车辆热管理系统及其研究-汽车工程师110113

AutoEngineer-52-2011(1)技术应用APPLICATION车辆热管理是在能源危机出现、汽车排放法规日益严格以及人们对汽车舒适性要求高的背景下应运而生的[1-5]。车辆热管理是从系统集成和整体角度，统筹热管理系统与热管理对象、整车的关系，采用综合控制和系统管理的方法，将各个系统或部件如冷却系统、润滑系统及空调系统等集成一个有效的热管理系统，控制和优化车辆的热量传递过程，保证各关键部件和系统安全高效运行，完善地管理并合理利用热能，降低废热排放，提高能源利用效率，减少环境污染。热管理在车辆节能、环保和安全等方面具有突出的战略意义，热管理技术成为车辆节能、提高经济性和保障安全性的重要措施。1车辆热管理的研究内容与研究现状车辆热管理的主要研究内容包括热管理对象热特性研究、热管理系统集成以及热能综合利用等；广泛意义上包括对所有车载热源系统进行综合管理与优化，其中车载热源系统包括发动机的冷却系统、润滑系统、进排气系统和发动机机舱空气流动系统以及驾驶室的空调暖风系统等。综合考虑空气侧与车载热源系统之间热量传递过程，涉及到冷却介质、热交换器、风扇、泵、底盘空气流动、传感器与执行机构、材料与加工、整车空气动力学、安全性、可靠性、环保性及系统建模仿真等方面的研究。现阶段主要从以下几个方面进行车辆热管理研究。1.1按需求控制系统各部件运行参数机械驱动式冷却水泵和冷却风扇使冷却介质流量取决于发动机转速，无法按需求调节冷却介质的流速以及通过散热器的空气流速，从而难以使发动机在最佳的温度下工作，导致燃料经济性和发动机性能不佳。将冷却介质流速与发动机转速解耦，用电控比例流量阀代替蜡式节温器，根据车辆的运行工况来动态调整冷却量，实现电控化和智能化是冷却系统优化的重要部分。文献[6-12]阐述电控冷却系统对发动机性能的影邓义斌1,2黄荣华1王兆文1程伟3(1.华中科技大学能源与动力工程学院；2．武汉理工大学能源与动力工程学院；3．东风汽车有限公司商用车技术中心)摘要：车辆热管理技术是提高车辆经济性和动力性、保证关键部件安全运行和车辆行驶安全的重要途径。文章介绍了车辆热管理的内涵和研究内容，报告了车辆热管理的发展现状与相应的仿真和试验研究方法。阐述了进行车辆热管理集成研究的重要性，指出只有深入研究系统的流动与传热机理，综合利用废热，从整车热管理集成的高度来进行优化匹配设计，才能发挥车辆热管理系统的最大优势。关键词：车辆；热管理；传热；研究；节能ResearchonVehicleThermalManagementSystemAbstract:Thermalmanagementhasbecomeasignificantapproachtoimprovethefueleconomyanddynamicpropertyofvehicle,whichensuresthesafetyofvitalassemblyandautomobiledriving.Thispaper,firstlyintroducesconceptsandmajorresearchcontentsofvehiclethermalmanagement,andthensummarizesthedevelopment,simulationandexperimentalresearchmethodsofvehiclethermalmanagement.Thepaperdescribestheimportanceforresearchofvehiclethermalmanagement.Finally,itpointsoutthatonlybyflowandheat-transferprinciplesresearch,comprehensiveutilizationofwasteheatandmatchingdesignoftheintegrationofthevehiclethermalmanagement,theadvantageofvehiclethermalmanagementcanbebroughtintofullplay.Keywords:Vehicle;Thermalmanagement;Heattransfer;Research;Energyconservation车辆热管理系统及其研究**基金项目：国家“863”计划节能与新能源汽车重大专项项目（2008AA11A121）AutoEngineer-53-第1期技术应用APPLICATION响：1）根据运行工况动态调整冷却量，避免冷却过度和冷却不足，改善冷却效果；2）机械驱动式冷却系统的散热设计标准是满足全负荷时散热需求，因而在部分负荷工况下冷却过度导致发动机功率浪费，而电控冷却系统能有效地提高发动机的冷却液温度和热效率，从而改善燃油经济性；3）根据运行工况动态调整电控泵和电控风扇的转速，其能耗要低于机械驱动式的冷却系统，即使考虑到电能的转换效率只有机械能效率的一半，燃油经济性仍得到改善；4）文献[12]研究电控冷却系统对发动机启动和排放性能的影响，结果表明，较高的冷却介质温度和较低的冷却介质流速时，HC和CO排放量减少，但NOx排放量有所增加；在较低的冷却介质流速下能取得较高的暖车效率。目前冷却系统的电控化已在实际应用中体现出优势。韩国现代汽车公司生产的某型轿车，对散热器和冷凝器的冷却风扇分别电控，对冷却液温度和空调冷凝器温度进行多级联合控制，结果风扇功率消耗减少了90%，节省燃油10%[13]。JohnsonElecrtic公司开发一种散热器冷却风扇模块，把风扇、电机和控制电路等封装在一起，可以通过编程精确控制发动机、散热器与发动机舱室的温度[14]。文献[15]对某型推土机的冷却系统进行改造，分离油水散热，冷却水、变矩器油和液压油都采用各自散热器，用电控液压马达驱动冷却风扇系统，成功解决了系统过热问题。机械驱动式油泵的压力润滑系统功耗大，不易调节。设计出可控供油量和供油定时的发动机润滑系统，实现按需分配机油可提高环保性和经济性。文献[16]研制了发动机润滑系统流动与传热模型，给出预测润滑油箱温度的模型；MANB&W公司设计了AlphaACC电子定时气缸注油装置现已在船用柴油机上使用；德国的SchwaderlappM提出在压力润滑系统采用可调型元件的设想，并运用一种可调型机油泵，取得很好的试验效果[17]。文献[18]开发了应用于汽车空调系统的小型高效的电控压缩机和相应的变换器，与带式传动压缩机相比，效率更高，特别在怠速情况下温度更加稳定。1.2设计与改进废热回收装置提高废热利用率热平衡试验显示，大多数内燃机仅有30%左右的燃料热量用于做功，而其余的70%作为废热被冷却介质与排气等带走。如何合理有效地利用废热是热管理技术的主要研究内容之一。1）利用冷却系统中的热量。文献[19]对冷却系统进行改进，取消散热器风扇，在暖气风箱增加鼓风机，将冷却液中的废热用于驾驶室供暖。设计的可调暖通装置适用于一年四季各种不同的外部热环境，在一定程度上提高了废热的利用。2）利用排气热量。文献[20-22]运用热电转换等相关技术设计排气热回收装置，进行仿真和试验研究，结果表明排气热回收系统可行有效。文献[23]研究车辆排气废热利用的热电转换技术，试验和计算表明在当前的技术条件下，通过热电转换技术来提高车辆的燃油经济性并不可行，指出要想通过热电转换技术来提高燃油经济性，仅仅通过提高热电转换效率是不够的，还要提高热交换器等相关设备的性能。3）热量综合利用。文献[24]运用热泵、暖风循环和暖通空调模块设计构成混合加热系统，并比较该系统在不同的运行工况和外部环境下的能效特性及运行模式，为混合加热系统的优化指明方向。文献[25]分析金属氢化物制冷系统、吸收式热泵、沸石热泵以及热声制冷等发动机废热利用装置的性能、对材料特性的要求、优缺点及研究现状。文献[26]运用空调系统的一些部件设计了热气加热器，改善车辆暖通系统的性能。1.3改进系统部件设计改善部件热特性探明整个系统的热流分布，结合空气侧的流动与传热，对部件的结构进行优化，改善系统部件热特性，使系统热量合理分布。1）对空调和冷却系统的改进研究。文献[27]把散热器和压缩机合二为一，形成单个冷却模块并进行改进，分析结果表明，冷却模块的尺寸和质量都大幅减小，而散热器和压缩机的性能都得到提升。文献[28]对RenaultCLIO1.6L和VOLVOS802.4L2种车型车辆前部的风扇和导风罩对压缩机和散热器的影响进行研究，计算和试验表明，在中高速情况下，导风罩的存在反而使空气流速降低。德尔福公司提出中置风扇配置，冷却风扇置于冷凝器后和散热器前，显著改善空气侧的温度分布，获得较高的空气流速[29]。文献[30]利用仿真分析和试验方法，研究后置式客车发动机冷却系统的性能，发现在低速工况时可以通过提高散热器风扇的功率来提高散热器的效率，而在高速工况时，散热器散热效果受风扇功率影响不大，提出利用偏转板把底盘空气导向散热器，提高散热效率的方法。文献[31]研究空冷式摩托车发动机冷却肋片的迎风锥度，试验表明，采用有锥度的冷却肋片能提高冷却效果，减小发动机的质量。文献[32]研究发动机冷却风扇的定子和支撑臂的空气动力学性能，AutoEngineer-54-2011年1月技术应用APPLICATION提出相应的优化策略。文献[33]研究散热器的热风回流问题，运用CFD分析前端导风罩对散热器的空气流速，压力分布的影响。2）对车辆结构的研究。文献[34]分析汽车前部、客舱、尾部、底部、附加装置和车轮对汽车空气动力学性能的影响，从汽车空气动力学设计的角度优化汽车造型，进而提高汽车的安全性、经济性和舒适性。文献[35]针对五菱之光微型汽车冬季除霜除雾效果不佳的问题，改进风管结构和出风口的位置，进行仿真计算和实车模拟试验，成功解决该类问题。1.4改善驾驶室热环境提高车辆舒适性车辆室内热环境直接影响乘员的舒适感，结合人体的感官模型，对驾驶室的流动与传热进行研究，是改善车辆舒适性，提高车辆性能的重要手段。文献[36]从车身结构设计出发，从空调排风口、受阳光辐射影响的车辆玻璃及整个车身的设计等方面，结合空调系统，考虑对乘员舒适性的影响。文献[37]在R134a的汽车空调系统中应用内置式换热器，提高系统性能。文献[38-39]建立了人体生理模型、心理舒适度模型和暖体假人模型，运用CFD分析车辆驾驶室内流动和传热，研究如何提高乘客舒适性。文献[40]运用数值方法分析高级绝热材料和车窗传热技术在车辆热管理中的应用，减少阳光辐射和外部热环境对驾驶室的影响，提高汽车的舒适性。1.5测试技术热管理系统需要采集大量的参数，如温度、压力、转速及行驶速度等。先进的测试手段、高精度的传感器以及合理地布置测点是准确测试车辆工作参数的基础。文献[41]研究将激光多普勒测速仪和其他测量技术应用于发动机舱内空气速度分布的测量。VALEO发动机冷却试验室在散热器两侧合理布置测点，有效地在环境气候风洞中实现对车载散热器两侧的冷却水和空气的流速、温度和压力等的测量[42]。文献[43]设计了一种直径仅为26mm的半球形传感器，用于直接测量车辆底盘的局部传热系数。VictorReinz公司在发动机气缸衬垫中嵌入温度传感器，与传统装在缸盖水套中的传感器相比，离燃烧室更近，对温度变化的测量更加可靠和快捷[44]。文献[45]设计了新型测温计，运用相应的补偿算法减小热量传递的“滞后效应”引起的测量误差。文献[46]研究热电偶在温度测量中的温度响应及其影响因素，给出了理论分析结果和实验结果。1.6控制技术控制系统把各运行部件、传感器、微处理器和执行机构等组织起来，根据行车状况、环境气候和冷却介质温度等参数，实现各部件的多元联合控制，自动调节，保证发动机和整车处于最佳工作状态，减少传热损失和功率损耗。文献[47]对汽车冷却系统进行建模分析和实验，并应用42/14V双电压控制系统。文献[48]用集总参数模型法来分析冷却系统，建立了智能节温器、变速泵和变速风扇的数学模型，设计