發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)及部件研究進(jìn)展＊

徐喆軒 張俊紅 胡歡 趙永歡

（天津大學(xué)，內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)及部件研究進(jìn)展＊

徐喆軒 張俊紅 胡歡 趙永歡

（天津大學(xué)，內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

通過(guò)介紹整車熱管理系統(tǒng)的研究方法，得出試驗(yàn)研究、一維及三維模擬研究的區(qū)域與作用。熱管理的試驗(yàn)研究是模擬研究的基礎(chǔ)，一維模擬側(cè)重于部件和系統(tǒng)間的相互相應(yīng)，三維模擬能對(duì)具體的車艙進(jìn)行流動(dòng)換熱預(yù)測(cè)和空間布置的優(yōu)化。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)各部件進(jìn)行介紹，可以看出散熱器、水泵、水套等部件的研究是冷卻系統(tǒng)整體性能提高的基礎(chǔ)，且納米流體介質(zhì)、智能控制、沸騰換熱等方式分別得到廣泛應(yīng)用。

1 前言

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)多系統(tǒng)耦合和單系統(tǒng)部件多元化使整體熱源不斷增多，空間不斷減小，發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理的難度在不斷增加。

發(fā)動(dòng)機(jī)不同部件適合的工作溫度不同，通常將缸蓋保持較低的溫度以保證可靠性,而缸體保持較高的溫度以減少冷卻液散熱量同時(shí)減少水泵功耗來(lái)獲得更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。燃料電池汽車中，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)與內(nèi)燃機(jī)有著不同的冷卻要求。通常熱管理的目標(biāo)要求包含控制溫度范圍、控制溫度極限、勻化部件溫度等。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)介紹

現(xiàn)代柴油機(jī)大都采用增壓和中冷等技術(shù)，并多采用EGR減少排放，少數(shù)賽車用汽油機(jī)也采用增壓中冷技術(shù)，而采用大功率柴油機(jī)的大型卡車一般采用冷卻液進(jìn)行中冷和EGR冷卻，其熱管理系統(tǒng)示意分別如圖1和圖2所示。隨著能源問(wèn)題日益嚴(yán)重，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、排放系統(tǒng)等的研究已成為解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的重要途徑。而燃料電池汽車的興起是解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的另一種理想途徑，其典型的燃料電池系統(tǒng)包括：燃料電池電堆、氫氣系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、增濕系統(tǒng)、功率輸出系統(tǒng)和控制系統(tǒng)[1]，如圖3所示。因此，不同的系統(tǒng)在空間布置、各部件性能要求、工作環(huán)境及之間相互制約上有很大不同，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和整車熱管理是綜合管理各部件的重要手段。車艙中，除了冷卻系統(tǒng)外，最主要的熱源為空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)制約著冷卻系統(tǒng)的空間布置和性能?？照{(diào)系統(tǒng)制冷劑循環(huán)系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥（膨脹閥）、蒸發(fā)器、風(fēng)扇、儲(chǔ)液干燥器以及必要的空調(diào)管路等部件組成。并且發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)都帶有智能控制設(shè)備，因此其冷卻系統(tǒng)以及整車熱管理包含多個(gè)領(lǐng)域。

圖1 空冷型增壓中冷和EGR冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)示意[2]

圖2 水冷型中冷和EGR冷卻增壓發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)示意[2]

圖3 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)示意[1]

3 熱管理研究方法

3.1 試驗(yàn)研究

熱管理試驗(yàn)研究主要有兩種方式，第1種是采用等效熱源的方法，一般用熱源代表發(fā)動(dòng)機(jī)（汽車）熱管理系統(tǒng)中的發(fā)動(dòng)機(jī)、電池等發(fā)熱部件，熱源一般采用電加熱的方式使試驗(yàn)系統(tǒng)的靈活性較高，便于模擬多種冷卻系統(tǒng)，節(jié)約試驗(yàn)成本；第2種以實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)或整車熱管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在具體研究系統(tǒng)中零部件性能、空間布置等方面更加真實(shí)可靠。絕大部分發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的研究都與整車系統(tǒng)相聯(lián)系。

整車熱管理系統(tǒng)試驗(yàn)是在整車各系統(tǒng)運(yùn)行條件下和風(fēng)洞或道路試驗(yàn)場(chǎng)中，通過(guò)熱電偶、風(fēng)速儀等測(cè)量手段，以系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)、部件選型與匹配、運(yùn)行控制為目的的試驗(yàn)研究[1]。在一般部件試驗(yàn)中，僅給出研究部件的性能曲線，只反映了部件本身潛在的工作能力。但各部件的性能會(huì)受到氣候條件、汽車行駛工況、總布置設(shè)計(jì)、管路性能和部件之間聯(lián)系制約的影響，并不一定是各部件最佳的工作條件。所以需要在模擬上述條件下，對(duì)部件的實(shí)際運(yùn)行性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析部件的運(yùn)行工況、動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性，進(jìn)而測(cè)試系統(tǒng)散熱功率和功耗，確定系統(tǒng)性能和控制策略等。

呂鋒[3]通過(guò)散熱器風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)對(duì)散熱器開(kāi)展性能測(cè)試，結(jié)合對(duì)流強(qiáng)化傳熱的場(chǎng)協(xié)同理論，分析散熱器空氣側(cè)的密封性能、冷卻風(fēng)道前端部件、散熱器相對(duì)位置以及散熱器相對(duì)間距等因素，對(duì)模塊散熱量和流動(dòng)阻力產(chǎn)生的影響及變化規(guī)律。通過(guò)搭建商用車動(dòng)力艙模擬研究試驗(yàn)平臺(tái)，可知導(dǎo)風(fēng)作用使流經(jīng)散熱器模塊的冷卻氣流產(chǎn)生明顯不均勻分布的特性，且風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和雷諾數(shù)都會(huì)對(duì)不均勻性產(chǎn)生影響。通過(guò)一維計(jì)算預(yù)測(cè)和三維CFD模擬得到系統(tǒng)的流動(dòng)不均勻性將導(dǎo)致流動(dòng)阻力的增大和傳熱效率的下降。

Mahmoud等人研究了車艙內(nèi)空氣泄漏對(duì)車艙溫度和熱流量的影響，并對(duì)5個(gè)特殊位置的泄漏進(jìn)行試驗(yàn)研究，在此基礎(chǔ)上，利用提出的試驗(yàn)處理方法來(lái)研究對(duì)流換熱和輻射換熱的分布[4]。同年，通過(guò)試驗(yàn)研究設(shè)計(jì)車艙內(nèi)部件的布置，達(dá)到減小冷卻空氣流量和空氣阻力的效果，例如在較熱部件上方放置較冷部件和加入替代部件[5]。Mahmoud等人又以試驗(yàn)手段研究車輛傾斜時(shí)車艙內(nèi)溫度和熱流的變化。通過(guò)測(cè)量車艙頂部的對(duì)流換熱和輻射換熱得出傾斜有利于增加車艙頂部的對(duì)流換熱而抑制輻射換熱的結(jié)論。在車艙大部分區(qū)域，傾斜會(huì)使車艙內(nèi)溫度升高，不同的車輛運(yùn)行情況溫度升高區(qū)域不同[6]。

鄧義斌[7]通過(guò)不同冷卻液溫度試驗(yàn)得出冷卻液溫度對(duì)某型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，獲得其最佳冷卻液溫度，以此作為發(fā)動(dòng)機(jī)電控冷卻系統(tǒng)的控制依據(jù)。將非線性系統(tǒng)線性化控制技術(shù)和模糊控制技術(shù)應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)電控冷卻系統(tǒng)中，通過(guò)試驗(yàn)得到模糊控制比非線性控制有更好的冷卻效果，變論域模糊控制技術(shù)比基本模糊控制技術(shù)有更詳細(xì)的控制動(dòng)作和更高的控制精度。

3.2 一維模擬

一維計(jì)算遵循能量守恒的原則，利用各單元的輸入輸出參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，輸入量和輸出量常采用平均值，從而得到單元增加量或消耗量。

3.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡

不同工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油燃燒的總能量分配到有效功率及各部分散熱損失不同，根據(jù)熱量的分配情況，可以分析每個(gè)零部件的熱負(fù)荷，進(jìn)而指導(dǎo)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡方程為[8～9]：

式中，Qf為燃油燃燒釋放的化學(xué)能；Pe為以機(jī)械能的形式通過(guò)曲軸輸出的有效功；Qex為排氣帶走的熱量；Qc為冷卻液帶走的熱量；Qoth為余項(xiàng)損失，主要包含機(jī)體表面對(duì)流和輻射散熱、排氣動(dòng)能、機(jī)油中沒(méi)有被冷卻液帶走的能量。

式中，Hu為燃油熱值；Mf為燃油消耗率；Ttq為曲軸輸出的轉(zhuǎn)矩；N為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；Cpc為冷卻液的定壓比熱容；Mc為冷卻液質(zhì)量流量；TcEngOut和TcEngIn分別為發(fā)動(dòng)機(jī)出口和進(jìn)口的冷卻液溫度；CpEx和CpInt分別為排氣和進(jìn)氣的定壓比熱容；Mex和Mint分別為排氣和進(jìn)氣的流量；Tex和Tint分別為排氣和進(jìn)氣的熱力學(xué)溫度。

通過(guò)能量分布的表達(dá)式可以看出，部分關(guān)鍵參數(shù)和系數(shù)需要通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量的方法獲得。除了能量之外，一般還要計(jì)算車艙內(nèi)的冷卻空氣壓降等變化，以保證冷卻空氣可以順利的流通各個(gè)部件。下面通過(guò)具體部件介紹一維的計(jì)算方法。

3.2.2 散熱器

通常散熱器的總換熱系數(shù)由3部分組成，即內(nèi)部對(duì)流換熱、管壁導(dǎo)熱、外部（翅片）對(duì)流換熱系數(shù)，計(jì)算公式為：

式中，hi、ho為管子內(nèi)、外對(duì)流傳熱系數(shù)；Ai、Ao為管內(nèi)、外傳熱面積；σ為管壁的厚度；λ為管壁的導(dǎo)熱系數(shù)。一維計(jì)算時(shí)以上各值一般通過(guò)試驗(yàn)獲得。

在散熱器設(shè)計(jì)分析中，傳熱和摩擦阻力特性都是表征其換熱表面性能優(yōu)劣的重要因子,緊湊式散熱器的設(shè)計(jì)也一直是以在較低的流動(dòng)阻力下獲得更高的傳熱性能為目標(biāo)。散熱器的空氣側(cè)阻力[3]可表示為：

式中，Aa為空氣側(cè)換熱總面積；Ac為散熱器的芯部自由流通面積；Kc為突縮（入口處）不可逆變化壓力損失系數(shù)；Ke為突擴(kuò)（出口處）引起的不可逆變化壓力損失系數(shù)；對(duì)于車用散熱器，Kc和Ke之和在0.70～0.40內(nèi)對(duì)應(yīng)選取；f為摩擦因子。

式中，τ0為單位換熱表面積(或摩擦表面積)沿流動(dòng)方向的當(dāng)量剪切力。

3.2.3 風(fēng)扇

風(fēng)扇的性能是由恒定轉(zhuǎn)速n下其靜壓力Δps的升高和容積流量Qpump及輸入功率P之間的關(guān)系來(lái)衡量。理論上有如下關(guān)系[3]：

3.2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)

發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)能量平衡方程為[9]：

式中，mc為氣缸內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量；u為比內(nèi)能；Pc為氣缸內(nèi)壓力；V為氣缸體積；Qf為燃料燃燒釋放的熱量；Qw為壁熱損失；φ為曲軸轉(zhuǎn)角；hBB為漏氣焓；dmBB為漏氣質(zhì)量流。

公式（10）從左到右依次是氣缸內(nèi)工質(zhì)內(nèi)能變化，工質(zhì)對(duì)活塞做的功，噴入燃料燃燒釋放出的熱量，工質(zhì)與氣缸蓋、缸套、活塞進(jìn)行熱交換的熱量由于漏氣而引起的焓流。

發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱量[3]：

式中，Q為散熱量；α為瞬時(shí)傳熱系數(shù)；A為傳熱表面積；Tc為缸內(nèi)氣體瞬時(shí)溫度；T為傳熱表面平均溫度；m為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行分區(qū)計(jì)算的總區(qū)數(shù)量；i代表發(fā)動(dòng)機(jī)各子區(qū)域。

一般把發(fā)動(dòng)機(jī)分為活塞頂面、氣缸套表面和缸蓋燃燒室表面。瞬時(shí)傳熱系數(shù)是保證散熱量計(jì)算結(jié)果的重要參數(shù)，與散熱器研究類似，在一維計(jì)算中大部分系數(shù)需要通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得或通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合模擬得到進(jìn)一步的應(yīng)用。

3.2.5 水泵

由葉片式水力機(jī)械歐拉方程推導(dǎo)得水泵的理論揚(yáng)程：

式中，u2為出口圓周速度；D2為葉輪出口外徑；b2為葉輪出口寬度；QT為泵的理論流量。

在其它條件相同的情況下，HT隨葉片出口安放角β2的增大而升高,說(shuō)明增大β2可減小葉輪直徑、縮小泵體尺寸，從而降低水泵的制造成本。

3.2.6 其它系統(tǒng)

汽車中除了發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡，還有空調(diào)系統(tǒng)和電池電子設(shè)備系統(tǒng)的熱平衡。布置在發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器前的空調(diào)系統(tǒng)冷凝器、電池散熱器和中冷散熱器及空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)器等部件空氣側(cè)的換熱壓降計(jì)算都與發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器的計(jì)算方式相似。但這些部件冷卻介質(zhì)側(cè)換熱量和壓降的計(jì)算方式與空氣側(cè)區(qū)別較大，納米流體則要考慮顆粒對(duì)換熱和壓降的影響，多相流動(dòng)要考慮相變發(fā)生區(qū)域的臨界位置和相變區(qū)域內(nèi)氣化（液化）潛熱。

發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡研究是從系統(tǒng)集成的角度來(lái)統(tǒng)籌分析發(fā)動(dòng)機(jī)中的能量轉(zhuǎn)換與流動(dòng)傳熱過(guò)程，使發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配最優(yōu)化，在保證動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性的前提下，最大程度地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。一維模擬就是依靠各部件的性能參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)出具有高熱效率的整車熱管理系統(tǒng)。而絕大部分一維計(jì)算都要以試驗(yàn)為基礎(chǔ)來(lái)測(cè)量關(guān)鍵的系數(shù)和物理性質(zhì)等，因此簡(jiǎn)要統(tǒng)計(jì)了各系統(tǒng)各部件需要確定的物理量，如表1和表2所列。目前已有很多針對(duì)整車熱管理開(kāi)發(fā)的一維模擬軟件，如KULI、FLOWMASTER、AMESIM及GT-COOL，通過(guò)定義部件宏觀尺寸、位置、功率、換熱系數(shù)或散熱量、流動(dòng)阻力等一維參數(shù)，便可對(duì)車艙內(nèi)所有系統(tǒng)的部件進(jìn)行匹配和空間布局。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)參數(shù)

李靖[10]基于多領(lǐng)域統(tǒng)一建模標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言Modelica建立汽車空調(diào)系統(tǒng)模型庫(kù)，根據(jù)部件特性將其分為功能不同的組件，對(duì)整車系統(tǒng)中需要用到的空調(diào)系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)庫(kù)模型的相關(guān)信息進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。

表2 空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)

Titina Banja[11]對(duì)不同區(qū)域采用不同時(shí)間尺度的一維模擬方式研究整車熱管理中各元件的動(dòng)力學(xué)過(guò)程和相互聯(lián)系元件的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。主要側(cè)重于冷卻系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)的研究，并分析通過(guò)引用電子水泵對(duì)冷卻系統(tǒng)的影響，得出電子水泵對(duì)燃料的影響十分微弱，但可以明顯提高渦輪的出口溫度和加快催化劑的升溫。

Hyungmook Kang等[12]利用AMESIM軟件建立了包含摩擦在內(nèi)的氣缸內(nèi)的熱交換、系統(tǒng)冷卻循環(huán)和潤(rùn)滑循環(huán)的計(jì)算模型，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)一維熱管理模擬。通過(guò)模型分析燃料燃燒化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能和部件間的能量傳遞這兩種方式產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)的能量變化。

3.3 三維模擬

車艙內(nèi)空氣側(cè)的三維模擬一般采用湍流模型進(jìn)行CFD模擬，需要對(duì)部件幾何模型進(jìn)行不同的邊界條件或流動(dòng)區(qū)域的定義。散熱器、中冷器和冷凝器是屬于帶有阻尼的通氣邊界，采取多孔介質(zhì)模型進(jìn)行模擬。多孔介質(zhì)模型是一種等效的方式，避免了由于翅片尺寸相對(duì)于管和散熱器本身過(guò)小帶來(lái)的網(wǎng)格量過(guò)大的問(wèn)題。采用多孔介質(zhì)模型時(shí)，需要定義一些參數(shù)（如流動(dòng)阻力系數(shù)、多孔性及源項(xiàng)等），這些參數(shù)幾乎都需要通過(guò)試驗(yàn)的方式獲得。風(fēng)扇部分通常采用多重參考系模型（MRF）的方法進(jìn)行模擬，MRF方法是對(duì)風(fēng)扇及周圍的流場(chǎng)域定義空間旋轉(zhuǎn)效果，以達(dá)到風(fēng)扇對(duì)氣流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)及引導(dǎo)作用。發(fā)動(dòng)機(jī)和其它部件作為車艙內(nèi)熱源，對(duì)應(yīng)壁面類邊界條件[13]。

羅建曦[14]采用RNGk-ε湍流模型對(duì)散熱器和風(fēng)扇外空氣側(cè)流場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析空氣流動(dòng)特性對(duì)車輛熱管理系統(tǒng)的影響。通過(guò)三維模擬分析燃料電池客車熱管理系統(tǒng)空氣側(cè)的流動(dòng)與傳熱特性，并對(duì)傳熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。錢妍[15]利用多孔介質(zhì)模型、MRF模型等對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行三維模擬，并對(duì)一些流場(chǎng)流動(dòng)進(jìn)行改進(jìn)，如在冷凝器和散熱器前有大量的回流現(xiàn)象則可加入導(dǎo)流板和密封板，控制流動(dòng)路徑。

Ilhan Bayraktar[16]對(duì)動(dòng)力冷卻系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)在多種運(yùn)行條件下進(jìn)行模擬，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性，同時(shí)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。其中對(duì)于散熱器、增壓空冷器、油冷器的布置進(jìn)行一維仿真，對(duì)比不同布置位置下散熱器、增壓空冷器、油冷器的運(yùn)行溫度，得出設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行三維模擬，通過(guò)三維模擬更加深入的對(duì)冷凝器、散熱器、增壓空冷器、油冷器和風(fēng)扇流場(chǎng)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。Ken等[17]通過(guò)三維計(jì)算研究了在自由流動(dòng)的條件下環(huán)境溫度、湍流強(qiáng)度和尺度、尾部氣流流動(dòng)、阻塞比、橫風(fēng)對(duì)車輛冷卻和熱保護(hù)的影響,計(jì)算結(jié)果可用于指導(dǎo)試驗(yàn)和設(shè)計(jì)。Nobel和Jain[18]對(duì)一重型卡車CAD模型運(yùn)用CFD軟件進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理仿真，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證模擬結(jié)果。

一維仿真偏重于系統(tǒng)層面的相互影響和相互工作承接關(guān)系間的聯(lián)系，優(yōu)勢(shì)在于性能分析和關(guān)聯(lián)性研究，而三維模擬更注重空間元素的呈現(xiàn)，展現(xiàn)空間物理場(chǎng)的分布，使得設(shè)計(jì)過(guò)程可以從空間位置等細(xì)節(jié)展開(kāi)。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)零部件研究進(jìn)展

4.1 散熱器

散熱器的研究主要包括散熱器的結(jié)構(gòu)和冷卻介質(zhì)兩部分。車用散熱器通常采用翅片式空氣-水的冷卻方式，車用散熱器外翅片的結(jié)構(gòu)形式有平直翅片、波紋翅片、銀齒翅片、百葉窗翅片等。

肖寶蘭[19]分別釆用多孔介質(zhì)模型和直接物理模型方法對(duì)兩種車用典型換熱器整體(空-空中冷器和機(jī)油冷卻器)熱力性能進(jìn)行仿真研究。分析改變熱交換器的冷熱側(cè)出入口位置、冷熱流道內(nèi)翅片的排列形式等條件對(duì)散熱器性能的影響,并研究采用不同的冷卻液（蒸餾水、基液PG90和納米流體）時(shí)換熱器熱力性能。

黃暉[20]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)管帶式散熱器的散熱性能進(jìn)行了研究，得到散熱帶波距、雙波帶結(jié)構(gòu)、冷卻水管的布置和數(shù)量等均對(duì)散熱性能有重要影響。得出減小散熱帶波距,有利于提高散熱能力；采用雙波帶可以強(qiáng)化傳熱,改善散熱性能；冷卻水管的布置對(duì)散熱能力有很大影響,在其它結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的情況下,冷卻水管數(shù)量增加有利于提高散熱能力,但風(fēng)阻也大幅增大；冷卻水管排數(shù)大于3時(shí),散熱量并沒(méi)有隨散熱總面積的增大而大幅增加，風(fēng)阻增加也不明顯。

彭小飛[21]研制了300余種納米流體的配方,對(duì)其懸浮穩(wěn)定性、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、黏度等重要特性參數(shù)分別做了試驗(yàn)研究,并分析推導(dǎo)了相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型。在眾多配方中篩選了具有高沸點(diǎn)、高導(dǎo)熱系數(shù)的有機(jī)型納米流體,與普通防凍液的散熱量相比,采用體積份額大于5.0%的納米流體就能滿足散熱器的散熱需求,證實(shí)了采用納米流體可實(shí)現(xiàn)車用散熱器高溫小溫差冷卻的可行性。

董軍啟[22]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)對(duì)平直翅片、波紋翅片、鋸齒翅片、百葉窗翅片和新型開(kāi)窗翅片5種散熱器進(jìn)行傳熱和阻力性能試驗(yàn)，得到5種車用換熱器外翅片進(jìn)行傳熱和阻力性能的關(guān)聯(lián)式，對(duì)5種翅片進(jìn)行參數(shù)化研究，分析各翅片的控制因子對(duì)其整體性能的影響，及各控制因子不同水平因子對(duì)其綜合強(qiáng)化傳熱性能的變化趨勢(shì)。利用CFD技術(shù)對(duì)波紋翅片的傳熱和阻力性能進(jìn)行分析與計(jì)算。在驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的可靠性基礎(chǔ)上，分別計(jì)算了在相同工況條件下具有不同翅片波幅和不同結(jié)構(gòu)形狀的波紋翅片的傳熱和阻力性能。

4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)水套

發(fā)動(dòng)機(jī)水套內(nèi)液體流動(dòng)十分復(fù)雜，其原因一方面是水套的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但主要是發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)中缸壁溫度過(guò)高，水套內(nèi)液體發(fā)生相變，產(chǎn)生多相流動(dòng)，使流動(dòng)換熱復(fù)雜化。發(fā)動(dòng)機(jī)水套一般發(fā)生的是過(guò)冷沸騰，過(guò)冷沸騰換熱有助于提高發(fā)動(dòng)機(jī)水套的換熱能力。

早期對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)水套流動(dòng)換熱的三維模擬主要采用湍流模型。崔艷偉[23]利用Pro/E軟件對(duì)某16缸V型柴油機(jī)的冷卻水套進(jìn)行三維建模。通過(guò)GT-COOL軟件進(jìn)行一維仿真，初步獲得各個(gè)管路和機(jī)體的流量、溫度和壓力等數(shù)據(jù)，并作為邊界條件,通過(guò)ANSYS CFX軟件對(duì)冷卻效果最差的第8缸進(jìn)行冷卻水三維仿真，得到該缸冷卻水的內(nèi)部流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)一維和三維仿真的耦合。范璘[24]利用Fluent軟件模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的冷卻液流動(dòng)情況，分析不同機(jī)油散熱器阻力下的流量與壓降，及不同火力面溫度和不同機(jī)油散熱器換熱量等條件下各缸缸蓋出水溫度不均勻性的影響規(guī)律。

在發(fā)動(dòng)機(jī)水套的試驗(yàn)研究方面，Robinson等人[25]通過(guò)制作的一個(gè)冷卻水道設(shè)備模仿內(nèi)燃機(jī)冷卻液的沸騰試驗(yàn)，不僅對(duì)缸蓋冷卻水套內(nèi)部出現(xiàn)泡核沸騰現(xiàn)象進(jìn)行檢驗(yàn)，并且得到了沸騰現(xiàn)象發(fā)生時(shí)壁面過(guò)熱度和熱流量?jī)烧叩淖兓?guī)律，并以此提出精確冷卻技術(shù)的概念。Kulkarni P等人[26]對(duì)柴油機(jī)中水套冷卻介質(zhì)進(jìn)行研究，通過(guò)研究不同濃度的氧化鋁納米流體比熱，發(fā)現(xiàn)其隨著濃度和溫度上升而減少，以此特性采用納米流體提升廢熱回收。Nikhil等人[27]認(rèn)為過(guò)冷沸騰狀況下的氣泡生長(zhǎng)與冷凝會(huì)導(dǎo)致冷卻通道內(nèi)的瞬態(tài)壓力波動(dòng)，并提出了基于壓力波動(dòng)的頻譜分析法來(lái)判斷冷卻水腔內(nèi)的沸騰起始點(diǎn)與沸騰強(qiáng)度，并進(jìn)行了V8發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋可視化冷卻通道內(nèi)的沸騰試驗(yàn)，得出當(dāng)加熱壁面達(dá)到沸騰起始點(diǎn)時(shí)會(huì)導(dǎo)致冷卻水腔內(nèi)壓力波動(dòng)幅度的急劇增大，而且隨著壁面換熱量的增大，其壓力波動(dòng)幅度也隨之增大。

發(fā)動(dòng)機(jī)水套多相流模擬更能準(zhǔn)確的模擬出流體的運(yùn)動(dòng)和換熱，在多相流仿真深入研究的背景下，發(fā)動(dòng)機(jī)水套的沸騰換熱研究也很多。Aras[28]采用兩相的混合模型對(duì)柴油機(jī)冷卻水套進(jìn)行三維模擬，研究水套中的核態(tài)沸騰現(xiàn)象，并得到壓力、溫度、體積分?jǐn)?shù)的分布。黃榮華等[29]采用歐拉多相流模型對(duì)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋進(jìn)行模擬，并與單向流傳熱進(jìn)行對(duì)比，表明歐拉模型更真實(shí)準(zhǔn)確地反映出沸騰換熱現(xiàn)象。

4.3 風(fēng)扇

風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)類型主要有機(jī)械驅(qū)動(dòng)和電力驅(qū)動(dòng)，前者依靠發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸傳輸動(dòng)力，后者由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。常見(jiàn)的機(jī)械驅(qū)動(dòng)的風(fēng)扇有靠硅油離合器或電磁離合器連接的離合器式風(fēng)扇和液壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，這兩種風(fēng)扇的安裝位置受限制，液壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇可控性能更好。電子風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)智能控制效果最好，而且可靈活布置，有利于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)實(shí)施精確冷卻，但對(duì)于整車而言電子風(fēng)扇增加了熱源與電池組的負(fù)荷，提高了熱管理的難度。

冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有風(fēng)扇翼型、翼型最大厚度、風(fēng)扇直徑、輪轂比、葉片弦長(zhǎng)、安裝角、葉片數(shù)、旋轉(zhuǎn)角、徑向間隙、軸向間隙等[30]，研究設(shè)計(jì)風(fēng)扇的性能主要通過(guò)設(shè)計(jì)和比較不同參數(shù)下風(fēng)扇性能的變化。

Mahmoud Khale等人[31]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)車艙內(nèi)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行研究，在簡(jiǎn)化車輛前部部件的基礎(chǔ)上通過(guò)粒子圖像測(cè)速法（PIV）和激光多普勒測(cè)速儀（LDV）等技術(shù)測(cè)量減速和熱車階段車艙內(nèi)的流場(chǎng)和溫度，再結(jié)合模擬分析風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、散熱器流量、車艙空間結(jié)構(gòu)等運(yùn)行條件對(duì)冷卻系統(tǒng)的影響，以此來(lái)通過(guò)水泵和壓水機(jī)等智能控制手段來(lái)減少汽車燃料消耗。

宮春梅[32]通過(guò)調(diào)整葉型曲線曲率的分布來(lái)改變?nèi)肓鹘谴笮?，得出較適宜的葉片截面線形式，提出用橢圓線來(lái)替換原風(fēng)扇葉型曲線。通過(guò)模擬對(duì)改型設(shè)計(jì)后的新風(fēng)扇的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析，得出葉片表面的靜壓提高1 320 Pa和回流減少，氣流能量的損失減少。

4.4 水泵

常用汽車水泵是離心式水泵，主要由法蘭、軸承、泵體、水封、葉輪、密封圈組成。水泵的設(shè)計(jì)包含流體研究和固體研究，且兩個(gè)領(lǐng)域緊密結(jié)合，如流動(dòng)不穩(wěn)定性產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)會(huì)造成實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的噪聲、振動(dòng)，甚至葉片的疲勞斷裂或零部件失效[33]。流體研究一般側(cè)重于水泵的水力性能，主要通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減少損失（機(jī)械損失、容積損失、水力損失）。固體方面的研究主要是動(dòng)力學(xué)研究，包括水泵各部分的載荷研究、模態(tài)研究、振動(dòng)噪聲研究和疲勞研究。還有一部分研究需要流體與固體研究相結(jié)合，如由流場(chǎng)引起的水泵汽蝕，汽蝕影響水泵疲勞壽命及振動(dòng)噪聲。

薛黨勤[33]對(duì)葉頂間隙進(jìn)行模擬研究，得出葉頂間隙對(duì)離心泵揚(yáng)程效率具有較大的影響，且在一定范圍內(nèi)變得較為明顯，對(duì)同一葉頂間隙下，等值線的偏移隨著流量增大而增大；而對(duì)不同葉頂間隙，等值線的偏移隨著葉頂間隙尺寸的增大而增大，說(shuō)明葉頂間隙的潛流損失隨著流量增大和間隙尺寸增大而增大。

李正美[34]建立了基于柔性動(dòng)壓條件的汽車水泵軸承內(nèi)部載荷分布和變形分析計(jì)算模型，分析比較了在剛性、柔性和柔性動(dòng)壓3種計(jì)算條件下水泵軸承的載荷分布和位移，以及軸承轉(zhuǎn)速和載荷大小對(duì)水泵軸承內(nèi)部載荷分布的影響規(guī)律。并改進(jìn)壽命系統(tǒng)算法，在考慮潤(rùn)滑、水泵軸承轉(zhuǎn)軸撓曲變形、潤(rùn)滑劑流體動(dòng)壓效應(yīng)以及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)等因素的情況下，預(yù)測(cè)水泵軸承的疲勞壽命。

5 總結(jié)與展望

試驗(yàn)研究、一維和三維模擬都是發(fā)動(dòng)機(jī)或整車熱管理研究的有效手段。其中一維模擬側(cè)重于研究部件間的相互聯(lián)系和各系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)，三維模擬一般應(yīng)用在研究車艙內(nèi)空氣側(cè)的流動(dòng)和換熱，以設(shè)計(jì)車艙內(nèi)部件的空間布置和流場(chǎng)優(yōu)化。模擬研究中的很多參數(shù)及邊界條件都需要通過(guò)試驗(yàn)獲得，以一維模擬最為突出，試驗(yàn)研究是整車熱管理研究的最主要手段。部件的選型與匹配，系統(tǒng)性能和智能控制的建立都需要通過(guò)試驗(yàn)研究來(lái)測(cè)試部件和系統(tǒng)的性能。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)和整車熱管理的研究能更好的發(fā)揮各部件和各系統(tǒng)的最佳性能，但系統(tǒng)整體性能的上限依賴于各部件的研究與設(shè)計(jì)，一些部件結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜且涉及到很多領(lǐng)域，一般都沒(méi)有形成統(tǒng)一、成熟的開(kāi)發(fā)流程，整車制造商并不能達(dá)到對(duì)每一個(gè)部件都進(jìn)行自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的能力，這使得整車的設(shè)計(jì)很大程度上依賴于部件生產(chǎn)商的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。而跨領(lǐng)域研究的阻礙一定程度上限制了整車熱管理和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)研究的發(fā)展。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)或整車熱管理需要在解決系統(tǒng)本身設(shè)計(jì)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，更加深入的涉及到各部件的設(shè)計(jì)原則，從而進(jìn)一步發(fā)掘系統(tǒng)的性能。

1 方川.車用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)研究:[學(xué)位論文].北京:清華大學(xué),2014.

2 楊勝.汽車熱管理系統(tǒng)半物理仿真試驗(yàn)平臺(tái)研究:[學(xué)位論文].北京:清華大學(xué),2004.

3 呂鋒.商用車?yán)鋮s模塊匹配設(shè)計(jì)方法研究:[學(xué)位論文].杭州：浙江大學(xué)，2011.

4 Khaled M,Garnier B,Harambat F,et al.A new method for simultaneous measurement of convective and radiative heat flux in car underhood applications.Measurement Science and Technology,2010,21（2）:24～27.

5 Khaled M,Harambat F,Peerhossaini H.Underhood thermal management:temperature and heat flux measurements and physical analysis.Applied Thermal Engineering,2010,30（6）:590～598.

6 Khaled M,Hage H E,Harambat F,et al.Energy Manage?ment in Car Underhood Compartment—Temperature and Heat Flux Analysis of Car Inclination Effects.Heat Transfer Engineering,2015,36（1）:68～80.

7 鄧義斌.基于冷卻液溫度MAP的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)電控冷卻系統(tǒng)研究:[學(xué)位論文].武漢：華中科技大學(xué)，2011.

8 韓松.車用發(fā)動(dòng)機(jī)智能冷卻系統(tǒng)基礎(chǔ)問(wèn)題研究:[學(xué)位論文].杭州：浙江大學(xué)，2012.

9 張寶亮.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理技術(shù)的研究:[學(xué)位論文].上海：上海交通大學(xué)，2011.

10 李靖.整車熱管理系統(tǒng)的建模與仿真研究:[學(xué)位論文].武漢：華中科技大學(xué)，2013.

11 Titina B,Johann C W,Tomaz K.Assessment of engine ther?mal management through advanced system engineering modeling.Advances in Engineering Software，2014，71:19～33.

12 Hyungmook K,Hyunchul A,Kyoungdoug M.Smart cool?ing system of the double loop coolant structure with engine thermal management modeling.Applied Thermal Engineer?ing,2015，79：124～131.

13 胡凱耀.客車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理研究及結(jié)構(gòu)改進(jìn):[學(xué)位論文].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2012.

14 羅建曦.汽車熱管理系統(tǒng)集成空氣側(cè)熱流體分析研究: [學(xué)位論文].北京：清華大學(xué)，2004.

15 錢妍.耦合空調(diào)動(dòng)力艙氣動(dòng)冷卻過(guò)程分析:[學(xué)位論文].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2012.

16 Ilhan B.Computational simulation methods for vehicle ther?mal management.Applied Thermal Engineering,2012,36: 325～329.

17 Ken T L,Kumar S.Influences of Free Stream Conditions on Vehicle Thermal Management-An Analytical Study.SAE 2009-01-1152.

18 Nobel T,Jain S.Improving Truck Underhood Thermal Management Through CFD.SAE 2002-01-1027.

19 肖寶蘭.車輛典型熱交換器流動(dòng)傳熱微觀機(jī)制研究及性能優(yōu)化:[學(xué)位論文].杭州：浙江大學(xué)，2009.

20 黃暉.發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的研究與優(yōu)化設(shè)計(jì):[學(xué)位論文].濟(jì)南：山東大學(xué)，2005.

21 彭小飛.車用散熱器中納米流體高溫傳熱基礎(chǔ)問(wèn)題研究: [學(xué)位論文].杭州：浙江大學(xué)，2007.

22 董軍啟.車輛冷卻系統(tǒng)空氣側(cè)特性研究:[學(xué)位論文].上海：上海交通大學(xué)，2007.

23 崔艷偉.柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)一維與三維聯(lián)合仿真:[學(xué)位論文].大連：大連理工大學(xué)，2013.

24 范璘.V型8缸柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)流動(dòng)不均勻性研究:[學(xué)位論文].北京：北京理工大學(xué)，2015.

25 Robinson K,Hawley J G,Campbell N A F.Experimental and modelling aspects of flow boiling heat transfer for appli?cation to internal combustion engines.Journal of Automo?bile Engineering,2003,217：877～889.

26 Devdatta P K,Ravikanth S V,Debendra K D,et al.Appli?cation of aluminum oxide nanofluids in diesel electric gen?erator as jacket water coolant.Applied Thermal Engineer?ing,2008,28:1774～1781.

27 Nikhil A,Brian J E,Scott A M.Nucleate Boiling Identifica?tion and Utilization for Improved Internal Combustion En?gine Efficiency.Asme Internal Combustion Engine Divi?sion Fall Technical Conference,2010:949～958.

28 Arash M,Hossein H.Two Phase Flow Simulation for Nucle?ate Boiling Heat Transfer Calculation in Water jacket of Diesel Engine.Asme-jsme-ksme Joint Fluids Engineering Conference,2011:1721～1729.

29 Hua S Y,Huang R H,Zhou P.Numerical investigation of two-phase flow characteristics of subcooled boiling in IC engine cooling passages using a new 3D two-fluid model.Applied Thermal Engineering,2015,90:648～663.

30 萬(wàn)星榮.發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇氣動(dòng)性能的CFD分析與仿真流程優(yōu)化:[學(xué)位論文].廣州：華南理工大學(xué)，2013.

31 Mahmoud K,Fareed M,Hisham E H,et al.Fan air flow analysis and heat transfer enhancement of vehicle under?hood cooling system-Towards a new control approach for fuel consumption reduction.Applied Energy,2012,91: 439～450.

32 宮春梅.基于逆向工程的汽車?yán)鋮s風(fēng)扇葉片的研究與改型設(shè)計(jì):[學(xué)位論文].秦皇島：燕山大學(xué)，2012.

33 薛黨勤.汽車?yán)鋮s水泵優(yōu)化設(shè)計(jì)及汽蝕振動(dòng)特性研究: [學(xué)位論文].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

34 李正美.汽車水泵軸承動(dòng)力學(xué)性能、熱學(xué)性能與疲勞壽命計(jì)算方法研究:[學(xué)位論文].上海：華東理工大學(xué)，2013.

（責(zé)任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2016年10月11日。

Research Progress of Engine Thermal Management System and Components

Xu Zhexuan,Zhang Junhong,Hu Huan,Zhao Yonghuan
（State Key Laboratory of Internal Combustion Engine,Tianjin University,Tianjin 300072）

The research method of vehicle thermal management system is introduced in this paper,it is concluded that experiment research,one dimension simulation and three dimension simulation have their respective research areas and functions.Experimental research of vehicle thermal management is the foundation of simulation research,one dimension simulation research focuses on interaction and response of the components and systems,whereas three dimensional simulation is able to foresee car cabin flow and heat transfer and optimize the spatial layout.Components of the engine cooling system are introduced,and it can be observed that research of radiator,water pump,water jacket and other components are the basis to improve the overall performance of the cooling system,in addition,technologies like nanofluid, intelligent control,boiling heat transfer,etc.,have been widely applied.

Engine,Thermal management,Cooling system,One-dimensional modeling

發(fā)動(dòng)機(jī) 熱管理 冷卻系統(tǒng) 一維模擬

U461.2

A

1000-3703（2017）04-0016-07

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0700701）。

張俊紅，博士，教授，E-mail：zhangjh@tju.edu.cn