童 元， 漆 杰， 孙孟超， 赵少锋， 王 文

(安徽江淮汽车集团股份有限公司 技术中心， 合肥 230601)

乘用车的发动机舱前端集成有冷却系统的热交换器与空调系统的冷凝器，故整车前端的流场好坏对上述系统的性能有非常大的影响。汽车低速行驶时发动机舱内存在3种回流，即从车外部回流到车头前方的外部回流、车内部绕过前端部件回流到冷却部件前方的内部回流以及空调冷凝器和发动机散热器内部来回流动的内部回流。相关研究表明，发动机舱内热空气回流会严重影响发动机冷却与空调系统的性能[1]。同时，漏风与热空气回流也会影响发舱内的保温性，间接影响整车的采暖性能。

为解决上述问题，本文通过CFD软件对整车前端流场进行分析[2]，同时提出相应的整改方案，并通过试验验证，对整车前端密封设计提出相应的修改方案。

1 密封影响分析

1.1 密封性对冷却系统的影响

整车前端密封不良会导致热风回流[3]，影响冷却系统进风效率，使发动机舱内高温部件散热不足，引起舱内温度过高，直接影响汽车的动力性和燃油经济性。且发动机舱散热效率下降，会导致发动机可靠性下降、零件磨损加剧及热量不平衡等问题[4]。

冷却系统的进风主要来源于整车前端的格栅开口进风[5]，格栅处的进风量对冷却系统的散热起到了至关重要的作用[6]，在冷却部件与格栅之间增加聚风板结构可以优化整车进风量[7]。现选取某一车型的发动机舱模型，运用starccm+分析软件，对比其在有、无聚风板两种状态的进风量，如图1和图2所示。

图1 60 km/h速度云图对比(Z=360 mm)

图2 怠速速度云图对比(Z=360 mm)

由图1和图2可知，车辆在60 km/h没有聚风板的情况下行驶时，格栅进风从两侧大量逃逸；怠速没有聚风板时，大量热空气从两侧回流至冷却部件前。以上的进风逃逸与热风回流，直接影响了冷却部件的冷却效果。对比增加聚风板后的状态得知，发动机散热器进风量提升了15%～30%[8]，同时，冷却部件前的进风温度有所降低，整个冷却性能得到较大提升。

1.2 密封性对空调系统的影响分析

由于空调冷凝器与发动机的散热交换器一般在整车前端为串联设计，所以整车前端密封不良将导致进风量不足，热风回流，影响空调冷凝器散热，直接造成空调制冷性能不良，引起顾客抱怨[9]。为解决上述问题，除了增加聚风板之外，还需在空调冷凝器与发动机散热器之间增加密封件，运用starccm+软件进行模拟后可知，怠速工况下增加密封海绵条进行封堵后，该车型冷凝器前的气流速度提升了约5%，进气温度有所降低，整个空调系统的性能又有了进一步的提升。

1.3 密封性对整车采暖的影响分析

在我国某些地区，冬季平均气温在-28～-8 ℃,客户对车辆采暖需求强烈。现阶段车辆的采暖性能主要依赖于发动机的水温温升速率，温升速率越快，采暖性能越好。影响水温温升速率的因素有发动机热损失、乘员舱热损失、冷却循环热损失以及发动机舱热损失等。在车辆怠速与行驶过程中，车前的冷空气会通过冷却部件进入发动机舱内部，影响发动机舱的保暖与温升，增加发动机舱的热损失。为了解决上述问题，可以对格栅进行改进设计，增配主动进气格栅，同时配合其他密封结构对整车前端进行完全密封，减少发动机舱的热损失。

1.4 密封整改方案

根据上述理论分析结果，需要在冷却模块与前格栅之间增加聚风板，冷却部件、空调部件与周边部件之间增加密封结构：

1) 对采暖有特别要求的车型可匹配主动进气格栅。主动进气格栅是通过发动机水温、机油温度、空调系统状态、进气温度等信息，依靠控制电机实现进气格栅的百叶片开启一定角度或者关闭的装置。通过与ECU建立通讯，在整车怠速及低速阶段控制进气格栅全关闭，同时配合其他密封结构使车前完全密闭，防止冷空气进入发动机舱，可以较大地提高发动机的水温温升速率，从而提升整车采暖性能。

2) 整车前端各模块之间均需有相应的密封结构。前格栅与空调系统、冷却系统部件之间推荐用聚风板密封；空调与冷却系统之间以及系统内部都可用带软边的聚风板延伸结构进行密封，也可使用透气性较差的EPDM海绵配合粘合剂进行密封，原则上保证空气只能通过冷凝器与散热器的芯子部分，将其他部分均密封住，防止产生漏风与热风回流，如图3所示。

图3 各系统间密封示意图

3) 整车聚风板的前端边缘建议与格栅开口边缘相重合，无用部分进行封堵。整车格栅的有效开口直接决定整车进风量的大小，在造型符合的前提下，尽量增加格栅开度，可通过聚风板导风，最大限度地利用进风；同时，为了防止过大的进风面积增加整车风阻，聚风板的边缘需与有效格栅开口边缘重合，并封堵无效的进风面积，降低整车风阻，如图4所示。

图4 造型封堵示意图

4) 特征设计时多使用圆弧、斜角过渡。在对聚风板、导风结构进行特征设计时要多使用圆弧、斜角等过渡形式，避免使用直角的过渡形式，后者会造成气流在特征处形成涡流、紊流，影响进风效果。

2 密封设计的试验验证

2.1 增加聚风板冷却性能试验对比

根据理论分析，增加聚风板后冷却模块前端进风量增加15%～30%，为了验证增加的风量对冷却性能的影响情况，选取某一车型进行对比验证。验证工况选取了较常见的低速爬坡工况与高速行驶工况[10]，在同一转毂进行模拟试验，具体试验结果如表1所示。

根据表1可知，增加聚风板后整车冷却性能均有提升，其中低速爬坡工况原状态水温较高，有一定风险，增加聚风板后水温下降了3.3 ℃，较为适宜。高速行驶工况水温下降了2 ℃，也有一定提升。

表1 有无聚风板冷却性能试验结果

2.2 空调密封性能试验

参考CFD软件分析结果，增加聚风板与密封海绵条进行全封堵后，空调系统的进风量较原状态会有进一步的提升。现选取上述试验车辆，分别对比无封堵与聚风板加密封海绵条全封堵后的实车状态。为了全面监控对比两者差异，在整车前端空调模块处布置了多处温度传感器测试点监测空调模块的进风温度，并监控对比两种状态怠速工况下驾驶室内出风口温度值，具体试验结果如图5所示。

(a)封堵前后空调进风温度平均值对比

(b)封堵前后驾驶室内出风口温度

对比图5可知，增加密封设计的实车空调模块处进风温度较原状态降低了15 ℃～20 ℃，出风口温度降低了5 ℃，空调整体性能提升较明显，与理论分析结果一致。

2.3 采暖性能对比试验

为了验证整车密封性对采暖性能的影响，选取某款车型进行对比试验，原状态没有考虑任何密封设计要求。优化状态增加了密封海绵条进行封堵，并匹配了主动进气格栅，在采暖阶段，主动进气格栅通过逻辑控制实现全关闭，提高发动机舱的保温性，提升水温上升的速率。同时监控了60 km/h车速下乘员舱内达到指定温度的时间变化情况，试验结果见表2。

根据表2可知，增加封堵与主动进气格栅后，驾驶室内的采暖温升速率较原状态缩短了3 min以上，采暖性能提升较明显，整车前端增加密封设计后对采暖性能起到了较大的优化作用。

表2 乘员舱内达到指定温度的时间对比数据

3 结束语

整车前端的密封设计对整车冷却性能、空调性能、发舱热流场及整车采暖升温性能影响较大。密封设计不良会导致热风回流、漏风，进风不足等问题，直接影响整车热性能。为了弥补上述问题往往需要间接地提高零部件的性能指标，导致性能与成本的浪费。故在设计初期就应考虑整车前端的密封性能，并结合CFD分析工具进行密封效果确认，并根据分析结果进行整改优化，以达到最优的性能设计匹配。

参考文献：

[1] 袁狭义,谷正气,杨易,等.汽车发动机舱散热的数值仿真分析[J].汽车工程,2009,31(9):843-847.

[2] 潘乐燕.汽车前端冷却模块流场模拟与试验研究[J].制冷技术,2011，31(2):19-22.

[3] 张坤,王玉璋,杨小玉.应用CFD方法改善发动机舱散热性能[J].汽车工程,2011,33(4):314-317.

[4] 薛海亮,刘瑞军.发动机冷却系统的改进[J].农业装备与车辆工程,2016,54(4):59-62.

[5] 邵世婷,周健.格栅对发动机冷却模块性能影响的模拟与试验分析:中国汽车工程学会年会论文集[C].北京:机械工业出版社,2010．

[6] 殷红敏,赵民,漆杰,等.进风面积对发动机冷却系统的影响研究:安徽汽车工程学会学术年会论文集[C].合肥:合肥工业大学出版社,2010.

[7] 王东,韩钰.汽车发动机舱散热性能的研究与优化[J].汽车技术,2015，46(12):34-40.

[8] 胡远忠,刘传波.微型汽车冷却系统进风效率优化研究[J].机械设计与制造,2014，52(6):224-226.

[9] 聂盛明,艾昆仑,付郁涵.汽车空调部件及系统性能的优化策略研究[J].科技展望,2015，13(15)：63.

[10] 陈强.汽车冷却系统的匹配计算研究[J].农业装备与车辆工程,2016,54(7)：86-88.