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1、汽车热管理现状发展综述自从汽车产生以来，排放以及燃油经济性有关先进科学技术陆续应用到了内燃机上，汽车性能得到了明显的改善。在内燃机燃烧系统、气体热交换系统以及发动机控制系统的发展与改进方面，我们都花费了大量的精力。为了提高发动机的性能，但是，在之后的35年，我们都在发动机及其动力总成上花费了很大的精力，收获却越来越小，成本越来越高。幸运的是，现代工业已经发现并探索出了“最后的领地”汽车热管理。何为汽车热管理系统？汽车热管理系统是从系统集成和整体角度出发，统筹热量与发动机及整车之间的关系，采用综合手段控制和优化热量传递的系统。先进的热管理系统设计必须同时考虑发动机冷却系统与润滑系统、暖通空调系统
2、（HVAC）以及发动机舱内外的相互影响，采用系统化、模块化设计方法将这些系统进行设计集成、制造集成，集成为一个有效的热管理系统。其必须能根据行车工况和环境条件，自动调节冷却强度以保持相应的部件在最佳的温度范围内工作，改善汽车各方面的性能，例如燃油经济型、驾驶舒适性等。因此，开发高效可靠的汽车热管理系统已经成为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问题。因此采用先进的热管理系统设计理念，应用汽车现代设计方法和手段，对汽车热管理系统进行深入研究具有十分重要的意义。1. 国内汽车热管理系统的研究现状发动机冷却系统作为发动机正常稳定运行的重要辅助系统，国内学者和企业对其研究一直在不断地深
3、入和扩展。在燃烧放热，活塞、缸套、气缸盖温度场与热负荷，缸内气体流动与传热，散热器设计，风扇设计优化，排气系统传热等方面做了大量的研究工作。目前，国内对汽车整车或者整机的热管理研究并不成熟，还处于初级阶段。国内对整车或者整机的研究主要集中在某几个高校，如同济大学、浙江大学、西安交通大学、清华大学等；而只有几所高校研究发动机的整机热管理，并且还处于起步阶段；而对于整车的热管理研究，国内几乎没有可以承担的。国内大部分企业主要针对某些零部件做单一的研究，并没有把部件统一起来作为整体来考虑。对于小型轿车来说，冷却系统趋于向高性能方向发展，电控应用技术越来越多；但是对于重型车辆来说，改变并不是很大。重型
4、汽车热管理系统基本结构在过去的4050年里变化不大，有些部件(冷却液泵和节温器)的设计基本上没改变过。传统的节温器通常采用的是注蜡式节温器，它只能在一定的冷却液温度(80一85)内进行单点控制(节温器在85时开启，80时关闭)，不能满足未来的冷却系统对冷却液流量精确控制的要求。研究表明。在25大气温度时，路上运行的负载车辆，其节温器打开(大循环)时间仅占总时间的10。另外，也是因为发动机制造商仅对节温器和冷却液泵有具体的要求，而汽车制造商对风扇和散热器有特殊的要求。所以，这种传统的彼此分开的热管理设计无法使系统最优国内郭新民等对装载机冷却系统控制装置进行了研究，该发动机冷却系统中的风扇和水泵由
5、液压马达驱动，利用单片机根据冷却水温度的变化调节电磁比例溢流阀的溢流量以实现冷却风扇和水泵转速的自动调节。通过试验结果，我们可得出，低温预热时，该控制装置可使预热时间减少50%，提高了暖及速度，预热阶段节约燃油43%。另外，还有张钊等对某发动机电控冷却系统进行了试验和仿真计算，最后结果表明，先进的智能化电控冷却系统技术，可使发动机在不同工况下均能工作在最佳温度范围，大幅度提高冷却系统效能，减小泵损失，从而提高发动机的燃油经济性和动力性。而厂家，也有单位对发动机热管理投入了很大了精力。2007年，郑州宇通集团有限公司生产的客车采用了发动机热管理技术，能够精确控制发动机冷却水温度（8695），行驶
6、百公里可以节约燃油5%10%。另外，潍柴也对发动机的热管理也在进行相关的研究。另外，有一点我们值得注意，就是我们国内的实验条件还不完善。只有某几所大学可能才有最基础的实验条件。大部分高校或者企业并没有完整的热管理实验平台。例如，清华大学建设有国内第一个汽车热管理系统试验平台。该试验平台为汽车热管理，特别是燃料电池汽车热管理的技术研究提供相应的平台技术支持。同济大学倪计民等建立了发动机热管理系统试验平台，试验平台包括驾驶室取暖器、节气门加热装置、发动机罩等，结构与整车相同可以研究热管理系统中各部件的工作特性，进行发动机各种工况的热性能试验研究。浙江大学谭建勋等进行了工程机械热管理系统试验平台的开
7、发。该试验平台能够较准确地测量系统各部件热特性参数，同时也可以评价整车的冷却系统性能，优化整车的散热系统匹配设计。而真正这对于我们内燃机车的整车热管理还是几乎没有，所以发展道路任重而道远。汽车热管理系统主要用于发动机冷却和温度控制，其中包括对发动机、机油、润滑油、增压空气、燃料、电子装置以及排气再循环（EGR）的冷却和对发动机舱及驾驶室的温度控制等。而发动机的热管理在国内相对整车热管理来说研究比较多；对于整车的热管理研究，由于限于试验条件及技术原因，在国内还几乎没有。研究方向主要集中于整机的热管理系统，2 发动整机热管理研究2.1发动机热管理研究存在的问题发动机按冷却方式可以分为水冷发动机和风
8、冷发动机；水冷发动机冷却效果好，是最常用的。而风冷发动机主要应用于沙漠地区的军用车辆上，应用并不广泛。因此，以下主要介绍水冷发动机的热管理研究现状。 水冷发动机通常采用闭式强制循环冷却系统，主要由冷却水套、水泵、风扇、散热器、节温器、循环管路等组成。由于组成冷却系统的部件众多且结构复杂，加上发动机运行工况的多样性，其影响因素也是多方面的。总体上来说，影响因素主要包括以下几个方面：循环冷却水量、冷却空气流量、冷却水道结构和散热效率。而现行的发动机的冷却结构基本上还是几十年前的结构，并没有大的变化，如图1。大部分发动机的冷却系统还是传统的被动系统，只能有限地调节发动机和汽车的热分布状态，不能精确控
9、制循环冷却液量和冷却空气流量，因此也不能使发动机的各个部件工作在最佳温度范围内。如图1所示，冷却系统的风扇和水泵还是由发动机驱动，因此，冷却介质流量要取决于发动机的转速。这些都导致了系统不能按照发动机的实际的冷却需求供给冷却介质，从而导致了发动机的工作状况恶劣，燃油消耗高，排放量大等。另外，在发动机热管理研究中，国内大部分厂家并没有从整体考虑整机的热管理。他们把冷却系统与润滑系统分离开来考虑，而不是从系统集成及整体角度出发来控制和优化热量传递过程，使得能量利用率较低。同时还会造成大负荷时关键部件冷却不足、中小负荷时冷却过度，以及发动机停机后关键部件温度过高的等问题。因此，发动机热管理系统这就对
10、现代发动机提出了更高的要求，即能满足汽车动力系统在各种工况下运转时的需要，还能保证关键区域具有足够的冷却强度，另外还要降低整机的散热量，减小对整机热管理系统的散热要求。图1. 传统的汽车冷却系统2.2 现代汽车发动机整机热管理研究方向 对于单独的冷却系统主要研究的是发动机冷却部件的散热情况，而发动机热管理则涉及发动机全系统及整车。将冷却系统研究整合到发动机热管理中，能充分考虑冷却系统对整车性能的影响，将冷却系统的效率提高到最理想值，最大限度地发挥冷却系统的功用。对于发动机的热管理主要从以下几个方面来介绍。2.2.1 结构设计的优化结构优化也就是改进水套的结构，使冷却液的流动分布最优化。下面主要
11、介绍两种应用，即“精密冷却”和“分流式”系统。“精密冷却”是近十几年提出才提出的新名词；它最早是Cloudh M.J是1992年提出的，即能利以达到最佳的温度分配用最少的冷却。而精密冷却系统的设计关键在于确定冷却水套的尺寸，选择匹配的冷却水泵，保证系统的散热能力能够满足发动机低速大负荷时关键区域工作温度的需要。热关键区域需要接受强烈的冷却，同时非关键区域要依赖于汽缸盖与机体的结构的热传导，这会导致更多的温度分布，减少热应力并且缩小汽缸与汽缸之间的温度差异。而精密冷却对于汽油机来说，其潜在的优势是较低的摩擦，更快的加热，爆震阻力加大以及气缸与气缸之间温度差异性更小；最终来说，它降低了燃油消耗和排
12、放。另外，通过研究表明，采用精确冷却系统的发动机，在整个工作转速范围内，冷却液流量能降低40%，尤其适用于机体内纵向流的动的精密冷却。还有一点要注意，由于抗爆性的改进和铝制汽缸盖的广泛应用，因此相比柴油机而言，精密冷却更适合于汽油机。图2.发动机精密冷却系统的应用 除了“精密冷却”理念,另外还有一种著名的理念，即分流式冷却系统设计，这也是国外提出的。主要思想就是，把汽缸盖和汽缸体划分为不同的冷却回路，也使得它们具有不同的温度。我们希望发动机理想的工作状态时，汽缸盖温度低而汽缸体温度高。这是因为较低的汽缸盖温度有利于进气和改善排放，二较高的汽缸体温度有利于减低摩擦损失，改善燃油经济性。简单的来说
13、，就是分流式冷却系统的优势在于使发动机各部分在最优的温度设定点工作，达到较高的冷却效率。无论是精确冷却系统还是分流式冷却系统，都要求对发动机冷却水套进行必要的改进以优化冷却液流动，同时还需要相应的程序进行控制才能达到最佳效果。从设计和使用角度看，分流式冷却和精确冷却相结合具有很好的发展前景，有利于形成理想的发动机温度分布，满足发动机对未来冷却系统的要求。2.2.2 智能化控制采用电子驱动级控制冷却水泵、风扇、节温器等部件，可以通过传感器和电子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，降低能耗，提高效率。国外Valeo Engine Cooling（VE
14、C）公司在1992年开发出了一种由电控水泵、电控节温器和电动风扇组成的发动机冷却系统；该系统可以节省燃油5%，降低HC排放10%，但氮氧化物排放增加10%-20%，原因是发动机冷却液温度升高致使燃烧温度升高。另外，他们在1999年又提出了在发动机上配置一种名为THEMIS的先进发动机热管理系统，其主要部件包括电控水泵。电控节温器和电控风扇，其中风扇的转速根据冷却液温度和空气调节循环参数来调节，从而能够降低噪声和燃料消耗。不光各方面的性能都得到了提高，同时氮氧化合物水平也保持不变。另外，Paget等在一辆中型军用货车上安装了先进的热管理系统。系统主要部件集中安装在驾驶舱后侧的热管理系统模块舱(驾
15、驶室影响模块舱进气)中，舱内包括动力系统的散热器、水冷中冷器的散热器、混合水箱、电控风扇、电控水泵和电控节温器，而中冷器和机油冷却器位于动力系统附近。试验结果表明，系统采用PID控制，动力系统的冷却液温度控制比较精确，波动小于5，暖机时变速器机油升温到80时间减少约50稳定状态燃油经济性改善520。 当然，国内也有些公司在这方面做了一些研究，但是只是处于初步阶段。如上文说的郑州宇通集团有限公司就采用了发动机热管理技术。 总体来说，智能化热管理系统研发的关键技术是热管理系统与发动机运行的匹配的技术以及系统优化控制策略的选择问题。系统仿真分析表明系统仿真分析表明，热管理系统效率很大程度上依赖于系统
16、优化控制策略，控制对象包括水泵转速、电控节温器阀门开度以及冷却风扇转速等。可以根据汽车发动机实际工作和试验情况，依据系统优化原则来制定智能化电控热管理系统控制策略。使发动机在不同工况下均工作在最佳温度范围，缩短暖机和驾驶舱升温时间。提高发动机后冷却和驾驶舱后加热能力。2.2.2 新型材料的应用 目前，汽车热管理材料比较单一，散热材料多为铜、铝及铝合金，冷却介质只要是水和乙二醇混合物。传统散热器的设计方法已经趋于极限，因此需要一种全新的高效冷却理念来实现冷却性能的极大改善。而纳米流体作为散热器的冷却介质冷却潜力巨大，石墨泡沫液为汽车提供了全新的热管理材料。而新材料的应用最终目的还是为了提高零部件的冷却效率。 陶瓷材料在发动机上的应用是个新方向。国外，如美国、英国、日本等国家对这方面的研究比较早，同时也取得了一些成果。它的基本原理是对组成发动机燃烧室的零部件表面喷涂耐高温的陶瓷涂层或者直接利用陶瓷材料制
