车用发动机热管理技术研究

穆远超

摘 要：文中说明了车用发动机冷却系统当前尚有的问题;并对现下世界上先进的研究手段以及设计思路进行了介绍，如智能化电控冷却系统、热管理材料研究等;最后，预测了提高发动机冷却系统效率的方向。

关键词：发动机 热管理 冷却系统

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

当下，一方面是发动机结构的紧凑化，另一方面是单位体积功率的提高，这两方面的因素导致发动机热流密度变大，目前几乎所有的发动机都面临着如何解决高功率密度下的冷却及热平衡问题，既要良好的经济性，又需要更大的功率。同时，排放标准的更加严格也是冷却系统面临的一大问题。所以，要想改善发动机的经济性以及提高其效率，就必须拥有效率和可靠性都更高的冷却系统。图1所示为发动机热管理系统：

2 影响发动机冷却的因素及问题

水冷式发动机通常采用闭式强制循环冷却系统，其结构部件包括节温器、冷却水套、散热器、循环管路等[1]。虽然影响冷却系统效率的原因众多，但综合起来，主要包括冷却水道结构、冷却空气流量、循环冷却水量和散热效率。冷却水道结构的更加合理在一定程度上可以使产生的涡流等减少，从而大大提高冷却效率。影响冷却空气流量的因素较多，包括机舱背压、流阻特性、风扇直径、水箱与风扇叶片相对位置等[2]。循环冷却水量的多少依据散热量的多少而定，而对于循环冷却水量的控制是十分重要的，特别是发动机燃烧室这样的热量积聚的部件和区域。散热效率则主要与散热器、中冷器等散热部件有关，同时散热器的散热面积必须足够大[3]。

对于发动机来说，无论是冷却不足，还是冷却过度，其可靠性均会在一定程度上下降，同时加剧发动机的磨擦损耗。所以，无论发动机是在何种工况下工作，其冷却系统都要达到发动机的散热需求，同时减少整体散热量，从而降低对冷却系统的要求，提高能量利用率，使发动机具有良好的经济性。

3 目前有效的提高发动机冷却效果的方法

3.1 冷却系统的智能化和可控化

在以往的冷却系统当中，一般通过机械驱动的冷却风扇和冷却水泵来进行冷却散热，而由发动机转速来决定冷却介质流量，这种方式是没有办法在发动机所有工况下对其水温进行有效控制的。此外，这些部件耗功十分严重，单是风扇所耗功率就大约占去了发动机功率十分之一。而将冷却系统进行电子控制，则是利用ECU以及一系列的传感器，以发动机实际温度为依据，而实现的控制方式，从而能够使得冷却系统控制的智能化和可控化，且能够节能、提效。Elena Cortona等合作研制了电动冷却系统，该系统中，不仅是淘汰了机械冷却水泵，取而代之以电动水泵，而且电控智能节温器取代抛弃了老式节温器，代之以电子控制的节温器，同时研制出一套完整的控制策略。Hoon Cho[4]等则是代之以电动水泵的同时，通过试验分析得知：在对水泵转速和效率实行相应控制后，其所耗功率减少近87%，而如果使水泵转速达到最大值，则散热器体积能够减小近27%，这对改善发动机性能有着重要意义。

3.2 冷却水套结构优化

冷却流量和其流场的合理分布对冷却作用有着重要影响。而流场的分布则主要受冷却水套结构的影响。Kobayshi等早在1984年提出分流式冷却系统的设计，也就是将气缸盖设计为一个冷却回路，而气缸体为另一个冷却回路。这样，气缸盖和气缸体就可以是不一样的温度了。而因此带来的好处有：一是气缸盖温度相对低，可以改善进排气;二是气缸体温度相对高，可以减少摩损，提高车辆经济性。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，冷却效率得以提升。通过实验得到的数据可知：若气缸盖部分的冷却液温度控制在50℃，同时，气缸体部分的冷却液温度控制在80℃，则发动机压缩比可以从9升高至12，则发动机在部分负荷时可节油百分之五、怠速时可节油百分之七，而在满负荷时提升百分之十的功率。Finlay[5]等验证了使用该系统可使两者温度相差约100℃，也就是气缸盖的温度能够减小至50℃，而氣缸体的温度能够升高至150℃，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%～30%。

3.3 热管理系统材料多元化

现下，在热管理方面，用于汽车上的材料还不多，一般也就是铜或铝，或者铝合金。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。而两种新材料：石墨泡沫和纳米流体，如若用作冷却介质，其所展现的冷却性能定然相当卓越。

3.3.1 纳米流体

纳米流体是一种工程传热流体，它是在以往的流体里加入纳米微粒而得来，对于提升冷却液等的导热率有显著作用。这一概念是Natl lab的Choi等最早提出。图2是纳米流体导热率比值和纳米微粒直径的关系。其中，Cu微粒直径小于10nm，CuO和Al2O3微粒平均直径为35mm。

3.3.2 石墨泡沫换热器

1997年Klett等在Oak Ridge国家实验室研制了第一种导热率超过40W/mK的石墨泡沫材料。图3所示的左边为五角十二面體的传统碳泡沫，右边则为球形网状的石墨泡沫，后者接触面积大，传热性能好。这样的石墨泡沫密度是0.2-0.6g/cm3，导热率则是传统碳泡沫的3—9倍，当下此种材料的导热率已至187W/mk。所以，使用石墨泡沫能够减小散热器的体积，使发动机盖变低，减小空气阻力，扩展驾驶员可视范围，改善驾驶安全性。

3.4 冷却介质流动的合理组织

冷却液和冷却空气是发动机主要的冷却介质。在闭式强制循环冷却下，冷却效果的好坏主要取决于水腔内冷却液的流动。优化冷却水套构造，获得合理的冷却流量和流场分布，变成了发动机高强化研制重要的组成部分。Clough M.J.于1992年使用“精确冷却”这一名词，也就是以最少冷却获得最佳温度分配。要想研发精确冷却系统，核心是冷却水套尺寸的选择，然后选用合适的冷却水泵，才能使其散热能力达到发动机散热要求。通过一系列研究可知：当使用精确冷却方式进行散热的时候，发动机在任意工况下，均可减少40%的冷却流量。同时，采用精确冷却方式，可使暖机过程缩短，热损降低，摩擦和水泵能耗减少，增强抗爆性。随着抗爆性的提升以及铝制气缸盖的普及，所以汽油机与柴油机相较而言，前者更加适宜使用精确冷却。

与前面的分流式冷却系统相比，精确冷却和分流式冷却两种冷却方式，均需要改善发动机冷却水套的结构，目的是获得合适的冷却流量以及合理的流场分布[5]。从以后的应用前景来看，精确冷却和分流冷却两种冷却方式，若能恰当的联合在一起使用，将拥有一个很好的市场前景，可以更好的对发动机进行冷却降温。

4 结束语

随着发动机技术的发展，其性能的逐步提升，以往的发动机冷却系统已不能完全适应发动机冷却的需求，所暴露出的问题也日趋严重，当下通过先进的发动机设计技术来获得其冷却系统的升级改造，已然成为冷却系统的一个重要发展方向。不论是在有效性方面，还是在实用性方面，在当下冷却系统众多的研制方向里，改进冷却介质的流动都是其中十分重要的一环。通过电控的方式将精确冷却和分流冷却两种冷却方式有效结合起来，能够获得气缸体高温时，气缸盖低温的对发动机有利的工况，此种情况下能够获得最佳的冷却效果，因此，这种应用方式在未来也必然是冷却系统研制的重要途径;另外，随着车辆的智能化和电气化程度逐渐提高，加强冷却系统的智能水平和可控程度已成为必然趋势。但是，若要使冷却效果达到理想状态，冷却系统在最佳状态下运行，都必须对发动机进行热管理研究，同时研究热管理所使用的一些方法，也必然是研究发动机冷却性能所不可或缺的，这在提升发动机整体性能方面，有着非常重要的意义。

参考文献：

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

[2]成晓北等. 现代车用发动机冷却系统研究[J]，车用发动机，2008.

[3]齐文江.浅谈现代汽车发动机冷却系统[J]，华东科技（综合），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.