，聚風板的邊緣需與有效格柵開口邊緣重合，并封堵無效的進風面積，降低整車風阻，如圖4所示。

圖4 造型封堵示意圖

4) 特征設計時多使用圓弧、斜角過渡。在對聚風板、導風結構進行特征設計時要多使用圓弧、斜角等過渡形式，避免使用直角的過渡形式，后者會造成氣流在特征處形成渦流、紊流，影響進風效果。

2 密封設計的試驗驗證

2.1 增加聚風板冷卻性能試驗對比

根據(jù)理論分析，增加聚風板后冷卻模塊前端進風量增加15%～30%，為了驗證增加的風量對冷卻性能的影響情況，選取某一車型進行對比驗證。驗證工況選取了較常見的低速爬坡工況與高速行駛工況[10]，在同一轉轂進行模擬試驗，具體試驗結果如表1所示。

根據(jù)表1可知，增加聚風板后整車冷卻性能均有提升，其中低速爬坡工況原狀態(tài)水溫較高，有一定風險，增加聚風板后水溫下降了3.3 ℃，較為適宜。高速行駛工況水溫下降了2 ℃，也有一定提升。

表1 有無聚風板冷卻性能試驗結果

2.2 空調密封性能試驗

參考CFD軟件分析結果，增加聚風板與密封海綿條進行全封堵后，空調系統(tǒng)的進風量較原狀態(tài)會有進一步的提升?，F(xiàn)選取上述試驗車輛，分別對比無封堵與聚風板加密封海綿條全封堵后的實車狀態(tài)。為了全面監(jiān)控對比兩者差異，在整車前端空調模塊處布置了多處溫度傳感器測試點監(jiān)測空調模塊的進風溫度，并監(jiān)控對比兩種狀態(tài)怠速工況下駕駛室內出風口溫度值，具體試驗結果如圖5所示。

(a)封堵前后空調進風溫度平均值對比

(b)封堵前后駕駛室內出風口溫度

對比圖5可知，增加密封設計的實車空調模塊處進風溫度較原狀態(tài)降低了15 ℃～20 ℃，出風口溫度降低了5 ℃，空調整體性能提升較明顯，與理論分析結果一致。

2.3 采暖性能對比試驗

為了驗證整車密封性對采暖性能的影響，選取某款車型進行對比試驗，原狀態(tài)沒有考慮任何密封設計要求。優(yōu)化狀態(tài)增加了密封海綿條進行封堵，并匹配了主動進氣格柵，在采暖階段，主動進氣格柵通過邏輯控制實現(xiàn)全關閉，提高發(fā)動機艙的保溫性，提升水溫上升的速率。同時監(jiān)控了60 km/h車速下乘員艙內達到指定溫度的時間變化情況，試驗結果見表2。

根據(jù)表2可知，增加封堵與主動進氣格柵后，駕駛室內的采暖溫升速率較原狀態(tài)縮短了3 min以上，采暖性能提升較明顯，整車前端增加密封設計后對采暖性能起到了較大的優(yōu)化作用。

表2 乘員艙內達到指定溫度的時間對比數(shù)據(jù)

3 結束語

整車前端的密封設計對整車冷卻性能、空調性能、發(fā)艙熱流場及整車采暖升溫性能影響較大。密封設計不良會導致熱風回流、漏風，進風不足等問題，直接影響整車熱性能。為了彌補上述問題往往需要間接地提高零部件的性能指標，導致性能與成本的浪費。故在設計初期就應考慮整車前端的密封性能，并結合CFD分析工具進行密封效果確認，并根據(jù)分析結果進行整改優(yōu)化，以達到最優(yōu)的性能設計匹配。

參考文獻：

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