車用發動機熱管理技術研究

穆遠超

摘 要：文中說明了車用發動機冷卻系統當前尚有的問題;并對現下世界上先進的研究手段以及設計思路進行了介紹，如智能化電控冷卻系統、熱管理材料研究等;最后，預測了提高發動機冷卻系統效率的方向。

關鍵詞：發動機 熱管理 冷卻系統

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

當下，一方面是發動機結構的緊湊化，另一方面是單位體積功率的提高，這兩方面的因素導致發動機熱流密度變大，目前幾乎所有的發動機都面臨著如何解決高功率密度下的冷卻及熱平衡問題，既要良好的經濟性，又需要更大的功率。同時，排放標準的更加嚴格也是冷卻系統面臨的一大問題。所以，要想改善發動機的經濟性以及提高其效率，就必須擁有效率和可靠性都更高的冷卻系統。圖1所示為發動機熱管理系統：

2 影響發動機冷卻的因素及問題

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

對于發動機來說，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，同時加劇發動機的磨擦損耗。所以，無論發動機是在何種工況下工作，其冷卻系統都要達到發動機的散熱需求，同時減少整體散熱量，從而降低對冷卻系統的要求，提高能量利用率，使發動機具有良好的經濟性。

3 目前有效的提高發動機冷卻效果的方法

3.1 冷卻系統的智能化和可控化

在以往的冷卻系統當中，一般通過機械驅動的冷卻風扇和冷卻水泵來進行冷卻散熱，而由發動機轉速來決定冷卻介質流量，這種方式是沒有辦法在發動機所有工況下對其水溫進行有效控制的。此外，這些部件耗功十分嚴重，單是風扇所耗功率就大約占去了發動機功率十分之一。而將冷卻系統進行電子控制，則是利用ECU以及一系列的傳感器，以發動機實際溫度為依據，而實現的控制方式，從而能夠使得冷卻系統控制的智能化和可控化，且能夠節能、提效。Elena Cortona等合作研制了電動冷卻系統，該系統中，不僅是淘汰了機械冷卻水泵，取而代之以電動水泵，而且電控智能節溫器取代拋棄了老式節溫器，代之以電子控制的節溫器，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：在對水泵轉速和效率實行相應控制后，其所耗功率減少近87%，而如果使水泵轉速達到最大值，則散熱器體積能夠減小近27%，這對改善發動機性能有著重要意義。

3.2 冷卻水套結構優化

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構的影響。Kobayshi等早在1984年提出分流式冷卻系統的設計，也就是將氣缸蓋設計為一個冷卻回路，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，可以改善進排氣;二是氣缸體溫度相對高，可以減少摩損，提高車輛經濟性。該設計的優勢在于使發動機各部分在最優的溫度設定點工作，冷卻效率得以提升。通過實驗得到的數據可知：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℃，則發動機壓縮比可以從9升高至12，則發動機在部分負荷時可節油百分之五、怠速時可節油百分之七，而在滿負荷時提升百分之十的功率。Finlay[5]等驗證了使用該系統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%，在部分負荷時HC排放降低20%～30%。

3.3 熱管理系統材料多元化

現下，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。冷卻介質主要是水和乙二醇混合物。傳統散熱器的設計方法已經趨近極限。而兩種新材料：石墨泡沫和納米流體，如若用作冷卻介質，其所展現的冷卻性能定然相當卓越。

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是納米流體導熱率比值和納米微粒直徑的關系。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碳泡沫，右邊則為球形網狀的石墨泡沫，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，導熱率則是傳統碳泡沫的3—9倍，當下此種材料的導熱率已至187W/mk。所以，使用石墨泡沫能夠減小散熱器的體積，使發動機蓋變低，減小空氣阻力，擴展駕駛員可視范圍，改善駕駛安全性。

3.4 冷卻介質流動的合理組織

冷卻液和冷卻空氣是發動機主要的冷卻介質。在閉式強制循環冷卻下，冷卻效果的好壞主要取決于水腔內冷卻液的流動。優化冷卻水套構造，獲得合理的冷卻流量和流場分布，變成了發動機高強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。要想研發精確冷卻系統，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到發動機散熱要求。通過一系列研究可知：當使用精確冷卻方式進行散熱的時候，發動機在任意工況下，均可減少40%的冷卻流量。同時，采用精確冷卻方式，可使暖機過程縮短，熱損降低，摩擦和水泵能耗減少，增強抗爆性。隨著抗爆性的提升以及鋁制氣缸蓋的普及，所以汽油機與柴油機相較而言，前者更加適宜使用精確冷卻。

與前面的分流式冷卻系統相比，精確冷卻和分流式冷卻兩種冷卻方式，均需要改善發動機冷卻水套的結構，目的是獲得合適的冷卻流量以及合理的流場分布[5]。從以后的應用前景來看，精確冷卻和分流冷卻兩種冷卻方式，若能恰當的聯合在一起使用，將擁有一個很好的市場前景，可以更好的對發動機進行冷卻降溫。

4 結束語

隨著發動機技術的發展，其性能的逐步提升，以往的發動機冷卻系統已不能完全適應發動機冷卻的需求，所暴露出的問題也日趨嚴重，當下通過先進的發動機設計技術來獲得其冷卻系統的升級改造，已然成為冷卻系統的一個重要發展方向。不論是在有效性方面，還是在實用性方面，在當下冷卻系統眾多的研制方向里，改進冷卻介質的流動都是其中十分重要的一環。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合起來，能夠獲得氣缸體高溫時，氣缸蓋低溫的對發動機有利的工況，此種情況下能夠獲得最佳的冷卻效果，因此，這種應用方式在未來也必然是冷卻系統研制的重要途徑;另外，隨著車輛的智能化和電氣化程度逐漸提高，加強冷卻系統的智能水平和可控程度已成為必然趨勢。但是，若要使冷卻效果達到理想狀態，冷卻系統在最佳狀態下運行，都必須對發動機進行熱管理研究，同時研究熱管理所使用的一些方法，也必然是研究發動機冷卻性能所不可或缺的，這在提升發動機整體性能方面，有著非常重要的意義。

參考文獻：

[1]Imdat Taymaz.An experimental study of energy balance in low heat rejection diesel engine[J]，Elsevier Paper：Energy，2006（31）：364-371.

[2]成曉北等. 現代車用發動機冷卻系統研究[J]，車用發動機，2008.

[3]齊文江.淺談現代汽車發動機冷卻系統[J]，華東科技（綜合），2013.

[4]Perset D， Jouannet B. Simulation of a Cooling Loop for a Variable Speed Fan System[C]，SAE Paper 1999-01-0576.

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