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主動進氣格柵有什麽作用呢?

2022-03-06汽車

答案在最前面:主要是熱管理+風阻,二者兼有。

這個問題有意思的地方在於, 這個技術從燃油時代到混動時期,意義已經開始出現了變化,從前主要的目的是熱管理,而今天的主要目的,是風阻。

熱管理的部份, @天馬行空 大哥寫得很詳細了,這部份原理就不多展開了。

很好理解:一個開放的機艙,和一個封閉的機艙,當然是後者的溫度更高,在需要保溫的時候更好用,可是過溫的時候就必須保持機艙的開放性,可開、可關,也就是主動進氣格柵的形態了。

格柵開放是常態,因此,「有選擇地關閉格柵」,是主動進氣格柵的目的。

基於熱管理的話,就做一些簡單的補充。

關閉格柵主要是兩種場景。

1.快速熱機;2.保溫。

快速熱機可以讓催化器迅速起燃,降低排放,也可以迅速提升機油溫度,使其工作在最佳的粘度,實作低摩擦效果,降低油耗,也可以讓發動機缸內維持在一個好的熱平衡,燃燒最優。有很多好處,再就是,如果你住在東北,采暖除霜的好處,不用多說的。

至於保溫,其目的在於,兩次駕駛迴圈(兩次點火)中間,如果間隔不太久,那麽保持水溫是很有意義的---下次啟動就不是冷啟動了,汽車可以快速進入一個好的工作狀態。

基於這樣的目的,其實很多論文對「發動機包裹」這個事情,是有專門研究的。機艙換熱的地方,其實主要就是前格柵、下方的油底殼,和引擎蓋的密封。

格柵因此衍生出了主動進氣格柵,但發動機+油底殼本身要做「絕熱保溫」是有代價的。因此它們只能被動「穿棉被」來保溫,卻無法主動脫下來。保溫的時候效果固然好,過熱的時候就非常尷尬。當然,油底殼包裹是有可行性的,也有車型這麽做---在熱負荷不大的機型,它們可以透過油冷器來解決油溫的問題,但是發動機本身是很難很難「穿棉被」了。

這種絕熱技術,在6小時左右的時長裏,其能夠維持的水溫,比普通情況下高個8-10℃---時間太短的話,開放型機艙也還沒涼透呢,時間太長,大家都涼透了,所以大概就是4-8小時這樣的間隔,最好用。

可是,8-10℃真的可以帶來很多收益嗎?

不見得,在熱機過程中,水溫上升8-10℃大概就是二三十秒的事情。

所以,主動進氣格柵對於保溫,沒那麽重要。

那麽,對於快速熱機來說呢?這就涉及到熱管理的精髓。

起初,在最早的燃油車時代,發動機熱效率還有很大上升空間的時候,大家不需要在「熱管理」這麽細節的地方吝嗇。但當大家的熱效率紛紛突破到了40%的這兩年,熱管理的意義就逐漸開始提升到一個新的水平。

燃油能量核心去處,主要是做功、排放、熱傳遞三個。

我們的目的是,後二者的耗能越少,那麽做功的比例就會提升,這就意味著熱效率的提升。

但換熱的過程是:水泵驅動冷卻液,把發動機熱量帶給散熱器。散熱器進行水和空氣的換熱,把熱量交給空氣。而風扇、格柵的作用,就在於最後這一環。

汽車的散熱問題,得看瓶頸在哪裏,如果前面的流量很小,只帶走一點點熱量都後面,後面換熱再強是沒有意義的,反之亦然。只有前面的換熱已經達到極限了,後者才有必要開始提升其效能。

也就是說,如果水泵根本就不工作,冷卻液不流動,所有的熱量都鎖死在發動機裏頭,那麽散熱器這裏是幾乎沒有換熱的,格柵開還是關,意義就不大了---此時它只有保溫的意義,降低的是發動機的表面散熱,可是發動機表面散熱的比例非常非常低,一般忽略不計。

那麽,要進行快速熱機,達成這個目的的技術導向就很清楚了:盡可能降低流量。

這個目的,由好幾種技術來實作:電子水泵EWP,和發動機轉速解耦,想要多少流量就給多少;熱管理模組,它類似於一個水龍頭,直接關掉支路,支路就不流通了。

這2項技術, 在17年以後出現的發動機裏頭,非常常見 ,因為對於熱效率,大家已經到了拼刺刀肉搏的時候了。可以說,它們的主要目的,也是快速熱機,至於所謂的精確熱管理,只占其作用的一半。基於「精確熱管理」的概念,風扇也有其無級可調的形態,也就是電子風扇。

到了這裏,就會發現,主動進氣格柵,處在整個熱管理最下遊的位置,也是價效比最低的位置。

這也是為什麽在 過去 ,主動進氣格柵很難大規模普及的原因,它只會出現在一些對成本沒那麽敏感的豪華級車型上, 去實作最後的錦上添花 而不是 那種對油耗排放 雪中送炭 的存在。

可為什麽現在這個技術開始重要了呢?

風阻。

舉個例子。比如XC40,有燃油版,有油改電版。一個很小的區別就在於,前格柵被封閉掉了。

封閉前格柵,幾乎是所有EV的特征---因為機艙沒有發動機,沒有那麽大的散熱需求了,於是就可以封閉。

再舉個EV的例子,比如這個:

再比如這個:

比如這個:

大體如此。

因為在解決風阻這個事情上,需要知道風阻的主要組成:摩擦力+壓差阻力。

我們平常會以為,風阻指的是空氣摩擦,這個只對了不到一半。流體的摩擦和我們意義上的機械摩擦不太一樣,機械摩擦,實際上是物體表面凹凸不平的互相咬合,這「咬合」會導致凹凸不平互相被「磨平」,這個過程有能量耗散,就是摩擦損失。

而流體在物體表面流動時,是分層的,接觸的部份,是薄薄的一個粘滯層,這種粘滯會導致一定程度上的能量損失。但這種「摩擦」實際上耗能非常小,而且只要有表面接觸,就無可避免。

我們說的「流線型」對風阻極其友好,才是「風阻」的本質。

流體在撞擊物體表面後會出現和物體的分離,此時會出現很多的渦旋,這種渦旋是流體能量耗散的主要部份。前方還沒耗能,壓力比較高,後方耗能後,壓力降低了,前後有壓差,就形成了一股與汽車運動方向相反的阻力,這個才是風阻的核心。

水滴之類的「流線型」,真正要解決的問題,也是這個「壓差阻力」。

而前格柵如果是開放型的,將破壞「流線型」的形狀,因此對於風阻的影響,非常重要。

EV由於續航是非常重要的一個參數,能在外形這種「靜態」設計上實作「節能」的,當然說幹就幹了。於是幾乎所有的EV,都會考慮「封閉格柵」這個問題。

那麽,新的問題,就來了。

混動汽車,怎麽辦?

特別是,在燃油車集體要向混動轉型的這幾年,怎麽辦?

未來3-5年,所有廠家都會面臨這樣一個過程:燃油計畫全部混動化,混動就像當年的VVL、缸內直噴、米勒迴圈等等一樣的技術,被切實地落在燃油車型上。

混動汽車,可以說就是今天燃油汽車的新形態。

那麽,它即有EV模式,也有發動機工作的串聯、並聯模式。

前者講究續航,發動機不工作,格柵是可以封閉用來降低風阻的。

後者發動機工作了,就需要散熱,格柵是必須要開啟的。

此外,由於混動汽車發動機工作的時間不多,熱負荷沒那麽高,還啟停頻繁,在這種「熱量」輸出遠遠低於燃油車的情況下,「保溫」就很有意義了,比如HEV,在EV模式下連開了5公裏,再次啟動發動機,保溫很有意義了。

咦,前面不是說,保溫提升個8-10℃就差那麽幾十秒意義不大嗎?這又是另一回事了。

燃油車的發動機,冷啟動後就是一直工作的,因此每次「保溫」,每天也就那麽1-2次有用。覆蓋的時間很少。而混動啟停非常頻繁,你從家開到公司通勤,一路上可能就有二十幾次,一天就可能有四五十次,積少成多,意義就不一樣了。

而且,寒區的時候,有沒有主動進氣格柵,混動汽車的采暖效果(混動平均熱負荷實在太低了),能差一檔。

這個時候,它就不再是一個「價效比很低」的雞肋技術,而是一個相當劃算、實用的技術。

可以說主動進氣格柵這項技術,見證了一個歷史性的變化,見證了燃油時代,向電氣化混動時代變化的過程。