汽车热管理系统的研究与应用

汽车热管理系统的研究与应用

1汽车热管理系统随着人们对汽车节能、环保、安全和舒适度的要求越来越高，世界上主要的汽车制造商正在开发出更先进的汽车热管理系统。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。其可根据行车工况和环境条件，自动调节冷却强度以保证被冷却对象工作在最佳温度范围，从而优化整车的环保性能和节能效果，同时改善汽车运行安全性和驾驶舒适性等。先进的汽车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（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，将冷却系统、润滑系统、HVAC等进行设计集成、制造集成，集成为一个有效的热管理系统（图1）。热管理系统工作性能的优劣，直接影响着汽车动力系统的整体性能。开发高效可靠的汽车热管理系统，已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实际意义。2要影响汽车热管理系统的设计汽车热管理系统主要用于冷却和温度控制，如对发动机、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。汽车热管理系统由各个部件和传热流体组成，部件包括换热器、风扇、冷却液泵、压缩机、节温器、传感器、执行器、冷却水套和各种管道；传热流体包括空气、冷却液、机油、润滑油、废气、燃料、制冷剂等，这些部件和流体必须协调工作以满足车辆散热和温度控制要求。由于组成汽车热管理系统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且错综复杂的。总体来说，影响热管理系统的主要因素主要有循环冷却液量、冷却空气流量、冷却水套结构和散热效率。目前，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汽车的热分布状态，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。传统的冷却系统中采用机械驱动的冷却水泵和冷却风扇，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。许多研究显示，传统水泵的泵水量仅在5%的时间内正确。此外，这些部件耗功严重，比如风扇消耗的功率可以达到发动机总功率输出的10%。传统的节温器通常为蜡式节温器，采用单点控制，控制响应慢，不能对流过散热器的冷却液流量进行精确控制。研究表明，在25℃大气温度时，质量为27.5t的货车运行时速为105km/h，其蜡式节温器打开时间仅占总时间的10%。目前，发动机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，温度变化范围较大，它们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。同时，冷却水套的结构对发动机的冷却效率也会产生较大的影响。此外，冷却系统、润滑系统和HVAC设计相对分离，这些都造成了当前的汽车热管理系统设计相对落后，不能从系统集成和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。同时也不能满足现代发动机在各种工况下运转时的散热要求，造成冬季发动机起动阶段暖机时间长、车室升温慢，大负荷时发动机关键部件冷却不足、中小负荷冷却过度，以及发动机停车后关键部件温度高等问题。因此，现代汽车的热管理系统要能够既满足汽车动力系统在各种工况下运转时的散热需要，保证关键区域具有足够的冷却，又要降低整车的散热量，减小对热管理系统的散热要求，还要能够对发动机舱和驾驶室进行温度控制，使汽车具有良好的动力性、经济性和舒适性。3汽车热管理系统汽车热管理不仅涉及发动机的冷却系统、润滑系统、增压系统和EGR,还涉及汽车的传动系统和HVAC等。将冷却系统、润滑系统和HVAC等系统集成为统一的汽车热管理系统，能充分考虑热管理系统对整车性能的影响，将热管理系统的效率提高至最理想值，最大限度地发挥热管理系统的功用。汽车热管理技术被列为美国21世纪商用车计划的关键技术之一，对提高整车性能潜力巨大。高性能的汽车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。目前，汽车热管理系统的发展趋势主要有以下几个方面。3.1发动机冷却系统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。ValeoEngineCooling(VEC）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。其电控水泵由电机驱动，可以对冷却液流量进行独立控制；由于不用曲轴驱动，安装位置比较灵活，可以优化水泵水力特性设计，减少压力损失；减少了V形带及齿轮对水泵轴承的循环侧向负载力，降低了驱动损失。电控节温器的控制系统由传感器、电机和控制模块组成，可以根据冷却液温度或者发动机部件温度来控制冷却液流量。电动风扇转速只有高速和低速两挡。试验表明，该系统可以节省燃油5%，降低HC排放10%，但NOx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。随着相关技术的进步，采用电控水泵和电控节温器控制的核态沸腾冷却成为可能，而核态沸腾传热具有较高的换热性能，在各种传热方式中效率最高，其不仅可以减小换热器、风扇和冷却液泵的尺寸，还可以减小冷却液流量及冷却水腔的容积，从而降低燃油消耗。N.S.Ap等提出了发动机的新型冷却系统的概念Newcool。该系统采用强迫对流/核态沸腾混合冷却，即强迫对流传热处理95%（中小负荷）的冷却要求，核态沸腾传热处理剩下的5%（大负荷）的冷却要求。Newcool后来被称为REROM冷却系统，和传统的冷却系统相比，其结构改变较小，用电控水泵替代传统水泵，加装带隔膜的特殊膨胀水箱，但它节约成本10%～15%，减轻质量20%～25%，减少冷却液体积20%～25%，减少燃油消耗2%～3%，降低CO排放10%，降低HC排放3%（欧洲燃油消耗与排放测试循环，MVEG）。VEC公司在1999年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FANTRONIC的转速能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。THEMIS能够根据驾驶条件和发动机负荷来管理和优化发动机温度，以改善发动机的冷却性能，使排放达到欧Ⅳ、欧V排放标准和北美CAFE标准。试验结果表明，与普通发动机冷却系统相比，该系统可节约2%～5%的燃油消耗，降低HC排放10%，CO排放减少20%，并保持NOx水平不变；可以缩短发动机暖机、空调制冷和车室升温的时间；该系统还具有良好的后加热功能，即当发动机停车后，可以使VolvoS80在环境温度-20℃时保持驾驶室温度30min基本不变。Page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（图2），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5%～20%。Cho等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87%；若将水泵转速提高至最大值时，可降低散热器尺寸超过27%，对提高发动机性能和燃料经济性潜力很大。Cortona等开发出的电控冷却系统中采用了电控水泵和电控节温器，并开发出与这些电动部件相应的优化控制策略。通过台架试验对比研究发现，在冷机起动的情况下，新的冷却系统能够显著缩短暖机时间，大大提高暖机温度。另外，电控节温器对冷却液的良好控制允许冷却系统有较高的出水温度。在相同的配置和冷却要求下，电控水泵的能量消耗仅为机械水泵的16%，即使考虑到电能的转换效率只有机械能效率的一半，整个冷却系统的能量消耗仍可降低2/3左右，优势十分明显。然而，Chanfreau等对THEMIS进行的试验结果表明，发动机燃油经济性的改善主要是由于电控节温器的作用，而不是电控水泵，因为电控节温器可以实现发动机暖机时冷却液“不流动”的控制策略，进而加快发动机暖机过程，缩短驾驶室升温时间，还可以降低水泵和风扇的功率消耗。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。结果表明，低温预热时，该控制装置可使预热时间减少50%，提高了暖机速度，预热阶段节约燃油43%。张钊等对某发动机电控冷却系统进行试验和仿真计算，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，减小水泵功耗，从而提高发动机的燃油经济性和动力性。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的温度（86～95℃），行驶百公里可以节约燃油5%～10%。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，热管理系统效率很大程度上依赖于系统优化控制策略，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。3.2热管理系统的结构优化3.2.1采用精细冷却系统冷却液流量、压力以及合理的流场分布都直接影响发动机的冷却效果。改进发动机冷却水套结构，寻求合适的流场分布，可以改善发动机的热负荷和热应力，防止发动机部件损坏，提高发动机零部件的使用寿命、发动机功率及燃油的经济性。Kobayashi等早在1984年提出即分流式冷却系统的设计，即气缸盖和气缸体有不同的冷却回路，使得气缸盖和气缸体具有不同的温度。较低的气缸盖温度有利于进气和改善排放，而较高的气缸体温度则有利于降低摩擦损失，改善燃油经济性。该设计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。试验结果表明，将流向气缸盖的冷却液温度降为50℃，而流向气缸体为80℃，可使压缩比从9提高到12，能够实现部分负荷状态节油5%、怠速节油7%、满负荷时的功率输出提高10%的目标。Finlay等验证了使用该系统可使两者温度相差约100℃，即气缸体温度可高达150℃而气缸盖温度可降低到50℃，较高的气缸体温度使油耗降低4%～6%，在部分负荷时HC排放降低20%～35%。节气门全开时，气缸盖和气缸体温度设定值最大可调50℃和90℃，从整体上改善了燃油消耗、功率输出和排放。逆流式水冷系统也是基于上述思想，将温度较低的冷却液首先引入气缸盖水套，然后流过气缸体水套，使得气缸盖温度比气缸体低。这种系统理论上可以提高压缩比和改善充气效率，但根据VEC公司在气候风洞的测试，逆流式水冷系统和传统水冷系统性能区别不大。Finlay还提出了“精确冷却”的概念，即利用最少的冷却以达到最佳的温度分配。精确冷却系统的设计关键在于确定冷却水套的尺寸及选择匹配的冷却水泵，以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求。研究表明，采用精确冷却系统，在发动机整个工作转速范围，冷却液流量可下降40%，使气缸盖水套流速达4m/s、温度降低60℃。Clough对四气门汽油机的气缸体和气缸盖进行改造，实现精确冷却，使得水套容积减少64%，水泵功率消耗减少54%，暖机时间也减少18%。3.2.2ccs基于晶圆式的过滤材料空气侧部件的空间布局对发动机舱内的空气流动和温度分布影响显著。Delphi汽车公司针对传统的冷凝器-散热器-风扇布置顺序的冷却模块（CRFM），提出了新的冷凝器-风扇-散热器布置顺序的冷却模块（CFRM）概念，即将风扇置于冷凝器和散热器之间。研究表明CFRM配置能驱动更多空气流过冷凝器和散热器，CFRM的空气流量较CRFM高16%。但CFRM布置顺序怠速时容易引起前端空气回流。Soldner等提出了一个新的概念：紧凑型冷却系统（CCS）。与传统的轴流式冷却系统相比，CCS系统为基于离心式风扇的径流式系统，散热器、中冷器和冷凝器都布置在风扇周围。与传统的轴流式系统相比，CCS系统每单位体积的性能提高了42%，噪音降低了6dB左右。同时，径流式风扇功率消耗为轴流式风扇的70%。但是，由于发动机舱纵向空间限制，CCS系统存在着一个内在的缺点———装配困难。这种技术已逐渐受到国内外研究人员的重视，并正处于研发阶段。Page等研制的军用货车热管理系统模块舱的散热也使用了离心式风扇，改善了模块舱内的通风散热。Avequin等提出了一种多用换热器，将散热器和冷凝器连接成单一模块。匹配该换热器的车辆风洞试验结果表明，换热器的体积减少近30%，质量减少5%～l0%，热性能也得到了提高。假如能够避免散热器和冷凝器之间的热过渡区，这种技术可以满足散热器和冷凝器的性能要求，使空气侧压降最小化，极大减少装配空间及其制造费用。VEC公司针对汽车前端的换热器越来越多的特点，研制出全新布局的汽车热管理系统UltimateCooling系统（图3）。该系统仅用一种冷却液（水）对汽车所有传热流体进行冷却，原来的风冷换热器（中冷器、冷凝器、机油冷却器、燃油冷却器）变为全新的水冷热交换器（WCAC、WCDS、WOC和WFC）。它们被从汽车前端移到发动机罩下，其中中冷器安装在发动机上，前端只有一个风冷多温度散热器，以提供高温循环和低温循环冷却。即高温循环对发动机、机油和EGR冷却以及对燃油和车厢加热，低温循环对空调制冷剂和燃油冷却。试验结果表明，汽车前端热管理系统体积减少40%，轻度碰撞不会损坏冷凝器，避免制冷剂泄漏，水冷式中冷器使增压空气的温度比原来降低4～20℃，燃油节省6%（28℃，AC/ON,MVEG）。另外，该系统还可以为HEV和FCEV的动力系统提供低温冷却。3.3采用高效冷却理念来实现冷却性能的改善目前，汽车热管理系统材料比较单一，散热器材料通常为铜、铝及铝合金，冷却介质主要是水和乙二醇混合物。传统散热器的设计方法已经趋近极限，因此急需一种全新的高效的冷却理念，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，石墨泡沫也为汽车提供了全新的热管理材料。3.3.1纳米流体导热率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）中分散纳米微粒形成，用来提高发动机冷却液及机油的导热率。纳米流体概念最先是由美国Argonne国家实验室的Choi等在1995年提出的。Choi等在流体中加入1%体积浓度的Cu纳米微粒，可以提高流体导热率40%，而加入1%体积浓度的C纳米管可以提高流体导热率250%。图4给出了不同纳米流体（金属微粒和氧化物微粒）导热率比值k/k0(k0为乙二醇导热率）和纳米微粒体积比的关系。其中，Cu微粒直径小于10nm,CuO和Al2O3微粒平均直径为35nm。Saripella等用Flowmaster建立了重型货车发动机冷却系统模型，进行了冷却液为基液（乙二醇/水各50%）和纳米流体（4%体积浓度CuO）的对比仿真，模拟结果表明，纳米流体冷却液可提高发动机功率5%，降低水泵功耗88%，减少散热器表面积5%。Routbort等进行了纳米流体（乙二醇+CuO）对金属的侵蚀机理试验，CuO体积浓度为0.1%～0.85%，散热器材料为Al3003，持续时间为3620h，试验显示CuO对Al3003几乎没有腐蚀，但其对聚合物水泵齿轮腐蚀比较严重，这也说明了材料选择的重要性。因此，将纳米流体作为散热器的冷却介质时，必须确保纳米流体使用时高效、安全和可靠。3.3.2石墨泡沫材料1997年Klett等在OakRidge国家实验室开发出第一种导热率超过40W/m·K的石墨泡沫材料。石墨泡沫为球形的网状结构（传统的碳泡沫为五角十二面体结构，如图5），接触表面积很大（>4m2/g），传热性能优良，具有较高的热扩散率以及优良的吸音和电磁屏蔽能力。这种石墨泡沫材料密度为0.2～0.6g/cm3，导热率比传统碳泡沫高3～9倍，比金属铝泡沫高10倍，目前导热率已经高达187W/m·K。因此，石墨泡沫作为全新的汽车热管理材料，可以使散热器的体积变得更小，降低了发动机罩的高度，进而降低风阻，改善驾驶员视野，提高安全性。Klett等用石墨泡沫材料做成一个22.9cm×17.78cm×15.27cm的换热器（散热器），安装在588kW的V8赛车发动机上，替代原有的68.6cm×48.3cm×7.6cm散热器。在车速为290km/h、水温99.4℃的稳定工况条件下，冷却水流量仅为57.5L/min，风扇空气流量仅是原来的2.3%。其整体传热系数要比传统的散热器提高10倍以上。因此，对于横截面积为48cm×69cm的汽车散热器，在具有相同的散热量的情况下，其尺寸可以减少到20cm×20cm。这样就可以减少散热器的体积、质量和费用，从而提高燃油效率。3.4汽车热管理系统的研究汽车热管理技术的研究手段主要包括试验研究和模拟研究。试验研究虽然周期长、花费高，但真实可靠，不仅为模拟研究提供充分的试验数据，还能验证仿真计算的精度，是汽车热管理研究必不可少的手段，依然得到研究人员的重视和应用。Clemson大学已经建成了专门研究智能热管理系统的试验平台，包括热源、智能节温器、散热器和可变速的水泵、风机等，Salah则通过该平台开发了多种发动机冷却水温非线性控制策略。清华大学正在建设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发。该试验平台能够较准