汽车热管理系统浅析

漆杰，童元，赵少锋，王文

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽车热管理系统浅析

漆杰，童元，赵少锋，王文

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章从系统集成和整体角度，简述了汽车热管理系统的概念，以及具体热管理模块：整车热管理和发动机热管理的区别，包括工作对象、目的、意义，明确了热管理系统与热管理对象和整车的关系。此外，计算机技术以及发动机电控技术为手段的控制智能化，合理考虑性价比，是热管理技术的重要发展方向。

整车热管理；发动机热管理；系统集成；控制智能化

CLC NO.: U461.99 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-113-04

前言

汽车热管理技术是现代汽车开发的重要技术之一，其目的有:提高燃料经济性、降低排放、挖掘功率输出、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影响，和保证关键部件运行安全和汽车行驶安全。

从系统集成和整体角度，统筹热管理系统与热管理对象和整车的关系，采用综合控制和系统管理的方法，将发动机及各个部件的冷却系统、预热与保温系统、润滑系统以及空调系统等综合集成为一个有效的热管理系统[1]。保证关键部件、系统的安全高效运行，控制和优化热量传递过程，降低废热排放，提高能源利用效率，并减少环境污染，并在此基础上减小热管理系统的尺寸和功率消耗[2]。

1 热管理系统简述

汽车热管理系统根据单位的组织结构和研究的对象，一般分为整车热管理系统和发动机热管理系统两类。

发动机热管理系统，该系统围绕着发动机展开，工作重点是保证发动机正常有效运转，同时尽量减小该系统运行所消耗的功率，达到发动机热效率最大化。主要工作对象的有冷却系统、润滑系统、进排气系统。

整车热管理系统，以整车的流场为研究对象。主要研究发动机舱的热流场和的驾驶室（车厢）的人员环境的舒适性。发动机舱热流场的重点工作是非金属零部件、线束和油液，主要涉及这些内容的热老化及可靠性。围绕车厢展开工作重点是提高驾驶室的舒适度，具体的工作对象是制冷系统和暖风系统，统称为空调系统[3]。

1.1 发动机热管理系统

发动机热管理系统是将发动机中所有涉及到传热的系统当作一个大的综合系统进行考虑，以期望能得到发动机各个热流系统的精确边界参数。在发动机热管理系统中不但要考虑发动机上存在众多的热流系统，如冷却系统、润滑系统、进排气系统，而且其它一些汽车热流系统如空调系统、水暖系统等，因为和发动机的热流紧密相关也必须进行考虑。

为了发动机正常有效的工作，所有这些流动系统中的流体温度都有特定的要求。这些系统对于环境空气来说都是热源，因此环境空气的流动状况将决定它们的传热效果。

除了环境温度的影响之外，各个热流系统相互之间也有直接或间接的传热关系，将所有热流系统作为一个大系统进行综合考虑[4]。

恰当的热管理系统可以改善发动机的运行环境，提高发动机的使用寿命，降低发动机的燃油消耗，改善发动机排放。

1.1.1 冷却系统

冷却系统与上述的每个系统几乎都有关系，它是整个热管理系统的核心部分。冷却系统(图1)一般由发动机冷却水套、节温器、散热器、风扇、水泵以及水管组成，冷却液从发动机吸收热量然后通过散热器将热量传到大气中。

图1 发动机冷却系统

冷却液从发动机中吸热量过大将会造成发动机有效功率降低，从而增大单位功率的燃油消耗率。另外，冷却液从发动机中吸热量过大会造成燃烧室的壁面温度过低，这对发动机的燃烧也是极为不利的，对汽油机来说，燃烧室壁温太低不利于着火，会造成排放中CO和CH含量增高，对柴油机来说则会引起工作粗暴[5]。

冷却液从发动机中吸热量过小也同样存在问题。因为发动机燃烧室的金属材料都有一个温度的承受范围，特别是对于运动副来说，过高的温度（对于铸铁来说，温度大概在400℃～500℃，对于铸铝合金来说大约300℃～400℃）会降低金属的强度，从而导致运动副拉伤，甚至损坏。

冷却液在冷却系统中的温差也不宜过大，以免在冷却液温度偏高时冷却腔的某些部位发生过渡沸腾，甚至膜态沸腾，从而造成发动机散热率降低而引发过热。

因此根据发动机的运行情况适当的调节冷却液的温度是很有必要的，在发动机中水泵的转速和发动机的转速成正比关系，难以改变。水温的调节主要是通过节温器和散热器来调节的。

节温器通过水流的温度自动调节大、小循环的分水量。散热器主要是通过控制流过散热器的空气流速来决定散热器的散热量，空气流速的调节是通过散热器风扇来实现的。

另外，在发动机中常常需要用一部分分流来实现某一部分的特殊冷却或加热需要。

1.1.2 润滑系统

润滑系统（图2）的作用是为各运动部件提供润滑油并为某些冷却液难以到达的地方提供冷却。润滑油通过机油泵从油底壳中吸油，并将它送到各个旋转部件摩擦处，机油从轴承端部流出并最终流回油底壳中。

图2 发动机润滑系统

造成机油的温度升高的原因有两个：

一个是发动机燃烧放出的热量有一部分传给了机油，该部分传热发生的主要区域是缸套下端、活塞底部和裙部；

另一个是各个摩擦副的摩擦生热大部分传给了机油。 该部分发生的主要区域是发动机各轴系。机油的放热热源也有两部分，冷却液和环境空气。 在汽车上除了发动机中的润滑系统外，自动变速器也会有自己独立的润滑系统。

缸壁和活塞环之间有润滑油，为了保证润滑油的润滑效果，这一部分的气缸壁温度一般要求小于180 ℃ 。这些温度值都需要通过冷却液冷却来保持。

1.1.3 进排气系统

在热管理中主要关注的进排气系统（图3）部件是：空滤、涡轮增压器、中冷器、进气管、排气管。

适当的进气温度对发动机组织燃烧以及发动机的排放都是有利的，进入空气滤清器的大气首先来自热交换器附近环境中，如果发动机有涡轮增压装置，那么从增压器中出来的空气要在中冷器中进行水冷或风冷。冷却效果与冷却液流量、温度或环境空气有关。

图3 增压发动机进气系统

另外，如果有EGR设备，从排气管出来的废气一般要经过中冷装置再返回缸内。空气通过进气管进入气缸内，在气缸内推动活塞做功以后通过排气管和三元催化器排到大气中。进气管、排气管和三元催化器都会与环境空气进行换热。

1.2 车厢热管理系统

为了保证汽车车厢的舒适度，汽车上装有空调、水暖系统。它们是各自独立的两套系统，但在车厢内部共用一套鼓风装置。

空调系统（图4）在车外的部分主要由压缩泵、冷凝器和一些管道组成。冷凝器一般装在汽车的最前端，它会加热流经自己的空气，从而影响了散热器冷却空气的入口温度。

对于水暖系统来说，如果水暖系统开启，将会有一部分冷却液从发动机冷却液出口端通过车厢内的暖风系统直接流到发动机冷却液进口端而不经过散热器。这部分冷却液将热量带到车厢内，这也改变了冷却液的散热途径从而对冷却系统产生响。

汽车空调系统根据压缩机的带动形式分为独立式和非独立式两种。一般轿车压缩机由汽车发动机通过皮带带动，是非独立式空调。压缩机的转速和发动机的转速成比例，是不可调的。冷凝器的风速由汽车速度和风扇转速决定，而风扇转速主要是保证散热器的温度，所以对空调来说，冷凝器的风速在某一工况下是确定的。空调的制冷量主要通过膨胀阀调节和车厢内风量调节来实现的。

图4 空调系统

1.3 发动机舱热管理系统

发动机的各个散热部件都要向环境放热，放热的主要区域为发动机舱。放热效率和环境温度以及气流速度紧密相关。

而对于各个部件来说它们周围的环境各不相同。这种不相同有两方面原因造成，一种是为了加强某一个部件的换热率而人为的引入一些设备从而改变了气流量，如为了加强散热器散热而安装风扇。

另外则是由于汽车结构本身原因造成周围气流的改变，比如因为汽车车厢和发动机舱中间隔热板的存在从而造成汽车车厢前底部的空气流速比较大。同时，发动机舱部件分布在各个地方，它们周围的气流情况各不相同，工作的温度也各不相同。为了保证汽车生命周期内，非金属部件、油液的寿命和可靠性，在各种极限、恶劣工况时的工作温度必须要经过验证确认。

2 热管理系统与整车集成研究的重要性

热管理系统的部件性能，以及未与整车集成的孤立热管理系统性能，仅代表部件及系统的潜在工作能力，并不反映汽车热管理系统的实际工作性能。集成于整车系统之中的热管理系统，其实际工作性能，决定于汽车总布置设计、系统集成方式、汽车行驶工况以及气候条件等对热管理系统流动和传热过程的影响。

例如，散热器是否迎风的热管理系统与整车集成布置，对热管理系统性能便具有非常大的影响；存在热风回流的热管理系统与整车的集成，将大大降低热管理系统的性能。

热管理系统与整车集成所决定的热管理系统空气侧流场、温度场和风道特性等,为汽车热管理系统工作的车用热环境，是热管理系统性能的决定性因素之一。

3 发展趋势

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[6][7]。

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[8]。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室加热能力。

随着汽车业的迅猛发展以及用户对汽车品质的提高，汽车热管理技术不再停留对性能的改进提升，更加关注对研发成本的影响。高性能、低成本已经成为汽车业新时代发展的代名词，因此对性价比的追求也是重要的组成部分[9][10]。

4 结束语

热管理技术是现代汽车发展的重要技术之一，本文从系统集成和整体角度，统筹热管理系统与热管理对象和整车的关系等方面，简述了汽车热管理系统的概念，以及具体热管理模块：整车热管理和发动机热管理的区别。另外，智能化是热管理技术的的关键技术和发展趋势，而系统的性价比也是不能忽略的。

[1] 于东辉,向昊.汽车热管理系统基础问题分析[J].设计研究.2013年第2期,56-56,71.

[2] 王贤海,杜传进等.汽车热管理研究现状及新进展[J].拖拉机与农用运输车,2005年第5期,8-10,21.

[3] 郝毓林.汽车热管理系统研究现状[J].内燃机与配件.2014年第9期,23-26.

[4] 于莹潇,袁兆成等.现代汽车热管理系统研究进展[J].汽车技术,2009年第8期.1-7.

[5] 薛海亮,刘瑞军.发动机冷却系统的改进[J].农业装备与车辆工程.2016年第4期.59-62.

[6] 张数平.汽车发动机冷却的控制技术研究[J].工程技术.2016年第2期.200-202.

[7] 朱游兵.汽车发动机冷却的控制技术研究[J].科技创新与应用.2015年第4期,81-81.

[8] 李波,阮仁宇,等.整车热管理技术及应用分析[J].汽车实用技术.2016年第12期,202-204.

[9] 胡杰.某N1类车型热管理仿真分析[J].汽车实用技术.2016年第8期.61-68.

[10] 齐凯,郑鑫,等.发动机舱热管理性能改进与成本最低化研究[J].汽车实用技术,2016年第5期,151-153.

Study on the design and verification of a fuel supply system

Qi Jie, Tong Yuan, Zhao Shaofeng, Wang Wen
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

From the system integration and overall perspective, this paper introduces the concept of automotive thermal management system, and specific heat management module: the difference between vehicle thermal management and engine thermal management, including the working object, purpose and significance, clarifies the relationship between thermal management system and thermal management object and complete vehicle. In addition, computer technology and engine electronic control technology for the control of intelligence, reasonable consideration of price and performance, is an important development direction of thermal management technology.

Vehicle Thermal Management System; Engine Thermal Management System; System Integration;Intelligent control

U461.99 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)19-113-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.038

漆杰(1984- ) 男，工学学士，工程师，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。主要从事：乘用车冷却系统设计开发。