答案在最前面:主要是热管理+风阻,二者兼有。
这个问题有意思的地方在于, 这个技术从燃油时代到混动时期,意义已经开始出现了变化,从前主要的目的是热管理,而今天的主要目的,是风阻。
热管理的部分, @天马行空 大哥写得很详细了,这部分原理就不多展开了。
很好理解:一个开放的机舱,和一个封闭的机舱,当然是后者的温度更高,在需要保温的时候更好用,可是过温的时候就必须保持机舱的开放性,可开、可关,也就是主动进气格栅的形态了。
格栅开放是常态,因此,「有选择地关闭格栅」,是主动进气格栅的目的。
基于热管理的话,就做一些简单的补充。
关闭格栅主要是两种场景。
1.快速热机;2.保温。
快速热机可以让催化器迅速起燃,降低排放,也可以迅速提升机油温度,使其工作在最佳的粘度,实现低摩擦效果,降低油耗,也可以让发动机缸内维持在一个好的热平衡,燃烧最优。有很多好处,再就是,如果你住在东北,采暖除霜的好处,不用多说的。
至于保温,其目的在于,两次驾驶循环(两次点火)中间,如果间隔不太久,那么保持水温是很有意义的---下次启动就不是冷启动了,汽车可以快速进入一个好的工作状态。
基于这样的目的,其实很多论文对「发动机包裹」这个事情,是有专门研究的。机舱换热的地方,其实主要就是前格栅、下方的油底壳,和引擎盖的密封。
格栅因此衍生出了主动进气格栅,但发动机+油底壳本身要做「绝热保温」是有代价的。因此它们只能被动「穿棉被」来保温,却无法主动脱下来。保温的时候效果固然好,过热的时候就非常尴尬。当然,油底壳包裹是有可行性的,也有车型这么做---在热负荷不大的机型,它们可以通过油冷器来解决油温的问题,但是发动机本身是很难很难「穿棉被」了。
这种绝热技术,在6小时左右的时长里,其能够维持的水温,比普通情况下高个8-10℃---时间太短的话,开放型机舱也还没凉透呢,时间太长,大家都凉透了,所以大概就是4-8小时这样的间隔,最好用。
可是,8-10℃真的可以带来很多收益吗?
不见得,在热机过程中,水温上升8-10℃大概就是二三十秒的事情。
所以,主动进气格栅对于保温,没那么重要。
那么,对于快速热机来说呢?这就涉及到热管理的精髓。
起初,在最早的燃油车时代,发动机热效率还有很大上升空间的时候,大家不需要在「热管理」这么细节的地方吝啬。但当大家的热效率纷纷突破到了40%的这两年,热管理的意义就逐渐开始提升到一个新的水平。
燃油能量核心去处,主要是做功、排放、热传递三个。
我们的目的是,后二者的耗能越少,那么做功的比例就会提升,这就意味着热效率的提升。
但换热的过程是:水泵驱动冷却液,把发动机热量带给散热器。散热器进行水和空气的换热,把热量交给空气。而风扇、格栅的作用,就在于最后这一环。
汽车的散热问题,得看瓶颈在哪里,如果前面的流量很小,只带走一点点热量都后面,后面换热再强是没有意义的,反之亦然。只有前面的换热已经达到极限了,后者才有必要开始提升其性能。
也就是说,如果水泵根本就不工作,冷却液不流动,所有的热量都锁死在发动机里头,那么散热器这里是几乎没有换热的,格栅开还是关,意义就不大了---此时它只有保温的意义,降低的是发动机的表面散热,可是发动机表面散热的比例非常非常低,一般忽略不计。
那么,要进行快速热机,达成这个目的的技术导向就很清楚了:尽可能降低流量。
这个目的,由好几种技术来实现:电子水泵EWP,和发动机转速解耦,想要多少流量就给多少;热管理模块,它类似于一个水龙头,直接关掉支路,支路就不流通了。
这2项技术, 在17年以后出现的发动机里头,非常常见 ,因为对于热效率,大家已经到了拼刺刀肉搏的时候了。可以说,它们的主要目的,也是快速热机,至于所谓的精确热管理,只占其作用的一半。基于「精确热管理」的概念,风扇也有其无级可调的形态,也就是电子风扇。
到了这里,就会发现,主动进气格栅,处在整个热管理最下游的位置,也是性价比最低的位置。
这也是为什么在 过去 ,主动进气格栅很难大规模普及的原因,它只会出现在一些对成本没那么敏感的豪华级车型上, 去实现最后的锦上添花 , 而不是 那种对油耗排放 雪中送炭 的存在。
可为什么现在这个技术开始重要了呢?
风阻。
举个例子。比如XC40,有燃油版,有油改电版。一个很小的区别就在于,前格栅被封闭掉了。
封闭前格栅,几乎是所有EV的特征---因为机舱没有发动机,没有那么大的散热需求了,于是就可以封闭。
再举个EV的例子,比如这个:
再比如这个:
比如这个:
大体如此。
因为在解决风阻这个事情上,需要知道风阻的主要组成:摩擦力+压差阻力。
我们平常会以为,风阻指的是空气摩擦,这个只对了不到一半。流体的摩擦和我们意义上的机械摩擦不太一样,机械摩擦,实际上是物体表面凹凸不平的互相咬合,这「咬合」会导致凹凸不平互相被「磨平」,这个过程有能量耗散,就是摩擦损失。
而流体在物体表面流动时,是分层的,接触的部分,是薄薄的一个粘滞层,这种粘滞会导致一定程度上的能量损失。但这种「摩擦」实际上耗能非常小,而且只要有表面接触,就无可避免。
我们说的「流线型」对风阻极其友好,才是「风阻」的本质。
流体在撞击物体表面后会出现和物体的分离,此时会出现很多的涡旋,这种涡旋是流体能量耗散的主要部分。前方还没耗能,压力比较高,后方耗能后,压力降低了,前后有压差,就形成了一股与汽车运动方向相反的阻力,这个才是风阻的核心。
水滴之类的「流线型」,真正要解决的问题,也是这个「压差阻力」。
而前格栅如果是开放型的,将破坏「流线型」的形状,因此对于风阻的影响,非常重要。
EV由于续航是非常重要的一个参数,能在外形这种「静态」设计上实现「节能」的,当然说干就干了。于是几乎所有的EV,都会考虑「封闭格栅」这个问题。
那么,新的问题,就来了。
混动汽车,怎么办?
特别是,在燃油车集体要向混动转型的这几年,怎么办?
未来3-5年,所有厂家都会面临这样一个过程:燃油项目全部混动化,混动就像当年的VVL、缸内直喷、米勒循环等等一样的技术,被切实地落在燃油车型上。
混动汽车,可以说就是今天燃油汽车的新形态。
那么,它即有EV模式,也有发动机工作的串联、并联模式。
前者讲究续航,发动机不工作,格栅是可以封闭用来降低风阻的。
后者发动机工作了,就需要散热,格栅是必须要打开的。
此外,由于混动汽车发动机工作的时间不多,热负荷没那么高,还启停频繁,在这种「热量」输出远远低于燃油车的情况下,「保温」就很有意义了,比如HEV,在EV模式下连开了5公里,再次启动发动机,保温很有意义了。
咦,前面不是说,保温提升个8-10℃就差那么几十秒意义不大吗?这又是另一回事了。
燃油车的发动机,冷启动后就是一直工作的,因此每次「保温」,每天也就那么1-2次有用。覆盖的时间很少。而混动启停非常频繁,你从家开到公司通勤,一路上可能就有二十几次,一天就可能有四五十次,积少成多,意义就不一样了。
而且,寒区的时候,有没有主动进气格栅,混动汽车的采暖效果(混动平均热负荷实在太低了),能差一档。
这个时候,它就不再是一个「性价比很低」的鸡肋技术,而是一个相当划算、实用的技术。
可以说主动进气格栅这项技术,见证了一个历史性的变化,见证了燃油时代,向电气化混动时代变化的过程。