熱管理系統(tǒng)行業(yè)調(diào)查報告

2013年第二季度廣州大華德盛熱管理科技有限公司行業(yè)調(diào)查報告1.發(fā)動機熱管理系統(tǒng)概述發(fā)動機熱管理是從系統(tǒng)整體角度，集成控制發(fā)動機的燃燒、增壓與進排氣、冷卻系統(tǒng)和發(fā)動機艙等的傳熱，提高循環(huán)效率，減低熱負荷，控制發(fā)動機部件高低溫極限、溫度分布及其規(guī)律變化，在提高發(fā)動機的冷卻能力的同事，保持發(fā)動機良好的動力性、經(jīng)濟性、排放性能和可靠性。應(yīng)用發(fā)動機熱管理系統(tǒng)技術(shù)，可以有效的將發(fā)動機中所涉及到的傳熱系統(tǒng)當作一個大的綜合系統(tǒng)進行考慮并得到發(fā)動機各個熱流系統(tǒng)的精確的邊界參數(shù)，從而對各個熱流系統(tǒng)的溫度進行精確的控制，可以保證關(guān)鍵部件和系統(tǒng)安全高效運行，控制和優(yōu)化熱量傳遞過程，減小冷卻系統(tǒng)的尺寸和功率消耗，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。發(fā)動機熱管理與傳統(tǒng)發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)有著顯著區(qū)別。從發(fā)動機冷卻到發(fā)動機熱管理，不僅是技術(shù)上的進步，更是管理、設(shè)計思想的突破。發(fā)動機熱管理技術(shù)已成為發(fā)動機節(jié)能、降低排放、提高動力性、可靠性及發(fā)動機壽命的重要措施。2.發(fā)動機熱管理的研究現(xiàn)狀及發(fā)展狀況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、中冷器的研究已經(jīng)相當成熟，系統(tǒng)匹配已經(jīng)綜合考慮整車動力性、經(jīng)濟性、排放、乘坐舒適性、可靠性等，并做到了智能化管理。并且國外整車公司于發(fā)動機公司都在做這方面的工作。而在國內(nèi)將發(fā)動機熱管理當作一個系統(tǒng)來進行考慮的比較少，這方面的工作基本局限于大學，整車企業(yè)和發(fā)動機企業(yè)只是剛開始，基本停留在冷卻系統(tǒng)研究的初級階段。主要還是對各子系統(tǒng)單獨考慮，并在此基礎(chǔ)上進行一些優(yōu)化。整車和發(fā)動機企業(yè)缺乏合作研究，只是各自進行匹配，進行的工作也是基于冷卻角度，不是熱管理的角度，一般以要求發(fā)動機冷卻系不過熱為目的；只注重部件開發(fā)，不重視系統(tǒng)的匹配。沒有能夠意識到熱管理系統(tǒng)對整車性能的影響，進而無法最合理的分配發(fā)動機所產(chǎn)出的能量，減少能量的無效損耗，將更多能量集中供給客車行駛；同時更好的控制發(fā)動機工作環(huán)境，延長發(fā)動機使用壽命。目前，世界對于發(fā)動機熱管理技術(shù)的研究主要集中在使用電子智能化控制、改變發(fā)動機部件結(jié)構(gòu)、使用新型材料等方法和手段，由于發(fā)動機熱管理系統(tǒng)的復(fù)雜性，目前發(fā)動機熱管理系統(tǒng)的研究和利用，基本上都對汽車原本結(jié)構(gòu)進行了比較復(fù)雜的變動，甚至有的研究對汽車的結(jié)構(gòu)進行了大幅度的改動，如美國T-VEC技術(shù)公司針對汽車前段換熱器越來越多的特點研制出全新布局的發(fā)動機熱管理系統(tǒng)，將換熱器由風冷改為水冷，從汽車前段移到發(fā)動機罩下，研發(fā)難度大，并且改造成本昂貴，不宜大面積推廣。3.發(fā)動機熱管理系統(tǒng)優(yōu)化3.1熱管理系統(tǒng)智能化控制風扇傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)中采用機械驅(qū)動的冷卻風扇，風扇由發(fā)動機曲軸通過皮帶驅(qū)動，冷卻風量取決于發(fā)動機轉(zhuǎn)速并與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速成正比，而非發(fā)動機實際運行時冷卻量，無法對通過散熱器的空氣流量進行精確控制，從而難以使發(fā)動機在最佳的溫度下工作，導(dǎo)致排放過高，燃料經(jīng)濟性和發(fā)動機性能變差。除此以外傳統(tǒng)冷卻風扇冷卻調(diào)節(jié)的靈敏度不高，功率損失也很大，耗功嚴重，比如風扇消耗的功率可以達到發(fā)動機總功率輸出的10%。為了解決這個問題就出現(xiàn)了自控電動風扇，電控風扇的轉(zhuǎn)速能夠根據(jù)冷卻液溫度和空氣調(diào)節(jié)循環(huán)參數(shù)來調(diào)節(jié)，通過傳感器和計算機芯片根據(jù)實際的發(fā)動機溫度控制運行，提供最佳的冷卻介質(zhì)流量和風扇轉(zhuǎn)速，綜合調(diào)節(jié)冷卻能力，減少了在低溫時發(fā)動機的傳熱損失、功率損失、和過度磨損，抑制了發(fā)動機過熱的發(fā)生，降低了噪聲和燃料消耗。冷卻風扇由傳統(tǒng)控制方式轉(zhuǎn)化為智能控制方式，散熱風扇的冷卻能力隨著發(fā)動機散熱的需要而自動精確地調(diào)節(jié)，提高了發(fā)動機的預(yù)熱速度，有效的防止水溫過熱或過冷，使其始終保持最佳工作溫度，而且避免了能源的大量浪費，其中減少風扇功率消耗90%，節(jié)省燃油10%。另外，為提高冷卻風扇的效率，用塑料翼形風扇取代圓弧形直葉片冷卻風扇；采用翼形斷面塑料和流線型風罩，在風扇氣流入口形成流線形氣流，可提高風扇的液力效率。綜合各項措施最終使電動風扇的效率達到85%。水泵傳統(tǒng)的機械驅(qū)動式冷卻水泵由曲軸通過V帶或齒輪驅(qū)動，運行速度與發(fā)動機轉(zhuǎn)速成正比，冷卻介質(zhì)流量取決于發(fā)動機轉(zhuǎn)速。許多研究顯示，傳統(tǒng)水泵水量僅在5%的時間內(nèi)正確，無法對通過散熱器的冷卻介質(zhì)的流量進行精確控制，從而難以使發(fā)動機在最佳的溫度下工作，導(dǎo)致燃料經(jīng)濟性和發(fā)動機性能不佳。而電控水泵由電機驅(qū)動，可以對流量進行獨立控制。電控水泵由于不用曲軸驅(qū)動，安裝位置比較靈活，可以優(yōu)化水泵水利特性設(shè)計，同時由于不用齒輪或者帶輪帶動，減少了V帶及齒輪對水泵軸承的循環(huán)側(cè)向負載力，降低了驅(qū)動損失。電控水泵根據(jù)發(fā)動機冷卻要求而不是速度來供給冷卻流量，避免了部分負荷及高速情況下的過冷狀態(tài)，減少了不必要的功率消耗。國內(nèi)郭新民等對裝載機冷卻系統(tǒng)控制裝置進行了研究，利用單片機根據(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現(xiàn)冷卻水泵轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)。結(jié)果表明，低溫預(yù)熱時，該控制裝飾可使預(yù)熱時間減少50%，提高了暖機速度，預(yù)熱階段節(jié)約燃油43%。1999年Valeo公司提出了在發(fā)動機配置新型電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)，來改善發(fā)動機的冷卻性能。它實現(xiàn)了水泵和缸里的分離，泵的流量和通風裝置都通過發(fā)動機的ECU來進行調(diào)整和控制，便于水泵的安裝，而且遠離缸體這一熱源后，水泵可以用塑料制成，既降低了成本，又減輕了水泵的重量，達到了水泵的轉(zhuǎn)速隨水溫的變化而變化，進一步降低了傳熱損失和機械損失，降低了污染和油耗的目的。Stepanoff曾提出高效離心水泵和軸流水泵的設(shè)計理論，通過改變?nèi)~輪形狀、提高表面光潔度，能使發(fā)動機冷卻水泵的效率提高到75%。日本尼桑公司基于這一理論制造出了一種水泵，通過減小會泵的結(jié)構(gòu)尺寸，該公司又通過增加葉片數(shù)目、改進葉片曲線設(shè)計，使水泵最大效率達到了75%。節(jié)溫器節(jié)溫器功用是根據(jù)冷卻水溫度的高低自動調(diào)節(jié)進入散熱器的水量，改變水的循環(huán)范圍，以調(diào)節(jié)冷卻系的散熱能力，保證發(fā)動機在合適的溫度范圍內(nèi)工作。節(jié)溫器是內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)中控制冷卻液流動路徑的關(guān)鍵零部件，但是目前絕大多數(shù)的節(jié)溫器都采用石蠟作為感溫介質(zhì)，其存在“相應(yīng)延遲”和“滯回特性”，無法滿足冷卻系統(tǒng)精確控制的要求，致使發(fā)動機的燃油消耗增加，使用壽命縮短。為了進一步的提高發(fā)動機的冷卻效率，電控節(jié)溫器應(yīng)運而生。電控節(jié)溫器的控制系統(tǒng)有傳感器、電機和控制模塊組成，可以根據(jù)冷卻液溫度或者發(fā)動機部件溫度來控制冷卻液流量。當發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，控制單元根據(jù)傳感器信號得出的計算值對溫度調(diào)節(jié)單元加載電壓，通過對加載電壓大小的控制來控制石蠟的溶解速度，進而有效精確快速的控制大小循環(huán)的開度，使發(fā)動機各個部件始終處于最佳的溫度范圍，以提高燃油的燃燒效率，增加進氣量，減少磨損，延長發(fā)動機的使用壽命。1997年，美國Oakland大學的X-ZHOU和B.CAHLON等人引入帶遲滯的延時差分方程來描述節(jié)溫器在發(fā)動機冷卻系統(tǒng)工作過程中的動態(tài)特性，并且給出了該模型數(shù)值解的算法。2002?2006年，美國Clemson大學JohnR.Wagner等人開展了發(fā)動機冷卻系統(tǒng)智能節(jié)溫器的研究。他們釆用伺服電機驅(qū)動齒輪和螺桿，然后再將螺桿的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成活塞（閥芯）的伸縮運動，從而實現(xiàn)對冷卻液大小循環(huán)通道的切換。2009年，T.Mitchell等人比較了在暖機工況下4種不同類型的節(jié)溫器布置方式對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)性能的影響。他們在釆用石蠟節(jié)溫器、電動兩通閥、電動三通閥和不安裝節(jié)溫器4種情況下分別進行了發(fā)動機暖機實驗。他們的研究認為：釆用電動三通閥這種形式，在發(fā)動機暖機時間和燃油經(jīng)濟性方面的性能最好。2004年，清華大學羅建曦，張揚軍等人分析了節(jié)溫器對發(fā)動機動態(tài)性能的影響，他們指出：節(jié)溫器的非線性動態(tài)特性與系統(tǒng)延遲效應(yīng)相互作用，導(dǎo)致發(fā)動機熱系統(tǒng)動態(tài)特性復(fù)雜。當節(jié)溫器延遲時間短、溫度偏移量小、節(jié)溫器振蕩弱時,發(fā)動機進口溫度波動小，穩(wěn)定所需時間短，調(diào)節(jié)效果好。3.2熱管理系統(tǒng)部件優(yōu)化冷卻水套冷卻液流量、壓力以及合理的流場分布都直接影響發(fā)動機的冷卻效果。發(fā)動機通過水套將熱傳遞給了冷卻系統(tǒng)，水套設(shè)計是否合理是關(guān)系到發(fā)動機冷卻效果的最關(guān)鍵因素。合理的水套結(jié)構(gòu)首先要保證水套壁厚的均勻性，壁面由于水套壁面厚度的不合理分布所造成的發(fā)動機某些區(qū)域熱應(yīng)力過大的情況發(fā)生；其次，要保證水套型腔的合理性，使得冷卻液在水套中能夠正常流動，不會出現(xiàn)流動的死角，造成發(fā)動機某些部位過熱；除此之外要保證發(fā)動機各個部位的分水量要合理，發(fā)動機各氣缸燃燒室的壁面溫度盡量一致。改進發(fā)動機冷卻水套結(jié)構(gòu)，尋求合適的流場分布，可以改善發(fā)動機的熱負荷和熱應(yīng)力，防止發(fā)動機部件損壞，提高發(fā)動機零部件的使用壽命、發(fā)動機功率及燃油經(jīng)濟性。CouetouseH.等人在1984年提出了分流式系統(tǒng)的設(shè)計，即汽缸蓋和汽缸體有不同的冷卻回路，適合氣缸蓋和汽缸體具有不同的溫度。這是由于較低的氣缸蓋溫度有利于進氣和改善排放，而較高的氣缸體溫度則有利于降低摩擦損失，改善燃油經(jīng)濟性。分流式冷卻水套系統(tǒng)的優(yōu)勢在于使發(fā)動機各部分在最優(yōu)的溫度設(shè)定點工作，達到較高的冷卻效率。實驗結(jié)果表明，將流向氣缸蓋的冷卻液溫度降為50℃，而流向氣缸體的冷卻液溫度為80℃，可使壓縮比從9提高到12，能夠?qū)崿F(xiàn)部分負荷狀態(tài)節(jié)油5%、怠速節(jié)油7%、滿負荷時的功率輸出提高10%的目標。CloughM.J.早在1992年提出了“精確冷卻”的概念，即利用最少的冷卻以達到最佳的溫度分配。精確冷卻系統(tǒng)的設(shè)計關(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)的散熱能力能夠滿足發(fā)動機低速大負荷時關(guān)鍵區(qū)域工作溫度的需求。研究表明，采用精確冷卻系統(tǒng)，在發(fā)動機整個工作轉(zhuǎn)速范圍，冷卻液流量可下降40%。精確冷卻的潛在優(yōu)勢在于加快暖機速度、減少熱應(yīng)力和熱量損失。降低摩擦系數(shù)和冷卻水泵功率消耗，提高平均有效壓力和抗爆性。Clough對四氣門汽油機的氣缸體和氣缸蓋進行改造，實現(xiàn)精確冷卻，使得水套容積減少64%，水泵功率消耗減少54%,暖機時間也減少18%。無論是精確冷卻系統(tǒng)還是分流式冷卻系統(tǒng)，都要求對發(fā)動機冷卻水套進行必要的改進以優(yōu)化冷卻液流動。從設(shè)計和使用角度看，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)動機溫度分布，滿足發(fā)動機對未來冷卻系統(tǒng)的需求。3.3熱管理系統(tǒng)材料多元化目前，熱管理系統(tǒng)材料比較單一，散熱器材料通常為銅、鋁及、鋁合金，冷卻介質(zhì)主要是水和乙二醇混合物。傳統(tǒng)散熱器的設(shè)計方法已經(jīng)趨近極限，因此急需一種全新高效的冷卻理念來實現(xiàn)冷卻性能的改善。3.3.1納米流體納米流體是一種工程傳熱流體，通過在傳統(tǒng)傳熱流體（水、乙二醇混合物和機油）中分散納米金屬微粒形成。阿爾貢（Argonne）國家實驗室正在研制一種納米微粒來提高發(fā)動機冷卻液及機油的導(dǎo)熱特性。測試結(jié)果顯示，可提高40%的導(dǎo)熱率。Leong等采用納米流體作為發(fā)動機的冷卻液研究發(fā)現(xiàn)，總傳熱系數(shù)和傳熱率比僅用基液乙二醇有較大提高，在散熱器空氣側(cè)和冷卻液側(cè)的雷諾數(shù)分別為6000和5000時，加入2%的銅納米粒子使散熱器傳熱增強了3.8%,由此可估計空散熱器的空氣迎風面積減少18.7%。與此同時，納米流體在發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用可以將重型汽車的冷卻系統(tǒng)的尺寸和重量減小10%，因此發(fā)動機的燃燒效率將會提高5%。采用納米流體還可以使用承受較高溫度的冷卻液，減少熱損失。這種高溫散熱器的應(yīng)用將散熱器的尺寸減小30%，由此可以減小空氣流動阻力、減少冷卻液的流動損失以及驅(qū)動風扇的損失，可以節(jié)省約10%的油耗。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k/k。（k。為乙二醇導(dǎo)熱率）和納米微粒體積比的關(guān)系。3.3.2石墨泡沫材料奧克里奇國家實驗室（ORNL-0akRidgeNationalLaboratory）開發(fā)出一種獨特的石墨泡沫材料，可以極大提高傳熱系數(shù)。這種石墨泡沫材料密度為0.2～0.6g/cm3，導(dǎo)熱率為40-187/m.K。因為泡沫為蜂窩狀的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，接觸表面很大（>4㎡/g）,用石墨泡沫材料做成的散熱器其整體傳熱系數(shù)要比傳統(tǒng)的散熱器提高10倍以上。Klett等用石墨泡沫材料做成一個22.9cmx17.78cmx15.27cm的換熱器（散熱器），安裝在588kW的V8賽車發(fā)動機上，替代原有的68.6cmx48.3cmx7.6cm散熱器。在車速為290km/h,水溫99.4℃的穩(wěn)定工況條件下，冷卻水流量僅為57.5L/min，風扇空氣流量僅是原來的2.3%。其整體傳熱系數(shù)要比傳統(tǒng)的散熱器提高10倍以上。因此對于橫截面積為48cmx69cm的汽車散熱器，在具有相同的散熱量的情況下，其尺寸可以減少到20cmx20cm。這樣就可以減少散熱器的體積、質(zhì)量和費用，從而提高燃油效率。4.汽車熱管理的仿真和試驗研究4.1汽車熱管理的仿真研究汽車熱管理是一個復(fù)雜的流動與傳熱耦合系統(tǒng)，早期的仿真研究多采用無量綱化解析方法或作一維流動的假定，隨著計算機硬件性能、數(shù)值計算格式和方法、湍流模型及計算可視化等學科分支的發(fā)展，三維流動和傳熱數(shù)值模擬方法得到大量的應(yīng)用。流固耦合方法可以將相互作用（流動和傳熱）的流體和固體同時建立模型并離散各自的傳熱控制微分方程，將原來復(fù)雜的外邊界條件變?yōu)閮?nèi)邊界條件，并由軟件進行邊界自動耦合，進而可以得到更加精確的計算結(jié)果。SteveZoz等人分別運用一維仿真、三維仿真和原型實驗三種方法比較發(fā)動機冷卻水泵的設(shè)計和性能預(yù)測，分析了各自優(yōu)缺點[52]。M.R.Jones等人把汽車前部的熱交換器拆分成一維軟件flowmaster中的標準組件建模，按各組件的熱力學和流體力學特性來進行分析和實驗[53]。LinjieHuang等人運用3維CFD軟件與VirtualThermalComfortEngineering建模進行耦合計算，實驗表明計算結(jié)果較準確[38]。為了對熱管理系統(tǒng)集成于整車的實際性能進行分析和預(yù)測，使用軟件數(shù)據(jù)接口進行1D/3D聯(lián)合仿真，是當前熱管理的研究方向之一。采用BOOST進行氣路循環(huán)模擬，用FLOWMASTER模擬發(fā)動機冷卻液循環(huán)和油路循環(huán)，用KULI、TILL或SWIFT進行空氣側(cè)流場和艙室模擬，用FIRE模擬發(fā)動機缸內(nèi)燃燒和水套的流動和傳熱，用ABAQUS或NASTRAN模擬固體結(jié)構(gòu)溫度分布。將CRUISE置于整個模型的最頂層，實現(xiàn)各軟件的數(shù)據(jù)交換[54]。目前國內(nèi)的研究仍側(cè)重于某個子系統(tǒng)的仿真研究，對熱管理集成研究較少。曹旭應(yīng)用AMESim軟件對發(fā)動機的潤滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的各組件進行建模，利用發(fā)動機臺架進行驗證，通過仿真計算優(yōu)化相關(guān)組件設(shè)計[1]。齊斌利用整車熱管理仿真軟件KULI建立某型號商用車系統(tǒng)模型和發(fā)動機瞬態(tài)模擬模型，計算風扇的功率消耗對整車熱管理系統(tǒng)的影響，分析發(fā)動機起動暖車的效率[55-56]。羅建曦建立散熱器內(nèi)、外流動與傳熱耦合效應(yīng)模型、風扇旋轉(zhuǎn)效應(yīng)模型，建立適用于熱管理系統(tǒng)與整車集成的汽車內(nèi)外復(fù)雜流動與傳熱分析數(shù)學模型；仿真研究熱管理系統(tǒng)空氣側(cè)流速分布、溫度分布等流場結(jié)構(gòu)對熱管理系統(tǒng)性能的影響機理。4.2．汽車熱管理試驗研究試驗研究是汽車熱管理的基本研究方法之一，通過試驗可以找出或驗證各種熱管理對象的熱負荷特性、熱管理系統(tǒng)的流動與傳熱特性以及外部環(huán)境與汽車熱量傳遞的規(guī)律。汽車熱管理的試驗研究可分為部件級、系統(tǒng)級、整車級試驗等。試驗平臺是汽車熱管理系統(tǒng)研究和開發(fā)的基礎(chǔ)設(shè)施。Clemson大學已建成的專門研究電子控制冷卻系統(tǒng)的試驗平臺。2004年清華大學楊勝采用物理模擬和仿真模擬相結(jié)合的方法，建立了半物理仿真試驗平臺，并針對熱管理系統(tǒng)與整車的合理集成進行專項技術(shù)試驗研究[4]。2005年譚建勛以ZL50G裝載機為對象，建立由整車工況模擬系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測試和處理系統(tǒng)組成的熱管理系統(tǒng)試驗平臺，可實現(xiàn)對冷卻系統(tǒng)各個參數(shù)，如變矩散熱器、液壓油散熱器、發(fā)動機冷卻液以及風道空氣的溫度、流量、壓力等參數(shù)的實時測量與控制。5．汽車熱管理集成研究