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1、内 燃 机 与 配 件 2 0 1 4年第 2期 车辆热管理系统研究进展 Re s e a r c h p r o g r e s s o f Ve hi c l e Th e r m a l M a na g e m e n t S y s t e m 周 磊 许 翔 迟 淼 孙文龙 刘瑞林 ( 1 军事交通学院研 究生管理 大队 2 军事交通学院军用车辆系) ( 摘要介绍 了车辆热管理 系统的概念 ，并针对 系统中存在的问题展 望了其发展方 向。指 出 智能化、集成化以及高效化是其未来发展 的 目标 ，全新热管理材料的出现以及热管理研 究手段的 不断更 新 必将加 快车辆 热 管理 系统
2、的飞速发 展 。 ( 关 键词 车辆热 管理 系统研 究进 展 Ab s t r a c t ： The c o nc e pt o f v e hi c l e t he r ma l ma na g e me n t s ys t e m wa s i nt r od uc e d i n t h i s p a p e r ， a nd t o r e s ol v e t he e xi s t e n t pr o bl e ms o f ve hi c l e t he r ma l ma na ge m e nt s y s t e m ，i t s de v e l op me
3、 nt di r e c t i on wa s r e v i e we dI n t he f u t u r e t h e go a l o f de ve l op me nt o n v e hi c l e t h e r m a l ma n a ge m e nt s y s t e m wa s i nt e l l i g e nt i z a t i o n、 i n t e g r a t i o n a nd hi gh e f f i c i e n c y，m e a nwh i l e，t h e de v e l o pme n t of i t wi l
4、l s u r e l y s p e e d u p wi t h s o m e n e w t he r ma l ma na ge me n t m a t e r i a l s a n d r e s e a r c h t e c hni q ue s Ke y wo r d s：Ve hi c l e The r ma l ma n a ge m e nt s y s t e m Re s e a r c h pr o g r e s s 随着对车辆节能和环保的要求越来越高，以及电 动车辆的研究与开发，世界车辆工业发达国家均十分 重视车辆热管理技术的研究，将其作为车辆发展研究
5、计划的主要研究内容之一。车辆热管理系统工作性能 的优劣 ，直接影响着车辆动力 系统 的整体性 能 ，开发 高效可靠的车辆热管理系统 ，已成为车辆发动机进一 步提高功率、改善经济性所必须突破的关键技术_ 1 。 因此 ，对车辆热管理系统进行 深入研究 ，开发先 进的 车辆热管理系统具有十分重要 的意义 。 1 车辆热管理 系统概述 车辆热管理系统( 见 图 1 )是从系统集成和整 体角度出发，统筹热量与热管理对象、整车之间的 关系 ，采用综合控制和系统管理的方法 ，将车辆的 各个系统或部件 ( 如冷却系统 、润滑系统、进排气 系统 、空 调系 统 、燃 烧 系统 、传动 系统 、电器 附 件 以
6、及发动机舱等)统筹集成为一个有效的热管理系 统 ，控制和优化车辆的热量传递过程，保证各关键 部件和系统安全高效运行 ，完善地管理并合理利用 热能_ 1 4 1 。其核心实质是 自动调节 车辆冷却强度 ， 从而实现节省燃油 、降低排放 、增加功率输 出和车 辆承载能力 、降低车辆维护费用 ，以及提高车辆可 靠性 、能源利用效率和环境适应能力 。 车 辆 热 管 理 系 统 冷 却 系 统 润 滑 系 统 进 排 气 系 统 空 调 系 统 燃 烧 系 统 传 动 系 统 发 动 机 舱 电 器 附 件 图 1车 辆 热 管 理 系 统 2 车辆热管理系统 目前存在 的问题 作为车辆热管理系统的核
7、心部件 ，大部分发动 机冷却系统仍属于传统的被动系统 ，只能有限地调 节发动机和车辆 的热分布状态 ，不能精确控制循环 冷却液量和冷却空气流量 ，不能使发动机各部件工 作在最佳温度范围内。如传统的冷却水泵和风扇均 为机械驱动式的，其冷却介质流量取决于发动机转 速，而非发动机实际运行时冷却量需求 ，无法实现 对发动机水温在全部工况范围内的合理控制。 ；传 统的节温器通常采用的是注蜡式节温器 ，它只能在 周磊许翔迟淼孙 文龙刘瑞林 ：车辆热管理系统研究进展 一定 的冷却液温度内进行单点控制 ，不能满足未来 冷却系统对冷却液流量精确控制的要求_ 5 。 热管理材料在热管理系统中占有重要地位，但 传统
8、 的热管理材料种类 单一 ，结构设 计也不够灵 活。如传统的冷却介质主要为冷却液和空气 ，冷却 液中乙二醇的传热系数比较低 ，而空气的传热系数 更低 ，这不仅影响循环冷却液量和冷却空气 流量 ， 还间接影响散热器、中冷器等的散热效率 。 车辆热管理系统是一个包含多 目标、多 系统 、 多种介质 ，复杂的流动与传热耦合系统。早期 的研 究主要集 中在试验或一维仿真方面 ，对三维流动和 传热数值模拟方法 的应用较少。同时，进行的大量 工作只是基于冷却角度 ，不是热管理 的角度，只重 视零 部件 开发 ，不 重视 系统 之 间的 匹配 ，没有 从 系 统集成与整体角度 出发对热量传递过程进行优化及
9、控制 ，使得能量利用率较低 。 因此 ，对车辆热管理系统的要求 ，一方面要使 其在发动机各种环境、各种工况下都能满足动力系 统 的散热需求 ，保证发动机正常有效运转 ；另一方 面要应用多种研究手段 ，从整体与集成的角度 ，综 合考虑发动机与周 围各个热流系统之 间的相互关 系，通过优化匹配 ，使冷却系统工作在最佳 的工作 状态 ，使车辆具有 良好的动力性和经济性 。 3 车辆热管理 系统研究进展 高性能的车辆热管理系统的控制 目标是提高燃 料经济性 ，降低排放，增加功率输 出和车辆承载能 力 ，降低气动阻力损失和车辆维护费用，提高可靠 性 以及车辆对环境的适应能力L 4 。目前 ，车辆热管 理
10、 系统 的发展方 向主要包 括 以下几 个方 面 。 3 1 热 管理 系统控 制 智能化 随着计算机技术及发动机电控技术的发展，采用 电子驱动及控制的冷却水泵、风扇、节温器等部件， 可以通过传感器和计算机芯片根据实际的发动机温度 控制运行，提供最佳的冷却介质流量 ，实现热管理系 统控制智能化，降低了能耗，提高了效率 2 。 3 1 1 电控水 泵 电 控 水 泵( 见 图 2 ) 由 电 机 驱 动 ，可 以 对流量进行 独立控 制。 电控水泵由于不用曲轴 驱动 ，安装位置 比较灵 图2电 控 水 泵 活 ，可 以优 化 水 泵水 力 特 性 设 计 ，减 少 压 力 损失 。 同时 ，采用
11、 电控水 泵，在发动机停 机后仍 可以工 作 ，这样就避免了当车辆高负荷运转停机后，发动 机缸体内温度过高的现象。C h o等l 6 用电控水泵取 代传统机械水泵 ，利用试验和模拟对 比分析发现 ， 通过控制水泵转速并提高电控水泵效率 ，功率消耗 降低量超过 8 7 ，对提高发动机性能和燃料经济 性潜力很大。张钊等 7 建立了发动机电控冷却系统 性能分析平台，对汽车发动机电控冷却系统的运行 控制优化进行 了研究 ，电控冷却系统 采用 电子部 件 ，解除水泵与主轴间的耦合关系，通过精确控制 水泵转速，有效提高了冷却系统效能 ，降低 了冷却 系统功耗 。法雷奥公 司l 8 开发 了 t h e m
12、i s电子调节 系统 ，该系统是通过对水泵流量和冷却空气流量来 进行 控制 和调 节 的 ，由于水 泵 的转 速 独立 于发 动机 的转速，可以根据水温的实际变化需求来调整水泵 转速 ，减少了不必要的传热损失和机械损失 ，提高 了发 动机 的效 率 。 3 1 2 电控 风扇 电控 风扇( 见 图 3 ) 一 般 由电 动 机 或 液 压 马 达 直 接 驱 动，采用智能控制模式 ，根据 温度传 感 器采 集 的温 度信 号 ( 如水 温和进气 温度) 自动调 整风扇 的转速 ，使发动机工作 在最佳 温 度 ，在满 足整 机散 热 要求的前提下 ，有效降低风扇 的功率消耗和噪声 ，最终达到节能
13、降噪的 目的。韩 国现代车辆公司 9 生产的某型轿车 ，对散热器和冷 凝器的冷却风扇分别进行 电控 ，对冷却液温度和空 调冷凝器温度进行多级联合控制 ，结果风扇功率消 耗减少 了 9 0 ，节省燃油 1 0 。丰田公司_ 1 叩则开 发 了采用电液比例技术控制发动机冷却风扇系统 ， 其冷却风扇转速独立于发动机的转速 ，能够根据发 动机的实际需求对风扇进行调节 ，能保证在任何车 速下发动机都有 良好 的冷却空气 流量，具有 能耗 低 、噪音 低 、布 置 灵 活 多 变 等 优 点 。苏 忆 l 1 设 计 了以 AT 8 9 C 5 1 c MOS S单片机为控制核心的微控制 系统 ，实现 了
14、电控 风扇对冷却 系统水温 的精确调 节 ，保证了汽车在预热、过热及正常运转等各种工 况下的可靠工作 。甄胜祥等_ 1 针对工程机械在高 原地区工作热负荷过大的问题 ，应用独立液压马达 驱动风扇热平衡控制技术 ，对某高原型挖掘机进行 了改进 ，有效地减少了发动机磨损 ，提高了工程机 械的可靠性和经济性 ，延长了使用寿命。 内 燃 机 与 配 件 2 0 1 4年第 2期 3 1 3电控 节 温器 节 温 器 是 车 辆 冷 却 系 统 中 控 制 冷 却 液 流 动 路 径 的 关 键 部 位 。与 传 统 的 节 温 器相 比 ， 电控 节 温 器 ( 见 图 4 ) 流 动 阻 力 小 ，
15、感 应 时 间 短 ，反 应速度快 ，且其阀门开度可任意调节，当发动机高 速、高负荷运转时 ，电控节温器可以更快地降低冷 却液温度 ，使得发 动机得到快速冷 却。中低负荷 时，可以提高冷却液温度 ，从而减小该负荷下 的传 热损 失与摩 擦 损失 ，进一 步优 化燃 烧 。另外 ，电控 节温器稳定的工作性能和较高的调节精度可以保证 发动机工作平稳 ，有利于延长发动机的使用 寿命 。 郭新民等 1 。 对汽车智能化可控式冷却 系统 的开发 进行了较多研究，他们开发出能够对节温器实现多 元联合控制的智能冷却系统 ，该系统可以精确、自 动地调节发动机冷却液的温度 ，使发动机在各个不 同工况下都能在最合
16、适的温度范围内工作 ，提高了 发动机的工作可靠性和经济性 。 3 2 热 管理 系统材 料 多样化 由于目前车辆热管理系统材料 比较单一 ，传统 散热 器 的设 计 方法 已经趋 近极 限 ，因此 ，急 需一种 全新 高 效 的冷 却 理 念，来 实 现冷 却性 能 的极 大 改善 。 3 2 1 高级传热流体 阿尔贡 ( Ar g o n n e )国家实验室l 1 已经研制出 一种导热纳米微粒来提高发动机冷却液及机油的导 热特性。纳米流体是一种工程传热流体 ，通过在传 统传热流体 ( 水、乙二醇混合物和机油)中分散纳 米金 属 微 粒 形 成 。测 试 结 果 显 示 ，利 用 它 可 提 高 4 O 的 导热率
