柴油機冷卻系統(tǒng)匹配的熱管理技術

1、柴油機冷卻系統(tǒng)匹配的熱管理技術 王黎明1,2 張揚軍2 李玉圭1(1.東風康明斯發(fā)動機有限公司 2.清華大學汽車工程系，汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室 )【摘要】冷卻系統(tǒng)對柴油機的性能、排放和可靠性具有重要影響。本文分析了柴油機動力系統(tǒng)冷卻的研究現狀及難點，介紹了柴油機冷卻系統(tǒng)匹配熱管理技術的基本概念和先進理念。結合空空中冷柴油機冷卻系統(tǒng)的匹配，探討了熱管理技術的具體應用。關鍵詞： 柴油機 冷卻系統(tǒng) 熱管理thermal management technique of diesel engine cooling systemWang Liming1,2 Zhang Yangjun2 Li Yug

2、ui1(1.Dongfeng Cummins engine company 2.Tsinghua University, State key laboratory of Automobile Safety and Energy Conservation)Abstract: In this paper, the influence of performance, emission, reliability for diesel engine by the cooling system is presented. The state of development and difficulty ab

3、out the diesel engine cooling system is analyzed. The base and advanced concept of thermal management is presented. The appliance of thermal management is discussed. Key words: diesel engine cooling system thermal management1、引言隨著我國國民經濟迅速發(fā)展和人民生活水平日益提高，作為拉動國民經濟發(fā)展的“三駕馬車”之一的汽車業(yè)，這幾年得到了空前發(fā)展，并明顯呈現出加速發(fā)展的態(tài)勢

4、。在快速發(fā)展過程中，商用車慢慢向重型化、輕型化兩極發(fā)展，同時走向高檔豪華化，特別是重型車更顯出這一規(guī)律，這就要求汽車的動力系統(tǒng)提供更高的動力。在商用車發(fā)展過程中，作為其主要動力柴油機也經歷了從非增壓增壓增壓水冷中冷增壓空空中冷的發(fā)展歷程，這一過程也是發(fā)動機在相同體積情況下輸出了更大功率和扭矩，以康明斯發(fā)動機6B系列為例：非增壓6B發(fā)動機功率為130hp，扭矩為373N.m；而增壓空空中冷6BTAA發(fā)動機功率已達到275hp，扭矩達到955N.m，功率提高112%，扭矩提高156%。這樣，發(fā)動機的散熱量基本隨之翻番，在冷卻系統(tǒng)占用空間變化不大的情況下，冷卻能力卻要加倍，這對冷卻系統(tǒng)要求較高，特別

5、是空空中冷柴油機，不僅增大了散熱量，而且對中冷后空氣溫度要求較嚴。當中冷后空氣溫度在較大范圍內波動時，對發(fā)動機的動力性、經濟性及排放都有較大影響，使各種性能指標惡化，進氣溫度偏高時對排放影響尤其明顯。商用車在開發(fā)與使用過程中，往往出現以下四個方面的問題：（一）是發(fā)動機冷卻能力不夠，在夏天出現過熱現象，這是冷卻系統(tǒng)問題的主要表現，這直接影響發(fā)動機的性能及可靠性，使性能變差，壽命縮短；（二）是發(fā)動機的動力性不足，即性能變差；（三）是發(fā)動機不能工作在最優(yōu)狀態(tài)，比如在冬天暖機過程中和低速小負荷時，不需要冷卻，傳統(tǒng)做法是設計時不考慮這種情況，特別是發(fā)動機在暖機過程中，這時風扇照常工作，不但消耗功率，還使

6、暖機過程延長，此過程不但浪費燃油，還將產生大量的有害排放物，這使排放、經濟性都變差，這一點還未引起國內公司的重視；（四）是風扇冷卻風量只隨轉速變化，不隨實際溫度、負荷變化，不能滿足實際冷卻需要低速大負荷時冷卻不夠，高速小負荷時冷卻過度。特別是中冷后空氣溫度夏天超過70，而冬天又不到40，對同一工況來說，燃油泵將供基本相同量的燃油，進氣量差別較大，會導致燃燒惡化，使動力性、經濟性、排放都變差。在排放日益嚴格的今天，這一點必將受到重視。 發(fā)動機在配套、使用過程中發(fā)現汽車故障的50%左右來自動力系統(tǒng)，而動力系統(tǒng)故障超過50%是由與整車連接的冷卻系統(tǒng)故障引起的。這些故障將影響整車動力性、經濟性、排放及

7、可靠性。因此，對冷卻系統(tǒng)的研究是十分必要的。2 動力系統(tǒng)熱管理的研究現狀2.1 冷卻系統(tǒng)的發(fā)展現在動力系統(tǒng)一般布置情況是，當發(fā)動機前置時風扇、水箱、發(fā)動機成直線布置，當發(fā)動機后置時，則風扇、水箱、中冷器在發(fā)動機一側，與發(fā)動機平行布置。對前置發(fā)動機來說有迎面風，有助于冷卻，但現在發(fā)展趨勢是發(fā)動機前面、后面的遮擋物越來越多，氣流不暢，留給冷卻系的布置空間也越來越小，而發(fā)動機功率卻越來越大，對冷卻系來說需要散去越來越多的熱量，冷卻強度越來越大，這一些對冷卻系設計帶來不小的困難。對后置發(fā)動機來說，沒有迎面風，不利于冷卻，但空間較大，這有利于發(fā)動機及其系統(tǒng)合理布置。冷卻系可以布置在發(fā)動機一側，與發(fā)動機隔

8、開，形成單獨冷卻系區(qū)域，既不存在熱空氣回流，也不會受到發(fā)動機熱輻射，而且冷空氣從側面進來后由于基本沒有遮擋物，阻力小，有利于冷卻。而且在發(fā)動機不需要冷卻時，風扇運轉對前置發(fā)動機產生影響，可能產生過冷情況，后置發(fā)動機就不會發(fā)生這種情況。針對傳統(tǒng)風扇常嚙合工作弊端，國內外都出現并使用一種帶硅油離合器的風扇，其工作原理是當冷卻液溫度上升到一定溫度時風扇開始工作；當溫度低時硅油離合器開始脫開，這時風扇并不停止工作，而以較低速度運行，消耗功率很小，具有一定節(jié)能效果，而且離合器體積小安裝方便。比如EQ140載重車就裝有這種硅油風扇離合器，由于風扇離合器嚙合、脫開時依然是定傳動比驅動，對發(fā)動機產生載荷沖擊及

9、熱沖擊，而且這種情況高速時頻繁出現，對發(fā)動機可靠性、壽命都產生負面影響。同時此風扇轉速與發(fā)動機同步運轉，不能適應各種工況。針對傳統(tǒng)風扇及帶硅油離合器的風扇缺點，在80年代出現了電動風扇，由電機驅動，這種風扇有效克服了受發(fā)動機轉速影響，可以針對發(fā)動機不同溫度、負荷提供適合的風量達到冷卻目的，縮短了發(fā)動機預熱過程，減少傳熱損失，改善了經濟性、排放。隨著計算機發(fā)展，電動風扇已經實現了智能控制，同時風扇、散熱器位置安裝靈活，增加了風扇容積效率，提高了冷卻效果，達到節(jié)能效果。受電源功率限制，目前該風扇只應用在小功率發(fā)動機上，無法大范圍推廣。并且電動風扇無法解決噪聲大的問題針對以上三種風扇的缺點，在80年

10、代中期到90年代國外開始研究出了溫控液驅風扇，該風扇能根據水溫、環(huán)境溫度及通風量自動調節(jié)風扇轉速，具有以下優(yōu)點：（1）風扇轉速不受發(fā)動機轉速變化影響，在任何車速下都可以足夠大的冷卻風量，使水溫平均值始終在80-90最佳溫度范圍內，具有良好的降耗降噪效果；（2）由于驅動方式的改變，系統(tǒng)具有安裝靈活的特點，可適用于各類發(fā)動機；（3）可減少或消除發(fā)動機風扇載荷沖擊及熱沖擊對發(fā)動機工作狀態(tài)及壽命影響。但該風扇系統(tǒng)結構復雜，價格昂貴，因此目前只應用在豪華高檔車上，還未廣泛普及，但這是風扇驅動方式的發(fā)展方向。圖1是空空中冷柴油機熱管理系統(tǒng)的簡單結構示意圖，中冷器與散熱器疊合在一起，疊合處用橡膠密封，兩實體

11、中間間隔大約10-30mm左右，并且中冷器在前，空氣先經過中冷器對其冷卻再經過散熱器。圖1 發(fā)動機管理系統(tǒng)簡單結構示意圖圖2是空空中冷柴油機散熱器、中冷器與風扇性能匹配示意圖，圖中曲線A指散熱器與中冷器疊合在一起的阻力。實際匹配點是由理論匹配點乘以經驗數據0.65得到，這只是大概情況，最后要經過試驗驗證并修改。圖2 散熱器與風扇性能匹配圖2.2 冷卻系統(tǒng)研究的現狀國內對熱管理 (thermal management)的研究基本處于起步階段，各汽車公司基本停留在冷卻系統(tǒng)研究的初級階段（即國外初期的cooling system），一般只要求發(fā)動機冷卻系不過熱，未從節(jié)能、降噪、減少排放、延長壽命等角

12、度出發(fā)來匹配冷卻系統(tǒng)。當前，國外大公司對動力系統(tǒng)主要部件及熱管理部件如散熱器、中冷器的研究已相當成熟，系統(tǒng)匹配已經綜合考慮整車動力性、經濟性、排放、乘坐舒適性、可靠性等，并做到了智能化管理。并且國外整車公司與發(fā)動機公司都做這方面工作。而在國內，這方面的工作基本局限于大學，整車企業(yè)只是剛開始，進行的工作只基于冷卻角度，不是熱管理的角度，關鍵是現在一般只注重部件開發(fā)，不重視系統(tǒng)的匹配，沒有當作一個整體一個系統(tǒng)來考慮。2.3 冷卻系統(tǒng)的難點 汽車熱管理主要包括汽車熱管理對象的熱特性研究、冷卻系統(tǒng)集成以及熱能綜合利用等主要內容。其中冷卻系統(tǒng)集成技術，是熱管理研究的主要難點和核心關鍵技術。冷卻系統(tǒng)集成，

13、包括冷卻系統(tǒng)與熱管理對象集成、冷卻系統(tǒng)與整車集成等研究內容，是在熱交換器、冷卻風扇、水泵等冷卻系統(tǒng)關鍵部件研究的基礎上，綜合考慮熱管理對象及整車布置等要求，進行冷卻系統(tǒng)集成設計和匹配優(yōu)化另一個難點是試驗時發(fā)動機各個系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和整車之間的相互作用、相互影響，包括發(fā)動機工況、行駛工況和不同地區(qū)的氣候環(huán)境，導致數據不準，給試驗帶來難度；3 冷卻系統(tǒng)匹配的熱管理技術3.1 熱管理的基本概念汽車熱管理是從系統(tǒng)集成和整體角度，控制和優(yōu)化汽車的熱量傳遞過程，將各個部件冷卻系統(tǒng)、預熱與保溫系統(tǒng)、氣候控制系統(tǒng)（聯合式暖風、空調系統(tǒng)和通風系統(tǒng)）等集成為一個有效的熱管理系統(tǒng)，保證關鍵部件、系統(tǒng)安全高效運行，控制

14、和優(yōu)化熱量傳遞過程，減小冷卻系統(tǒng)的尺寸和功率消耗，完善地管理并合理利用熱能，降低廢熱排放，提高能源利用效率，減少環(huán)境污染。對冷卻系統(tǒng)進行集成設計、協調優(yōu)化、系統(tǒng)匹配，達到比較理想的效果。3.2 熱管理的特點 熱管理的特點是綜合考慮整個系統(tǒng)，充分利用系統(tǒng)的能量，使發(fā)動機運行在優(yōu)化區(qū)域，從而改善整車的經濟性、可靠性、排放等，達到節(jié)能、安全、環(huán)保等目的。3.3熱管理的基本研究方法研究工作的主要技術方案為數值仿真模擬研究的結果來指導設計，再以試驗驗證，相互修正，互為補充。首先，根據部件原型和某些基本假設條件，建立較為初步的部件熱計算模型。然后根據系統(tǒng)結構、車用工況條件、熱物性參數以及外部熱環(huán)境條件，得

15、到熱管理系統(tǒng)的數學物理模型。對系統(tǒng)數學物理模型進行數值計算，得到計算結果可進行相應的熱分析。仿真計算。在仿真軟件基礎上，建立各仿真系統(tǒng)之間的數據交換接口，建立完整的熱流體系統(tǒng)仿真分析平臺。利用仿真平臺進行計算和分析。為系統(tǒng)設計、改進提供理論依據。試驗研究。在理論研究的同時，進行動力系統(tǒng)熱管理性能專項試驗，用于中冷器、散熱器、風扇、水泵等熱管理系統(tǒng)關鍵部件的性能試驗和熱管理系統(tǒng)集成匹配試驗研究。試驗研究對仿真模型和數值算法進行校驗，試驗結果可用于熱管理系統(tǒng)及部件模型的優(yōu)化和改進。為系統(tǒng)設計、改進提供試驗依據。 4 空空中冷柴油機冷卻系統(tǒng)的匹配首先根據水套散熱量等計算出動力系統(tǒng)總散熱量，再根據散熱

16、量的分配計算出散熱器、中冷器等各自需要散去的熱量來設計各部件。如圖3所示為在仿真軟件環(huán)境中搭建的一個較為簡單的水系統(tǒng)單路循環(huán)熱管理系統(tǒng)集成模型。利用仿真軟件，建立各仿真系統(tǒng)之間的數據交換接口，建立完整的熱流體系統(tǒng)仿真分析平臺。利用仿真平臺，根據各種車用工況，對熱管理系統(tǒng)的部件、子系統(tǒng)級以及環(huán)境系統(tǒng)進行耦合實時的動、穩(wěn)態(tài)熱計算和分析，為熱管理系統(tǒng)的集成優(yōu)化設計研究提供平臺支持。從而減少大量的試驗，可以節(jié)省大量的人力、物力，縮短開發(fā)過程。同時在此基礎上進行設計、試驗，根據結果再改進。如對子系統(tǒng)匹配時存在相互影響問題：當中冷器效率增高時中冷后空氣溫度降低，進氣溫度每下降10，單位容積內氣量增加3，進

17、氣溫度每下降1，最高燃燒溫度和排溫下降2.3，這有利于降低NOX有害物排放及提高經濟性，理論上進氣溫度越低越好；由于中冷器置于散熱器前，中冷器對冷卻空氣加熱時散熱器進口溫度提高，相當于環(huán)境溫度提高，使許用環(huán)境溫度下降，冷卻系適應高溫氣候的能力下降。因此，在匹配系統(tǒng)時應綜合考慮各種因素達到最佳效果，這一點，利用仿真結果比較容易達到理想效果。圖3 發(fā)動機單路循環(huán)熱管理系統(tǒng)集成模型5 小結經過上述工作，在仿真、試驗的基礎上對系統(tǒng)進行合理匹配，達到優(yōu)化，使發(fā)動機工作在最佳工作環(huán)境之中，從而達到改善發(fā)動機的經濟性、動力性、可靠性及排放，達到滿意的效果。冷卻系未來的發(fā)展方向：從節(jié)能、安全、環(huán)保的角度匹配冷

18、卻系。參考文獻1 冷卻系的選擇和匹配（B系列柴油機應用工程用） 東風康明斯發(fā)動機有限公司 陳諤聞 2001年3月出版2 后置發(fā)動機汽車冷卻系統(tǒng)的研究 東風汽車工程研究院 蔣學鋒 汽車技術2000年第2期 3 內燃機冷卻風扇溫度控制液壓驅動系統(tǒng)技術研究 青島大學車輛電子技術研究所 張鐵柱 張洪信 內燃機學報 2002年第3期 4 汽車熱管理系統(tǒng)半物理仿真試驗平臺研究 清華大學汽車工程系 楊勝 清華大學工學碩士學位論文 2004年5月5 燃料電池汽車動力系統(tǒng)熱管理 清華大學汽車安全與節(jié)能重點實驗室 張揚軍 李希浩 黃海燕 盧青春 汽車工程 2003年第6期 561-5656 Nonlinear Controller for Automotive Thermal Management S