汽車(chē)熱管理綜述

1、汽車(chē)熱管理現(xiàn)狀發(fā)展綜述自從汽車(chē)產(chǎn)生以來(lái)，排放以及燃油經(jīng)濟(jì)性有關(guān)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)陸續(xù)應(yīng)用到了內(nèi)燃機(jī)上，汽車(chē)性能得到了明顯的改善。在內(nèi)燃機(jī)燃燒系統(tǒng)、氣體熱交換系統(tǒng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展與改進(jìn)方面，我們都花費(fèi)了大量的精力。為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，但是，在之后的35年，我們都在發(fā)動(dòng)機(jī)及其動(dòng)力總成上花費(fèi)了很大的精力，收獲卻越來(lái)越小，成本越來(lái)越高。幸運(yùn)的是，現(xiàn)代工業(yè)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并探索出了“最后的領(lǐng)地”汽車(chē)熱管理。何為汽車(chē)熱管理系統(tǒng)？汽車(chē)熱管理系統(tǒng)是從系統(tǒng)集成和整體角度出發(fā)，統(tǒng)籌熱量與發(fā)動(dòng)機(jī)及整車(chē)之間的關(guān)系，采用綜合手段控制和優(yōu)化熱量傳遞的系統(tǒng)。先進(jìn)的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須同時(shí)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)與潤(rùn)滑系統(tǒng)、暖通空調(diào)系統(tǒng)

2、（HVAC）以及發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)外的相互影響，采用系統(tǒng)化、模塊化設(shè)計(jì)方法將這些系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)集成、制造集成，集成為一個(gè)有效的熱管理系統(tǒng)。其必須能根據(jù)行車(chē)工況和環(huán)境條件，自動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻強(qiáng)度以保持相應(yīng)的部件在最佳的溫度范圍內(nèi)工作，改善汽車(chē)各方面的性能，例如燃油經(jīng)濟(jì)型、駕駛舒適性等。因此，開(kāi)發(fā)高效可靠的汽車(chē)熱管理系統(tǒng)已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步提高功率、改善經(jīng)濟(jì)性所必須突破的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。因此采用先進(jìn)的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，應(yīng)用汽車(chē)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和手段，對(duì)汽車(chē)熱管理系統(tǒng)進(jìn)行深入研究具有十分重要的意義。1. 國(guó)內(nèi)汽車(chē)熱管理系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)作為發(fā)動(dòng)機(jī)正常穩(wěn)定運(yùn)行的重要輔助系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)學(xué)者和企業(yè)對(duì)其研究一直在不斷地深

3、入和擴(kuò)展。在燃燒放熱，活塞、缸套、氣缸蓋溫度場(chǎng)與熱負(fù)荷，缸內(nèi)氣體流動(dòng)與傳熱，散熱器設(shè)計(jì)，風(fēng)扇設(shè)計(jì)優(yōu)化，排氣系統(tǒng)傳熱等方面做了大量的研究工作。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)汽車(chē)整車(chē)或者整機(jī)的熱管理研究并不成熟，還處于初級(jí)階段。國(guó)內(nèi)對(duì)整車(chē)或者整機(jī)的研究主要集中在某幾個(gè)高校，如同濟(jì)大學(xué)、浙江大學(xué)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)等；而只有幾所高校研究發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)熱管理，并且還處于起步階段；而對(duì)于整車(chē)的熱管理研究，國(guó)內(nèi)幾乎沒(méi)有可以承擔(dān)的。國(guó)內(nèi)大部分企業(yè)主要針對(duì)某些零部件做單一的研究，并沒(méi)有把部件統(tǒng)一起來(lái)作為整體來(lái)考慮。對(duì)于小型轎車(chē)來(lái)說(shuō)，冷卻系統(tǒng)趨于向高性能方向發(fā)展，電控應(yīng)用技術(shù)越來(lái)越多；但是對(duì)于重型車(chē)輛來(lái)說(shuō)，改變并不是很大。重型

4、汽車(chē)熱管理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)在過(guò)去的4050年里變化不大，有些部件(冷卻液泵和節(jié)溫器)的設(shè)計(jì)基本上沒(méi)改變過(guò)。傳統(tǒng)的節(jié)溫器通常采用的是注蠟式節(jié)溫器，它只能在一定的冷卻液溫度(80一85)內(nèi)進(jìn)行單點(diǎn)控制(節(jié)溫器在85時(shí)開(kāi)啟，80時(shí)關(guān)閉)，不能滿(mǎn)足未來(lái)的冷卻系統(tǒng)對(duì)冷卻液流量精確控制的要求。研究表明。在25大氣溫度時(shí)，路上運(yùn)行的負(fù)載車(chē)輛，其節(jié)溫器打開(kāi)(大循環(huán))時(shí)間僅占總時(shí)間的10。另外，也是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)制造商僅對(duì)節(jié)溫器和冷卻液泵有具體的要求，而汽車(chē)制造商對(duì)風(fēng)扇和散熱器有特殊的要求。所以，這種傳統(tǒng)的彼此分開(kāi)的熱管理設(shè)計(jì)無(wú)法使系統(tǒng)最優(yōu)國(guó)內(nèi)郭新民等對(duì)裝載機(jī)冷卻系統(tǒng)控制裝置進(jìn)行了研究，該發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中的風(fēng)扇和水泵由

5、液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，利用單片機(jī)根據(jù)冷卻水溫度的變化調(diào)節(jié)電磁比例溢流閥的溢流量以實(shí)現(xiàn)冷卻風(fēng)扇和水泵轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果，我們可得出，低溫預(yù)熱時(shí)，該控制裝置可使預(yù)熱時(shí)間減少50%，提高了暖及速度，預(yù)熱階段節(jié)約燃油43%。另外，還有張釗等對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)電控冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)和仿真計(jì)算，最后結(jié)果表明，先進(jìn)的智能化電控冷卻系統(tǒng)技術(shù)，可使發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下均能工作在最佳溫度范圍，大幅度提高冷卻系統(tǒng)效能，減小泵損失，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。而廠家，也有單位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理投入了很大了精力。2007年，鄭州宇通集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的客車(chē)采用了發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù)，能夠精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度（8695

6、6;），行駛百公里可以節(jié)約燃油5%10%。另外，濰柴也對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理也在進(jìn)行相關(guān)的研究。另外，有一點(diǎn)我們值得注意，就是我們國(guó)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)條件還不完善。只有某幾所大學(xué)可能才有最基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)條件。大部分高校或者企業(yè)并沒(méi)有完整的熱管理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。例如，清華大學(xué)建設(shè)有國(guó)內(nèi)第一個(gè)汽車(chē)熱管理系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)。該試驗(yàn)平臺(tái)為汽車(chē)熱管理，特別是燃料電池汽車(chē)熱管理的技術(shù)研究提供相應(yīng)的平臺(tái)技術(shù)支持。同濟(jì)大學(xué)倪計(jì)民等建立了發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)平臺(tái)包括駕駛室取暖器、節(jié)氣門(mén)加熱裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)罩等，結(jié)構(gòu)與整車(chē)相同可以研究熱管理系統(tǒng)中各部件的工作特性，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)各種工況的熱性能試驗(yàn)研究。浙江大學(xué)譚建勛等進(jìn)行了工程機(jī)械熱管理系統(tǒng)

7、試驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。該試驗(yàn)平臺(tái)能夠較準(zhǔn)確地測(cè)量系統(tǒng)各部件熱特性參數(shù)，同時(shí)也可以評(píng)價(jià)整車(chē)的冷卻系統(tǒng)性能，優(yōu)化整車(chē)的散熱系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)。而真正這對(duì)于我們內(nèi)燃機(jī)車(chē)的整車(chē)熱管理還是幾乎沒(méi)有，所以發(fā)展道路任重而道遠(yuǎn)。汽車(chē)熱管理系統(tǒng)主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻和溫度控制，其中包括對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)油、潤(rùn)滑油、增壓空氣、燃料、電子裝置以及排氣再循環(huán)（EGR）的冷卻和對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙及駕駛室的溫度控制等。而發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理在國(guó)內(nèi)相對(duì)整車(chē)熱管理來(lái)說(shuō)研究比較多；對(duì)于整車(chē)的熱管理研究，由于限于試驗(yàn)條件及技術(shù)原因，在國(guó)內(nèi)還幾乎沒(méi)有。研究方向主要集中于整機(jī)的熱管理系統(tǒng)，2 發(fā)動(dòng)整機(jī)熱管理研究2.1發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理研究存在的問(wèn)題發(fā)動(dòng)機(jī)按冷卻方式可以分為水

8、冷發(fā)動(dòng)機(jī)和風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)；水冷發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻效果好，是最常用的。而風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用于沙漠地區(qū)的軍用車(chē)輛上，應(yīng)用并不廣泛。因此，以下主要介紹水冷發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理研究現(xiàn)狀。 水冷發(fā)動(dòng)機(jī)通常采用閉式強(qiáng)制循環(huán)冷卻系統(tǒng)，主要由冷卻水套、水泵、風(fēng)扇、散熱器、節(jié)溫器、循環(huán)管路等組成。由于組成冷卻系統(tǒng)的部件眾多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加上發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的多樣性，其影響因素也是多方面的?？傮w上來(lái)說(shuō)，影響因素主要包括以下幾個(gè)方面：循環(huán)冷卻水量、冷卻空氣流量、冷卻水道結(jié)構(gòu)和散熱效率。而現(xiàn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻結(jié)構(gòu)基本上還是幾十年前的結(jié)構(gòu)，并沒(méi)有大的變化，如圖1。大部分發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)還是傳統(tǒng)的被動(dòng)系統(tǒng)，只能有限地調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車(chē)的熱分布狀態(tài)

9、，不能精確控制循環(huán)冷卻液量和冷卻空氣流量，因此也不能使發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)部件工作在最佳溫度范圍內(nèi)。如圖1所示，冷卻系統(tǒng)的風(fēng)扇和水泵還是由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此，冷卻介質(zhì)流量要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這些都導(dǎo)致了系統(tǒng)不能按照發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際的冷卻需求供給冷卻介質(zhì)，從而導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況惡劣，燃油消耗高，排放量大等。另外，在發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理研究中，國(guó)內(nèi)大部分廠家并沒(méi)有從整體考慮整機(jī)的熱管理。他們把冷卻系統(tǒng)與潤(rùn)滑系統(tǒng)分離開(kāi)來(lái)考慮，而不是從系統(tǒng)集成及整體角度出發(fā)來(lái)控制和優(yōu)化熱量傳遞過(guò)程，使得能量利用率較低。同時(shí)還會(huì)造成大負(fù)荷時(shí)關(guān)鍵部件冷卻不足、中小負(fù)荷時(shí)冷卻過(guò)度，以及發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后關(guān)鍵部件溫度過(guò)高的等問(wèn)題。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)熱管

10、理系統(tǒng)這就對(duì)現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)提出了更高的要求，即能滿(mǎn)足汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)在各種工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的需要，還能保證關(guān)鍵區(qū)域具有足夠的冷卻強(qiáng)度，另外還要降低整機(jī)的散熱量，減小對(duì)整機(jī)熱管理系統(tǒng)的散熱要求。圖1. 傳統(tǒng)的汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)2.2 現(xiàn)代汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)熱管理研究方向 對(duì)于單獨(dú)的冷卻系統(tǒng)主要研究的是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻部件的散熱情況，而發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理則涉及發(fā)動(dòng)機(jī)全系統(tǒng)及整車(chē)。將冷卻系統(tǒng)研究整合到發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理中，能充分考慮冷卻系統(tǒng)對(duì)整車(chē)性能的影響，將冷卻系統(tǒng)的效率提高到最理想值，最大限度地發(fā)揮冷卻系統(tǒng)的功用。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理主要從以下幾個(gè)方面來(lái)介紹。2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化也就是改進(jìn)水套的結(jié)構(gòu)，使冷卻液的流動(dòng)分布最優(yōu)

11、化。下面主要介紹兩種應(yīng)用，即“精密冷卻”和“分流式”系統(tǒng)?！熬芾鋮s”是近十幾年提出才提出的新名詞；它最早是Cloudh M.J是1992年提出的，即能利以達(dá)到最佳的溫度分配用最少的冷卻。而精密冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于確定冷卻水套的尺寸，選擇匹配的冷卻水泵，保證系統(tǒng)的散熱能力能夠滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)低速大負(fù)荷時(shí)關(guān)鍵區(qū)域工作溫度的需要。熱關(guān)鍵區(qū)域需要接受強(qiáng)烈的冷卻，同時(shí)非關(guān)鍵區(qū)域要依賴(lài)于汽缸蓋與機(jī)體的結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)，這會(huì)導(dǎo)致更多的溫度分布，減少熱應(yīng)力并且縮小汽缸與汽缸之間的溫度差異。而精密冷卻對(duì)于汽油機(jī)來(lái)說(shuō)，其潛在的優(yōu)勢(shì)是較低的摩擦，更快的加熱，爆震阻力加大以及氣缸與氣缸之間溫度差異性更?。蛔罱K來(lái)說(shuō)，它降低了

12、燃油消耗和排放。另外，通過(guò)研究表明，采用精確冷卻系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，在整個(gè)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，冷卻液流量能降低40%，尤其適用于機(jī)體內(nèi)縱向流的動(dòng)的精密冷卻。還有一點(diǎn)要注意，由于抗爆性的改進(jìn)和鋁制汽缸蓋的廣泛應(yīng)用，因此相比柴油機(jī)而言，精密冷卻更適合于汽油機(jī)。圖2.發(fā)動(dòng)機(jī)精密冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用 除了“精密冷卻”理念,另外還有一種著名的理念，即分流式冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這也是國(guó)外提出的。主要思想就是，把汽缸蓋和汽缸體劃分為不同的冷卻回路，也使得它們具有不同的溫度。我們希望發(fā)動(dòng)機(jī)理想的工作狀態(tài)時(shí)，汽缸蓋溫度低而汽缸體溫度高。這是因?yàn)檩^低的汽缸蓋溫度有利于進(jìn)氣和改善排放，二較高的汽缸體溫度有利于減低摩擦損失，改善燃油經(jīng)濟(jì)性

13、。簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，就是分流式冷卻系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于使發(fā)動(dòng)機(jī)各部分在最優(yōu)的溫度設(shè)定點(diǎn)工作，達(dá)到較高的冷卻效率。無(wú)論是精確冷卻系統(tǒng)還是分流式冷卻系統(tǒng)，都要求對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套進(jìn)行必要的改進(jìn)以?xún)?yōu)化冷卻液流動(dòng)，同時(shí)還需要相應(yīng)的程序進(jìn)行控制才能達(dá)到最佳效果。從設(shè)計(jì)和使用角度看，分流式冷卻和精確冷卻相結(jié)合具有很好的發(fā)展前景，有利于形成理想的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度分布，滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)未來(lái)冷卻系統(tǒng)的要求。2.2.2 智能化控制采用電子驅(qū)動(dòng)級(jí)控制冷卻水泵、風(fēng)扇、節(jié)溫器等部件，可以通過(guò)傳感器和電子芯片根據(jù)實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度控制運(yùn)行，提供最佳的冷卻介質(zhì)流量，實(shí)現(xiàn)熱管理系統(tǒng)控制智能化，降低能耗，提高效率。國(guó)外Valeo Engine Cool

14、ing（VEC）公司在1992年開(kāi)發(fā)出了一種由電控水泵、電控節(jié)溫器和電動(dòng)風(fēng)扇組成的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)；該系統(tǒng)可以節(jié)省燃油5%，降低HC排放10%，但氮氧化物排放增加10%-20%，原因是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度升高致使燃燒溫度升高。另外，他們?cè)?999年又提出了在發(fā)動(dòng)機(jī)上配置一種名為T(mén)HEMIS的先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)，其主要部件包括電控水泵。電控節(jié)溫器和電控風(fēng)扇，其中風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速根據(jù)冷卻液溫度和空氣調(diào)節(jié)循環(huán)參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)，從而能夠降低噪聲和燃料消耗。不光各方面的性能都得到了提高，同時(shí)氮氧化合物水平也保持不變。另外，Paget等在一輛中型軍用貨車(chē)上安裝了先進(jìn)的熱管理系統(tǒng)。系統(tǒng)主要部件集中安裝在駕駛艙后側(cè)的熱管理系

15、統(tǒng)模塊艙(駕駛室影響模塊艙進(jìn)氣)中，艙內(nèi)包括動(dòng)力系統(tǒng)的散熱器、水冷中冷器的散熱器、混合水箱、電控風(fēng)扇、電控水泵和電控節(jié)溫器，而中冷器和機(jī)油冷卻器位于動(dòng)力系統(tǒng)附近。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)采用PID控制，動(dòng)力系統(tǒng)的冷卻液溫度控制比較精確，波動(dòng)小于5，暖機(jī)時(shí)變速器機(jī)油升溫到80時(shí)間減少約50穩(wěn)定狀態(tài)燃油經(jīng)濟(jì)性改善520。 當(dāng)然，國(guó)內(nèi)也有些公司在這方面做了一些研究，但是只是處于初步階段。如上文說(shuō)的鄭州宇通集團(tuán)有限公司就采用了發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù)。 總體來(lái)說(shuō)，智能化熱管理系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)是熱管理系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的匹配的技術(shù)以及系統(tǒng)優(yōu)化控制策略的選擇問(wèn)題。系統(tǒng)仿真分析表明系統(tǒng)仿真分析表明，熱管理系統(tǒng)效率很大程度

16、上依賴(lài)于系統(tǒng)優(yōu)化控制策略，控制對(duì)象包括水泵轉(zhuǎn)速、電控節(jié)溫器閥門(mén)開(kāi)度以及冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等?？梢愿鶕?jù)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作和試驗(yàn)情況，依據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化原則來(lái)制定智能化電控?zé)峁芾硐到y(tǒng)控制策略。使發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下均工作在最佳溫度范圍，縮短暖機(jī)和駕駛艙升溫時(shí)間。提高發(fā)動(dòng)機(jī)后冷卻和駕駛艙后加熱能力。2.2.2 新型材料的應(yīng)用 目前，汽車(chē)熱管理材料比較單一，散熱材料多為銅、鋁及鋁合金，冷卻介質(zhì)只要是水和乙二醇混合物。傳統(tǒng)散熱器的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)趨于極限，因此需要一種全新的高效冷卻理念來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻性能的極大改善。而納米流體作為散熱器的冷卻介質(zhì)冷卻潛力巨大，石墨泡沫液為汽車(chē)提供了全新的熱管理材料。而新材料的應(yīng)用最終目的還是為

17、了提高零部件的冷卻效率。 陶瓷材料在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用是個(gè)新方向。國(guó)外，如美國(guó)、英國(guó)、日本等國(guó)家對(duì)這方面的研究比較早，同時(shí)也取得了一些成果。它的基本原理是對(duì)組成發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的零部件表面噴涂耐高溫的陶瓷涂層或者直接利用陶瓷材料制成零部件，實(shí)現(xiàn)燃燒室的高溫絕熱，提高燃燒效率。而我們國(guó)內(nèi)，對(duì)這方面也有了初步的研究。中船集團(tuán)711研究所研究開(kāi)發(fā)了6105無(wú)水陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)，取得了很大的進(jìn)展；另外，上海內(nèi)燃機(jī)研究所對(duì)陶瓷鑲塊也進(jìn)行了相關(guān)的研究與探討。但是，并不是新材料就是完美的。盡管通過(guò)研究，有陶瓷層的發(fā)動(dòng)機(jī)傳給冷卻液的熱量減少了，但是傳給排氣的熱量缺增多了。另外，由于加工工藝的要求很苛刻以及高溫下潤(rùn)滑的問(wèn)題，

18、限制了陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展。除此之外，很多人還在冷卻液上做了很多研究。如納米流體就是其中一種工程傳熱流體。它的基本思想就是在傳統(tǒng)冷卻液里分散納米顆粒，提高冷卻液及機(jī)油的熱導(dǎo)率。這個(gè)概念最先也是由國(guó)外提出的。在流體中加入1體積濃度的Cu納米微粒，可以提高流體導(dǎo)熱率40，而加入1體積濃度的C納米管可以提高流體k。250 。圖4給出了不同納米流體(金屬微粒和氧化物微粒)導(dǎo)熱率比值kk。(k。為乙二醇導(dǎo)熱率)和納米微粒體積比的關(guān)系。其中，Cu微粒直徑小于10 nm，CuO和A1 0 微粒平均直徑為35nm。國(guó)外有人利用Flowmaste建立了重型貨車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)模型，對(duì)納米流體的冷卻與傳統(tǒng)流體的冷卻做了

19、對(duì)比，結(jié)果顯示納米流體冷卻可提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率5%，降低水泵消耗88%，減少了散熱器面積5%。但是冷卻流體一變，冷卻器的材料就要考慮，所以對(duì)于納米流體的命運(yùn)還尚未可知。2.3 現(xiàn)代汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)熱管理研究方法隨著計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算傳熱學(xué)的發(fā)展，它們?yōu)榘l(fā)動(dòng)的熱管理開(kāi)辟了以個(gè)新途徑，所以模擬仿真稱(chēng)為了一種比較流行，同時(shí)也比較實(shí)用的研究手段。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡研究必須同時(shí)考慮多個(gè)系統(tǒng)的相互影響，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，所以利用仿真已經(jīng)成為了現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)研究的一個(gè)重要的手段。國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡研究還是主要集中于對(duì)某些部件的研究，并沒(méi)有真正的把發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)做一個(gè)整體進(jìn)行具體的探究。大連理工大學(xué)的白敏麗研究發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡

20、時(shí)也只是局限于將活塞組與汽缸套耦合起來(lái)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的傳熱，并沒(méi)有上升到整機(jī)熱平衡的高度；另外浙大的俞小莉教授也是主要針對(duì)缸內(nèi)部件進(jìn)行了相關(guān)的耦合熱分析，對(duì)于整機(jī)的研究也不是很深入。不過(guò)他們都嘗試著從發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)角度進(jìn)行考慮，并取得了一些成果。現(xiàn)在熱管理研究主要是利用多個(gè)軟件進(jìn)行一維與三維的聯(lián)合仿真。如在一維方面，AVL公司用BOOST進(jìn)行氣路循環(huán)模擬，用FLOWMASTER2模擬發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液循環(huán)和油路循環(huán)而用CRUISE置于整個(gè)模型的最頂層，為前述的兩個(gè)軟件提供計(jì)算所需數(shù)據(jù)同時(shí)控制計(jì)算數(shù)據(jù)傳輸及處理順序。梁樂(lè)華等用KULI軟件建立整車(chē)熱管理模型，模型包括發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、空調(diào)模塊、車(chē)身模塊和空氣側(cè)流動(dòng)

21、模塊。分析了散熱器、風(fēng)扇、冷卻水的相關(guān)參數(shù)，對(duì)各參數(shù)進(jìn)行了靈敏度分析，為熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了依據(jù)。在三維模擬研究方面，AVL公司采用FIRE仿真空氣側(cè)、發(fā)動(dòng)機(jī)熱部件和冷卻液三者之間的耦合作用，F(xiàn)IRE被連接到有限元程序(ABAQUS和MSCNASTRAN)與熱力學(xué)代碼BOOST中。三維模擬既可以研究發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力部分的熱變化情況。另外，顧寧，倪計(jì)民等利用KULI軟件建立了發(fā)功機(jī)冷卻模型對(duì)瞬態(tài)下冷卻溫度以及潤(rùn)滑油溫度變化進(jìn)行了仿真。而國(guó)外，在這方面起步比較早，他們更多的是把整車(chē)系統(tǒng)都考慮進(jìn)來(lái)。美國(guó)就曾把汽車(chē)熱管理技術(shù)列為美國(guó)21世紀(jì)商用車(chē)計(jì)劃的關(guān)鍵技術(shù)之一。所以國(guó)內(nèi)在這方面投入的精力是很大的

22、。其中一篇論文上介紹了一種中型軍車(chē)上應(yīng)用的一個(gè)熱管理系統(tǒng)，他們把發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)與傳動(dòng)系統(tǒng)冷卻分離開(kāi)來(lái)，并且把風(fēng)扇與水泵都從發(fā)動(dòng)機(jī)身上解脫出來(lái)了，利用電控系統(tǒng)來(lái)控制。并利用AMESim軟件建立起了整個(gè)冷卻系統(tǒng)，如圖3所示。通過(guò)與實(shí)際試驗(yàn)相比較，仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)相符的。圖3 高級(jí)熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖從上面我們可以看出，仿真不管精確程度好壞，都必須與試驗(yàn)研究緊密結(jié)合起來(lái)，才能真正達(dá)到相互互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)熱管理系統(tǒng)的真正優(yōu)化。而仿真也大大縮短了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間，減少了成本。上文主要是針對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理的研究進(jìn)行了講述，但是發(fā)動(dòng)機(jī)整車(chē)熱管理不只是包括發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，同時(shí)還包括暖通空調(diào)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)艙的熱管理。下面

23、主要說(shuō)一下發(fā)動(dòng)機(jī)艙的研究進(jìn)展。3 發(fā)動(dòng)艙熱管理研究在整車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，如果在設(shè)計(jì)階段沒(méi)有充分考慮發(fā)動(dòng)機(jī)艙的布置對(duì)機(jī)艙內(nèi)流的影響，就很可能形成機(jī)艙內(nèi)冷卻空氣的嚴(yán)重回流，甚至局部的流動(dòng)“死區(qū)”，形成機(jī)艙內(nèi)的氣體被循環(huán)加熱，造成機(jī)艙整體或者局部溫度過(guò)高，影響車(chē)輛的正常使用性能，嚴(yán)重的可能會(huì)引起車(chē)輛的自燃。后期問(wèn)題的解決也可能會(huì)引起機(jī)艙空間布置的重新更改，造成設(shè)計(jì)周期的延長(zhǎng)和開(kāi)發(fā)成本的巨大浪費(fèi)。國(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)艙的研究也只是局限于利用簡(jiǎn)單的機(jī)艙冷態(tài)分析，并沒(méi)有進(jìn)行復(fù)雜的熱分析；借助于CAE軟件，如STAR-CD、GT-SUITE、GT-COOL等軟件；因?yàn)闄C(jī)艙內(nèi)的空氣分布復(fù)雜，以為模擬根本無(wú)法準(zhǔn)確的反映機(jī)艙內(nèi)的

24、空氣流動(dòng)情況和分布情況，所以，很多時(shí)候要與三維模擬軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真。最后根據(jù)仿真分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，并輔助于一定的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)分析設(shè)計(jì)缺陷，來(lái)達(dá)到為機(jī)艙布置和設(shè)計(jì)提供理論知道的實(shí)際意義。而實(shí)際上，機(jī)艙散熱性的好壞，主要與散熱器、冷凝器、冷卻風(fēng)扇等部件的布置有著直接或者間接的關(guān)系。國(guó)內(nèi)對(duì)于機(jī)艙的研究，也主要是考慮布置的要求，并從這方面下手來(lái)進(jìn)行相關(guān)研究的。4 整車(chē)熱管理系統(tǒng)的研究整車(chē)的熱管理系統(tǒng)是個(gè)復(fù)雜且龐大的工程，你不能單一的考慮某個(gè)部件的好壞，而是從整體上去考慮去研究。因此，一個(gè)現(xiàn)代汽車(chē)熱管理系統(tǒng)應(yīng)該能把整個(gè)汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)、汽車(chē)外部空氣動(dòng)力學(xué)、以及乘客艙的所有部分的功能整合到一塊，實(shí)現(xiàn)模塊化管理

25、與研究。而整體的模塊化管理要首先基于以下兩方面考慮：第一就是汽車(chē)的預(yù)熱。一方面，汽車(chē)的熱管理系統(tǒng)的相應(yīng)部分在寒冷氣候工況下能迅速地給乘客艙傳遞足夠的熱量。另外，還要給汽車(chē)擋風(fēng)玻璃提供足夠的熱量，用來(lái)除冰/除霧，擋風(fēng)玻璃處的間隙是影響乘客安全的關(guān)鍵因素之一。另一方面，汽車(chē)熱管理系統(tǒng)不得不得到保證，汽車(chē)在暖及過(guò)程中需要足夠的熱量，這是為了在最小的時(shí)間內(nèi)達(dá)到運(yùn)行溫度，從而減少暖機(jī)過(guò)程的機(jī)油耗。如果是混合動(dòng)力汽車(chē)，它的熱管理系統(tǒng)不僅要考慮到先前的，還要考慮到電池和其他電器元件的熱的要求。第二就是熱機(jī)運(yùn)行工況。在這個(gè)階段，基本的冷卻要求就是要保證汽車(chē)的所有部件在汽車(chē)所有的工況下都能得到充分冷卻，和流體一

26、樣，要保證結(jié)構(gòu)的最大壽命極限。發(fā)動(dòng)機(jī)部件的溫度極限和冷卻介質(zhì)的限制溫度在所有的汽車(chē)固定極限工況下都要得到控制。目前在國(guó)內(nèi)，這方面的工作還幾乎沒(méi)有，只是局限于上面介紹的發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理以及某些冷卻部件的配合等。究其原因，還是因?yàn)閲?guó)內(nèi)相應(yīng)的研究配套設(shè)施跟不上，科研人員的技術(shù)水平有限。另外，就是國(guó)內(nèi)科研環(huán)境以及政策的限制，科研機(jī)構(gòu)、高?；蛘吖径紱](méi)那么大的精力與財(cái)力投入到這方面的研究。整車(chē)熱管理的研究所需成本之高，所需設(shè)備造價(jià)也高，因此限制其在國(guó)內(nèi)的發(fā)展速度。然而對(duì)于國(guó)外，在這方面的研究是比較多的。因?yàn)椴还苁强蒲协h(huán)境還是試驗(yàn)設(shè)施都是能跟得上的。所以整車(chē)熱管理在國(guó)外發(fā)展的是比較快的。其中AVL公司在這方

27、面做的就比較好。它所關(guān)注的不僅僅是發(fā)動(dòng)機(jī)，在整車(chē)方面的研究也是投入了很大的精力。下面介紹的都是國(guó)外正在做的或者做過(guò)的一些工作。4.1 一維仿真的應(yīng)用下面涉及到我們應(yīng)該如何對(duì)整體進(jìn)行考慮：基于試驗(yàn)來(lái)對(duì)汽車(chē)熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的考慮，這將會(huì)浪費(fèi)我們太多的資源。幸運(yùn)的是，仿真工具在汽車(chē)的熱管理預(yù)設(shè)計(jì)階段已經(jīng)變得非常的重要。他們都達(dá)到了成熟階段；他們可以成功地提供一個(gè)有效地范圍，從而預(yù)測(cè)汽車(chē)開(kāi)發(fā)的目標(biāo)。然而基于軟件的仿真，我們主要從動(dòng)力系統(tǒng)的熱傳到和排放系統(tǒng)、機(jī)艙流動(dòng)、進(jìn)出乘客艙的熱傳導(dǎo)三方面進(jìn)行考慮，并利用相應(yīng)的軟件進(jìn)行仿真分析。由于整車(chē)的熱管理涉及到的系統(tǒng)比較多，因此僅僅依靠某兩個(gè)軟件是實(shí)現(xiàn)不

28、了全面仿真的。我們需要把一維軟件與三維軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真，只有這樣，我們仿真的結(jié)果才具有可信性。AVL公司在這方面做的工作比較多，他們對(duì)這方面的研究也是比較深入的。不同的一維熱管理編碼被整合到汽車(chē)仿真軟件AVL CRUISE里。在這個(gè)系統(tǒng)里，AVL CRUISE被用來(lái)提供好汽車(chē)載荷，運(yùn)行和環(huán)境工況給熱流代碼。AVL CRUISE還被用來(lái)控制執(zhí)行順序和不同軟件包的數(shù)據(jù)傳送。圖4給出了基于一維仿真工具的熱管理模型的整合系統(tǒng)。AVL CRUISE被用來(lái)在最上層，而其他代碼通過(guò)分布式組件對(duì)象模型和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)被整合到AVL CRUISE的環(huán)境里。這個(gè)系統(tǒng)的主要部分已經(jīng)被完成，這里CRUISE與AVL BO

29、OST進(jìn)行耦合，被用來(lái)仿真氣體流動(dòng)循環(huán)，而FLOWMASTER（FM2）被用來(lái)模擬仿真冷卻液和潤(rùn)滑液回路循環(huán)。AVL應(yīng)經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種一維自動(dòng)網(wǎng)格生成器。這個(gè)一維網(wǎng)格可以被加載到FEM2中，并且可以被鏈接到冷卻液潤(rùn)滑液循環(huán)回路。所以，軟件的聯(lián)合能使得結(jié)果更優(yōu)化。圖4 整車(chē)熱管理系統(tǒng)的瞬態(tài)分析不能上面主要就是利用一維仿真軟件來(lái)對(duì)整車(chē)系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，其計(jì)算精度能達(dá)到一般要求。因此，為了更能精確的模擬實(shí)際汽車(chē)的運(yùn)行情況，我們還要借助于三維軟件的分析。4.2 三維仿真的應(yīng)用基于熱管理系統(tǒng)仿真的三維模型如圖5所示。這個(gè)圖給出了熱管理系統(tǒng)的三個(gè)子系統(tǒng)。第一個(gè)，AVL Fire已經(jīng)與及有限元分析軟件平臺(tái)相結(jié)合

30、。這個(gè)有限元分析平臺(tái)可以用來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)中的溫度分布，而可以計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)和靠近汽缸壁面的溫度?？梢杂脕?lái)計(jì)算氣體循環(huán)平均溫度以及對(duì)流換熱系數(shù)。如果需要更詳細(xì)氣路的計(jì)算，可以，但是這類(lèi)分析，氣體側(cè)的一維模型已經(jīng)可以給出足夠好的結(jié)果。圖5 基于三維軟件平臺(tái)的整體熱管理系統(tǒng)在第二個(gè)子系統(tǒng)中，對(duì)于熱管理舒適性的評(píng)價(jià)有個(gè)專(zhuān)門(mén)的函數(shù)。比如，當(dāng)量溫度，預(yù)測(cè)平均投票率和預(yù)測(cè)滿(mǎn)意度指數(shù)，這些都被整合到SWIFT中。用于計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算的的邊界條件可由一維仿真提供或者通過(guò)測(cè)量得到。SWIFT可以與INKA/TILL結(jié)合，而光輻射以及詳細(xì)的參數(shù)變化在模型里考慮。為了證實(shí)仿真方法的實(shí)用性，大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果已經(jīng)進(jìn)行

31、了比較。第三個(gè)汽車(chē)熱管理子系統(tǒng)是機(jī)艙流以及這個(gè)子系統(tǒng)與乘客艙部件、發(fā)動(dòng)機(jī)的相互作用。不管是一維還是三維，它們都不能單獨(dú)完成整車(chē)系統(tǒng)的仿真。一維應(yīng)用可以被用來(lái)鑒別不同的概念，而三維仿真應(yīng)用主要是提供局部溫度和整車(chē)方面的速度的詳細(xì)信息。因此，需要進(jìn)行相應(yīng)的聯(lián)合仿真，才最終能達(dá)到最優(yōu)化的效果。兩種方法可以相互協(xié)調(diào)。換句話(huà)說(shuō)就是，一維仿真系統(tǒng)和三維仿真系統(tǒng)的配合。在一維應(yīng)用中，氣道的循環(huán)。冷卻液的循環(huán)，潤(rùn)滑油循環(huán)和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，它們的之間的循環(huán)以及部件之間的相互作用都被考慮到了。這些節(jié)點(diǎn)的相互作用由汽車(chē)仿真代碼來(lái)控制，它們可以給這些一維節(jié)點(diǎn)提供載荷，運(yùn)行條件和環(huán)境條件。而三維熱管理系統(tǒng)可以從一方面模擬氣

32、體與結(jié)構(gòu)的相互作用，從另一方面模擬結(jié)構(gòu)與冷卻液的相互影響。三維計(jì)算流體力學(xué)（Fire）應(yīng)經(jīng)與有限元程序（ABAQUS 和NASTRAN）以及熱力學(xué)編碼BOOST進(jìn)行聯(lián)合。計(jì)算流體力學(xué)編碼還可以被用來(lái)研究乘客的熱舒適性。5 總結(jié) 縱觀目前汽車(chē)熱管理系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，從設(shè)計(jì)的有效性和實(shí)用性方面來(lái)看系統(tǒng)的部件結(jié)構(gòu)和布局結(jié)構(gòu)優(yōu)化是改善汽車(chē)熱管理系統(tǒng)的關(guān)鍵。使用電控冷卻部件實(shí)現(xiàn)精確冷卻和分流式冷卻的合理整合，能最大程度滿(mǎn)足逐漸提高的熱管理系統(tǒng)性能要求，具有十分理想的應(yīng)用前景；而熱管理系統(tǒng)的智能化、模塊化和集成化是未來(lái)發(fā)展的目標(biāo)；全新熱管理材料的出現(xiàn)必將加速熱管理系統(tǒng)模塊化和集成化的進(jìn)程。另外，隨著計(jì)算機(jī)技

33、術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)以及計(jì)算傳熱學(xué)已經(jīng)成為新興學(xué)科，它們?yōu)槲覀冊(cè)谄?chē)熱管理研究方面提供了更加好的理論支撐。各種專(zhuān)業(yè)軟件的應(yīng)用，極大地加快了我們開(kāi)發(fā)的速度；利用軟件的仿真，不僅可以縮減開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)也節(jié)約了大量資金。盡管各種一維或者三維軟件的應(yīng)用給我們提供了很大的便利，但是它們終歸是虛擬技術(shù)，一切還要回到試驗(yàn)研究中去，它們是要基于實(shí)際的試驗(yàn)才能驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確與否。因此，只有把兩種方式有效的結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)功能上的互補(bǔ)，我們才能最終得到一個(gè)很好的結(jié)果。參考文獻(xiàn)： 【1】 王賢海，杜傳進(jìn)等.汽車(chē)熱管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及新進(jìn)展.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車(chē). 2005【2】 齊斌，倪計(jì)民等. 發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)試驗(yàn)和仿真研究.車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī). 2008【3】 梁樂(lè)華，高懿等.應(yīng)用熱管理平臺(tái)分析汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)參數(shù)和靈敏度.設(shè)計(jì)·研究