車用發(fā)動機(jī)熱管理技術(shù)研究

穆遠(yuǎn)超

摘 要：文中說明了車用發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)當(dāng)前尚有的問題;并對現(xiàn)下世界上先進(jìn)的研究手段以及設(shè)計思路進(jìn)行了介紹，如智能化電控冷卻系統(tǒng)、熱管理材料研究等;最后，預(yù)測了提高發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)效率的方向。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī) 熱管理 冷卻系統(tǒng)

Research on Thermal Management Technology of Vehicle Engine

Mu Yuanchao

Abstract：The article explains the current problems of the automobile engine cooling system， and? introduces the current advanced research methods and design ideas， such as intelligently electronically controlled cooling systems， thermal management materials research， etc.; finally， the article predicts the direction of improving the efficiency of the engine cooling system.

Key words：engine， thermal management， cooling system

1 前言

當(dāng)下，一方面是發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的緊湊化，另一方面是單位體積功率的提高，這兩方面的因素導(dǎo)致發(fā)動機(jī)熱流密度變大，目前幾乎所有的發(fā)動機(jī)都面臨著如何解決高功率密度下的冷卻及熱平衡問題，既要良好的經(jīng)濟(jì)性，又需要更大的功率。同時，排放標(biāo)準(zhǔn)的更加嚴(yán)格也是冷卻系統(tǒng)面臨的一大問題。所以，要想改善發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性以及提高其效率，就必須擁有效率和可靠性都更高的冷卻系統(tǒng)。圖1所示為發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)：

2 影響發(fā)動機(jī)冷卻的因素及問題

水冷式發(fā)動機(jī)通常采用閉式強(qiáng)制循環(huán)冷卻系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)部件包括節(jié)溫器、冷卻水套、散熱器、循環(huán)管路等[1]。雖然影響冷卻系統(tǒng)效率的原因眾多，但綜合起來，主要包括冷卻水道結(jié)構(gòu)、冷卻空氣流量、循環(huán)冷卻水量和散熱效率。冷卻水道結(jié)構(gòu)的更加合理在一定程度上可以使產(chǎn)生的渦流等減少，從而大大提高冷卻效率。影響冷卻空氣流量的因素較多，包括機(jī)艙背壓、流阻特性、風(fēng)扇直徑、水箱與風(fēng)扇葉片相對位置等[2]。循環(huán)冷卻水量的多少依據(jù)散熱量的多少而定，而對于循環(huán)冷卻水量的控制是十分重要的，特別是發(fā)動機(jī)燃燒室這樣的熱量積聚的部件和區(qū)域。散熱效率則主要與散熱器、中冷器等散熱部件有關(guān)，同時散熱器的散熱面積必須足夠大[3]。

對于發(fā)動機(jī)來說，無論是冷卻不足，還是冷卻過度，其可靠性均會在一定程度上下降，同時加劇發(fā)動機(jī)的磨擦損耗。所以，無論發(fā)動機(jī)是在何種工況下工作，其冷卻系統(tǒng)都要達(dá)到發(fā)動機(jī)的散熱需求，同時減少整體散熱量，從而降低對冷卻系統(tǒng)的要求，提高能量利用率，使發(fā)動機(jī)具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

3 目前有效的提高發(fā)動機(jī)冷卻效果的方法

3.1 冷卻系統(tǒng)的智能化和可控化

在以往的冷卻系統(tǒng)當(dāng)中，一般通過機(jī)械驅(qū)動的冷卻風(fēng)扇和冷卻水泵來進(jìn)行冷卻散熱，而由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速來決定冷卻介質(zhì)流量，這種方式是沒有辦法在發(fā)動機(jī)所有工況下對其水溫進(jìn)行有效控制的。此外，這些部件耗功十分嚴(yán)重，單是風(fēng)扇所耗功率就大約占去了發(fā)動機(jī)功率十分之一。而將冷卻系統(tǒng)進(jìn)行電子控制，則是利用ECU以及一系列的傳感器，以發(fā)動機(jī)實際溫度為依據(jù)，而實現(xiàn)的控制方式，從而能夠使得冷卻系統(tǒng)控制的智能化和可控化，且能夠節(jié)能、提效。Elena Cortona等合作研制了電動冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)中，不僅是淘汰了機(jī)械冷卻水泵，取而代之以電動水泵，而且電控智能節(jié)溫器取代拋棄了老式節(jié)溫器，代之以電子控制的節(jié)溫器，同時研制出一套完整的控制策略。Hoon Cho[4]等則是代之以電動水泵的同時，通過試驗分析得知：在對水泵轉(zhuǎn)速和效率實行相應(yīng)控制后，其所耗功率減少近87%，而如果使水泵轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值，則散熱器體積能夠減小近27%，這對改善發(fā)動機(jī)性能有著重要意義。

3.2 冷卻水套結(jié)構(gòu)優(yōu)化

冷卻流量和其流場的合理分布對冷卻作用有著重要影響。而流場的分布則主要受冷卻水套結(jié)構(gòu)的影響。Kobayshi等早在1984年提出分流式冷卻系統(tǒng)的設(shè)計，也就是將氣缸蓋設(shè)計為一個冷卻回路，而氣缸體為另一個冷卻回路。這樣，氣缸蓋和氣缸體就可以是不一樣的溫度了。而因此帶來的好處有：一是氣缸蓋溫度相對低，可以改善進(jìn)排氣;二是氣缸體溫度相對高，可以減少摩損，提高車輛經(jīng)濟(jì)性。該設(shè)計的優(yōu)勢在于使發(fā)動機(jī)各部分在最優(yōu)的溫度設(shè)定點(diǎn)工作，冷卻效率得以提升。通過實驗得到的數(shù)據(jù)可知：若氣缸蓋部分的冷卻液溫度控制在50℃，同時，氣缸體部分的冷卻液溫度控制在80℃，則發(fā)動機(jī)壓縮比可以從9升高至12，則發(fā)動機(jī)在部分負(fù)荷時可節(jié)油百分之五、怠速時可節(jié)油百分之七，而在滿負(fù)荷時提升百分之十的功率。Finlay[5]等驗證了使用該系統(tǒng)可使兩者溫度相差約100℃，也就是氣缸蓋的溫度能夠減小至50℃，而氣缸體的溫度能夠升高至150℃，較高的氣缸體溫度使油耗降低4%-6%，在部分負(fù)荷時HC排放降低20%～30%。

3.3 熱管理系統(tǒng)材料多元化

現(xiàn)下，在熱管理方面，用于汽車上的材料還不多，一般也就是銅或鋁，或者鋁合金。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。而兩種新材料：石墨泡沫和納米流體，如若用作冷卻介質(zhì)，其所展現(xiàn)的冷卻性能定然相當(dāng)卓越。

3.3.1 納米流體

納米流體是一種工程傳熱流體，它是在以往的流體里加入納米微粒而得來，對于提升冷卻液等的導(dǎo)熱率有顯著作用。這一概念是Natl lab的Choi等最早提出。圖2是納米流體導(dǎo)熱率比值和納米微粒直徑的關(guān)系。其中，Cu微粒直徑小于10nm，CuO和Al2O3微粒平均直徑為35mm。

3.3.2 石墨泡沫換熱器

1997年Klett等在Oak Ridge國家實驗室研制了第一種導(dǎo)熱率超過40W/mK的石墨泡沫材料。圖3所示的左邊為五角十二面體的傳統(tǒng)碳泡沫，右邊則為球形網(wǎng)狀的石墨泡沫，后者接觸面積大，傳熱性能好。這樣的石墨泡沫密度是0.2-0.6g/cm3，導(dǎo)熱率則是傳統(tǒng)碳泡沫的3—9倍，當(dāng)下此種材料的導(dǎo)熱率已至187W/mk。所以，使用石墨泡沫能夠減小散熱器的體積，使發(fā)動機(jī)蓋變低，減小空氣阻力，擴(kuò)展駕駛員可視范圍，改善駕駛安全性。

3.4 冷卻介質(zhì)流動的合理組織

冷卻液和冷卻空氣是發(fā)動機(jī)主要的冷卻介質(zhì)。在閉式強(qiáng)制循環(huán)冷卻下，冷卻效果的好壞主要取決于水腔內(nèi)冷卻液的流動。優(yōu)化冷卻水套構(gòu)造，獲得合理的冷卻流量和流場分布，變成了發(fā)動機(jī)高強(qiáng)化研制重要的組成部分。Clough M.J.于1992年使用“精確冷卻”這一名詞，也就是以最少冷卻獲得最佳溫度分配。要想研發(fā)精確冷卻系統(tǒng)，核心是冷卻水套尺寸的選擇，然后選用合適的冷卻水泵，才能使其散熱能力達(dá)到發(fā)動機(jī)散熱要求。通過一系列研究可知：當(dāng)使用精確冷卻方式進(jìn)行散熱的時候，發(fā)動機(jī)在任意工況下，均可減少40%的冷卻流量。同時，采用精確冷卻方式，可使暖機(jī)過程縮短，熱損降低，摩擦和水泵能耗減少，增強(qiáng)抗爆性。隨著抗爆性的提升以及鋁制氣缸蓋的普及，所以汽油機(jī)與柴油機(jī)相較而言，前者更加適宜使用精確冷卻。

與前面的分流式冷卻系統(tǒng)相比，精確冷卻和分流式冷卻兩種冷卻方式，均需要改善發(fā)動機(jī)冷卻水套的結(jié)構(gòu)，目的是獲得合適的冷卻流量以及合理的流場分布[5]。從以后的應(yīng)用前景來看，精確冷卻和分流冷卻兩種冷卻方式，若能恰當(dāng)?shù)穆?lián)合在一起使用，將擁有一個很好的市場前景，可以更好的對發(fā)動機(jī)進(jìn)行冷卻降溫。

4 結(jié)束語

隨著發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其性能的逐步提升，以往的發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)已不能完全適應(yīng)發(fā)動機(jī)冷卻的需求，所暴露出的問題也日趨嚴(yán)重，當(dāng)下通過先進(jìn)的發(fā)動機(jī)設(shè)計技術(shù)來獲得其冷卻系統(tǒng)的升級改造，已然成為冷卻系統(tǒng)的一個重要發(fā)展方向。不論是在有效性方面，還是在實用性方面，在當(dāng)下冷卻系統(tǒng)眾多的研制方向里，改進(jìn)冷卻介質(zhì)的流動都是其中十分重要的一環(huán)。通過電控的方式將精確冷卻和分流冷卻兩種冷卻方式有效結(jié)合起來，能夠獲得氣缸體高溫時，氣缸蓋低溫的對發(fā)動機(jī)有利的工況，此種情況下能夠獲得最佳的冷卻效果，因此，這種應(yīng)用方式在未來也必然是冷卻系統(tǒng)研制的重要途徑;另外，隨著車輛的智能化和電氣化程度逐漸提高，加強(qiáng)冷卻系統(tǒng)的智能水平和可控程度已成為必然趨勢。但是，若要使冷卻效果達(dá)到理想狀態(tài)，冷卻系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下運(yùn)行，都必須對發(fā)動機(jī)進(jìn)行熱管理研究，同時研究熱管理所使用的一些方法，也必然是研究發(fā)動機(jī)冷卻性能所不可或缺的，這在提升發(fā)動機(jī)整體性能方面，有著非常重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

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[5]Robinson K，Campbell N A F，Hawley J G，et al. A Review of Precision Engine Cooling[C]，SAE Paper1999-01-0578.