柴油机冷却系统匹配的热管理技术

1、柴油机冷却系统匹配的热管理技术 王黎明1,2 张扬军2 李玉圭1(1.东风康明斯发动机有限公司 2.清华大学汽车工程系，汽车安全与节能国家重点实验室 )【摘要】冷却系统对柴油机的性能、排放和可靠性具有重要影响。本文分析了柴油机动力系统冷却的研究现状及难点，介绍了柴油机冷却系统匹配热管理技术的基本概念和先进理念。结合空空中冷柴油机冷却系统的匹配，探讨了热管理技术的具体应用。关键词： 柴油机 冷却系统 热管理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、引言随着我国国民经济迅速发展和人民生活水平日益提高，作为拉动国民经济发展的“三驾马车”之一的汽车业，这几年得到了空前发展，并明显呈现出加速发展的态势

4、。在快速发展过程中，商用车慢慢向重型化、轻型化两极发展，同时走向高档豪华化，特别是重型车更显出这一规律，这就要求汽车的动力系统提供更高的动力。在商用车发展过程中，作为其主要动力柴油机也经历了从非增压增压增压水冷中冷增压空空中冷的发展历程，这一过程也是发动机在相同体积情况下输出了更大功率和扭矩，以康明斯发动机6B系列为例：非增压6B发动机功率为130hp，扭矩为373N.m；而增压空空中冷6BTAA发动机功率已达到275hp，扭矩达到955N.m，功率提高112%，扭矩提高156%。这样，发动机的散热量基本随之翻番，在冷却系统占用空间变化不大的情况下，冷却能力却要加倍，这对冷却系统要求较高，特别

5、是空空中冷柴油机，不仅增大了散热量，而且对中冷后空气温度要求较严。当中冷后空气温度在较大范围内波动时，对发动机的动力性、经济性及排放都有较大影响，使各种性能指标恶化，进气温度偏高时对排放影响尤其明显。商用车在开发与使用过程中，往往出现以下四个方面的问题：（一）是发动机冷却能力不够，在夏天出现过热现象，这是冷却系统问题的主要表现，这直接影响发动机的性能及可靠性，使性能变差，寿命缩短；（二）是发动机的动力性不足，即性能变差；（三）是发动机不能工作在最优状态，比如在冬天暖机过程中和低速小负荷时，不需要冷却，传统做法是设计时不考虑这种情况，特别是发动机在暖机过程中，这时风扇照常工作，不但消耗功率，还使

6、暖机过程延长，此过程不但浪费燃油，还将产生大量的有害排放物，这使排放、经济性都变差，这一点还未引起国内公司的重视；（四）是风扇冷却风量只随转速变化，不随实际温度、负荷变化，不能满足实际冷却需要低速大负荷时冷却不够，高速小负荷时冷却过度。特别是中冷后空气温度夏天超过70，而冬天又不到40，对同一工况来说，燃油泵将供基本相同量的燃油，进气量差别较大，会导致燃烧恶化，使动力性、经济性、排放都变差。在排放日益严格的今天，这一点必将受到重视。 发动机在配套、使用过程中发现汽车故障的50%左右来自动力系统，而动力系统故障超过50%是由与整车连接的冷却系统故障引起的。这些故障将影响整车动力性、经济性、排放及

7、可靠性。因此，对冷却系统的研究是十分必要的。2 动力系统热管理的研究现状2.1 冷却系统的发展现在动力系统一般布置情况是，当发动机前置时风扇、水箱、发动机成直线布置，当发动机后置时，则风扇、水箱、中冷器在发动机一侧，与发动机平行布置。对前置发动机来说有迎面风，有助于冷却，但现在发展趋势是发动机前面、后面的遮挡物越来越多，气流不畅，留给冷却系的布置空间也越来越小，而发动机功率却越来越大，对冷却系来说需要散去越来越多的热量，冷却强度越来越大，这一些对冷却系设计带来不小的困难。对后置发动机来说，没有迎面风，不利于冷却，但空间较大，这有利于发动机及其系统合理布置。冷却系可以布置在发动机一侧，与发动机隔

8、开，形成单独冷却系区域，既不存在热空气回流，也不会受到发动机热辐射，而且冷空气从侧面进来后由于基本没有遮挡物，阻力小，有利于冷却。而且在发动机不需要冷却时，风扇运转对前置发动机产生影响，可能产生过冷情况，后置发动机就不会发生这种情况。针对传统风扇常啮合工作弊端，国内外都出现并使用一种带硅油离合器的风扇，其工作原理是当冷却液温度上升到一定温度时风扇开始工作；当温度低时硅油离合器开始脱开，这时风扇并不停止工作，而以较低速度运行，消耗功率很小，具有一定节能效果，而且离合器体积小安装方便。比如EQ140载重车就装有这种硅油风扇离合器，由于风扇离合器啮合、脱开时依然是定传动比驱动，对发动机产生载荷冲击及

9、热冲击，而且这种情况高速时频繁出现，对发动机可靠性、寿命都产生负面影响。同时此风扇转速与发动机同步运转，不能适应各种工况。针对传统风扇及带硅油离合器的风扇缺点，在80年代出现了电动风扇，由电机驱动，这种风扇有效克服了受发动机转速影响，可以针对发动机不同温度、负荷提供适合的风量达到冷却目的，缩短了发动机预热过程，减少传热损失，改善了经济性、排放。随着计算机发展，电动风扇已经实现了智能控制，同时风扇、散热器位置安装灵活，增加了风扇容积效率，提高了冷却效果，达到节能效果。受电源功率限制，目前该风扇只应用在小功率发动机上，无法大范围推广。并且电动风扇无法解决噪声大的问题针对以上三种风扇的缺点，在80年

10、代中期到90年代国外开始研究出了温控液驱风扇，该风扇能根据水温、环境温度及通风量自动调节风扇转速，具有以下优点：（1）风扇转速不受发动机转速变化影响，在任何车速下都可以足够大的冷却风量，使水温平均值始终在80-90最佳温度范围内，具有良好的降耗降噪效果；（2）由于驱动方式的改变，系统具有安装灵活的特点，可适用于各类发动机；（3）可减少或消除发动机风扇载荷冲击及热冲击对发动机工作状态及寿命影响。但该风扇系统结构复杂，价格昂贵，因此目前只应用在豪华高档车上，还未广泛普及，但这是风扇驱动方式的发展方向。图1是空空中冷柴油机热管理系统的简单结构示意图，中冷器与散热器叠合在一起，叠合处用橡胶密封，两实体

11、中间间隔大约10-30mm左右，并且中冷器在前，空气先经过中冷器对其冷却再经过散热器。图1 发动机管理系统简单结构示意图图2是空空中冷柴油机散热器、中冷器与风扇性能匹配示意图，图中曲线A指散热器与中冷器叠合在一起的阻力。实际匹配点是由理论匹配点乘以经验数据0.65得到，这只是大概情况，最后要经过试验验证并修改。图2 散热器与风扇性能匹配图2.2 冷却系统研究的现状国内对热管理 (thermal management)的研究基本处于起步阶段，各汽车公司基本停留在冷却系统研究的初级阶段（即国外初期的cooling system），一般只要求发动机冷却系不过热，未从节能、降噪、减少排放、延长寿命等角

12、度出发来匹配冷却系统。当前，国外大公司对动力系统主要部件及热管理部件如散热器、中冷器的研究已相当成熟，系统匹配已经综合考虑整车动力性、经济性、排放、乘坐舒适性、可靠性等，并做到了智能化管理。并且国外整车公司与发动机公司都做这方面工作。而在国内，这方面的工作基本局限于大学，整车企业只是刚开始，进行的工作只基于冷却角度，不是热管理的角度，关键是现在一般只注重部件开发，不重视系统的匹配，没有当作一个整体一个系统来考虑。2.3 冷却系统的难点 汽车热管理主要包括汽车热管理对象的热特性研究、冷却系统集成以及热能综合利用等主要内容。其中冷却系统集成技术，是热管理研究的主要难点和核心关键技术。冷却系统集成，

13、包括冷却系统与热管理对象集成、冷却系统与整车集成等研究内容，是在热交换器、冷却风扇、水泵等冷却系统关键部件研究的基础上，综合考虑热管理对象及整车布置等要求，进行冷却系统集成设计和匹配优化另一个难点是试验时发动机各个系统、冷却系统和整车之间的相互作用、相互影响，包括发动机工况、行驶工况和不同地区的气候环境，导致数据不准，给试验带来难度；3 冷却系统匹配的热管理技术3.1 热管理的基本概念汽车热管理是从系统集成和整体角度，控制和优化汽车的热量传递过程，将各个部件冷却系统、预热与保温系统、气候控制系统（联合式暖风、空调系统和通风系统）等集成为一个有效的热管理系统，保证关键部件、系统安全高效运行，控制

14、和优化热量传递过程，减小冷却系统的尺寸和功率消耗，完善地管理并合理利用热能，降低废热排放，提高能源利用效率，减少环境污染。对冷却系统进行集成设计、协调优化、系统匹配，达到比较理想的效果。3.2 热管理的特点 热管理的特点是综合考虑整个系统，充分利用系统的能量，使发动机运行在优化区域，从而改善整车的经济性、可靠性、排放等，达到节能、安全、环保等目的。3.3热管理的基本研究方法研究工作的主要技术方案为数值仿真模拟研究的结果来指导设计，再以试验验证，相互修正，互为补充。首先，根据部件原型和某些基本假设条件，建立较为初步的部件热计算模型。然后根据系统结构、车用工况条件、热物性参数以及外部热环境条件，得

15、到热管理系统的数学物理模型。对系统数学物理模型进行数值计算，得到计算结果可进行相应的热分析。仿真计算。在仿真软件基础上，建立各仿真系统之间的数据交换接口，建立完整的热流体系统仿真分析平台。利用仿真平台进行计算和分析。为系统设计、改进提供理论依据。试验研究。在理论研究的同时，进行动力系统热管理性能专项试验，用于中冷器、散热器、风扇、水泵等热管理系统关键部件的性能试验和热管理系统集成匹配试验研究。试验研究对仿真模型和数值算法进行校验，试验结果可用于热管理系统及部件模型的优化和改进。为系统设计、改进提供试验依据。 4 空空中冷柴油机冷却系统的匹配首先根据水套散热量等计算出动力系统总散热量，再根据散热

16、量的分配计算出散热器、中冷器等各自需要散去的热量来设计各部件。如图3所示为在仿真软件环境中搭建的一个较为简单的水系统单路循环热管理系统集成模型。利用仿真软件，建立各仿真系统之间的数据交换接口，建立完整的热流体系统仿真分析平台。利用仿真平台，根据各种车用工况，对热管理系统的部件、子系统级以及环境系统进行耦合实时的动、稳态热计算和分析，为热管理系统的集成优化设计研究提供平台支持。从而减少大量的试验，可以节省大量的人力、物力，缩短开发过程。同时在此基础上进行设计、试验，根据结果再改进。如对子系统匹配时存在相互影响问题：当中冷器效率增高时中冷后空气温度降低，进气温度每下降10，单位容积内气量增加3，进

17、气温度每下降1，最高燃烧温度和排温下降2.3，这有利于降低NOX有害物排放及提高经济性，理论上进气温度越低越好；由于中冷器置于散热器前，中冷器对冷却空气加热时散热器进口温度提高，相当于环境温度提高，使许用环境温度下降，冷却系适应高温气候的能力下降。因此，在匹配系统时应综合考虑各种因素达到最佳效果，这一点，利用仿真结果比较容易达到理想效果。图3 发动机单路循环热管理系统集成模型5 小结经过上述工作，在仿真、试验的基础上对系统进行合理匹配，达到优化，使发动机工作在最佳工作环境之中，从而达到改善发动机的经济性、动力性、可靠性及排放，达到满意的效果。冷却系未来的发展方向：从节能、安全、环保的角度匹配冷

18、却系。参考文献1 冷却系的选择和匹配（B系列柴油机应用工程用） 东风康明斯发动机有限公司 陈谔闻 2001年3月出版2 后置发动机汽车冷却系统的研究 东风汽车工程研究院 蒋学锋 汽车技术2000年第2期 3 内燃机冷却风扇温度控制液压驱动系统技术研究 青岛大学车辆电子技术研究所 张铁柱 张洪信 内燃机学报 2002年第3期 4 汽车热管理系统半物理仿真试验平台研究 清华大学汽车工程系 杨胜 清华大学工学硕士学位论文 2004年5月5 燃料电池汽车动力系统热管理 清华大学汽车安全与节能重点实验室 张扬军 李希浩 黄海燕 卢青春 汽车工程 2003年第6期 561-5656 Nonlinear Controller for Automotive Thermal Management S