汽車熱管理系統(tǒng)淺析

漆杰，童元，趙少鋒，王文

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽車熱管理系統(tǒng)淺析

漆杰，童元，趙少鋒，王文

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章從系統(tǒng)集成和整體角度，簡述了汽車熱管理系統(tǒng)的概念，以及具體熱管理模塊：整車熱管理和發(fā)動機(jī)熱管理的區(qū)別，包括工作對象、目的、意義，明確了熱管理系統(tǒng)與熱管理對象和整車的關(guān)系。此外，計算機(jī)技術(shù)以及發(fā)動機(jī)電控技術(shù)為手段的控制智能化，合理考慮性價比，是熱管理技術(shù)的重要發(fā)展方向。

整車熱管理；發(fā)動機(jī)熱管理；系統(tǒng)集成；控制智能化

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

前言

汽車熱管理技術(shù)是現(xiàn)代汽車開發(fā)的重要技術(shù)之一，其目的有:提高燃料經(jīng)濟(jì)性、降低排放、挖掘功率輸出、降低氣動阻力損失和車輛維護(hù)費(fèi)用，提高可靠性以及車輛對環(huán)境的影響，和保證關(guān)鍵部件運(yùn)行安全和汽車行駛安全。

從系統(tǒng)集成和整體角度，統(tǒng)籌熱管理系統(tǒng)與熱管理對象和整車的關(guān)系，采用綜合控制和系統(tǒng)管理的方法，將發(fā)動機(jī)及各個部件的冷卻系統(tǒng)、預(yù)熱與保溫系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)以及空調(diào)系統(tǒng)等綜合集成為一個有效的熱管理系統(tǒng)[1]。保證關(guān)鍵部件、系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行，控制和優(yōu)化熱量傳遞過程，降低廢熱排放，提高能源利用效率，并減少環(huán)境污染，并在此基礎(chǔ)上減小熱管理系統(tǒng)的尺寸和功率消耗[2]。

1 熱管理系統(tǒng)簡述

汽車熱管理系統(tǒng)根據(jù)單位的組織結(jié)構(gòu)和研究的對象，一般分為整車熱管理系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)兩類。

發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)圍繞著發(fā)動機(jī)展開，工作重點(diǎn)是保證發(fā)動機(jī)正常有效運(yùn)轉(zhuǎn)，同時盡量減小該系統(tǒng)運(yùn)行所消耗的功率，達(dá)到發(fā)動機(jī)熱效率最大化。主要工作對象的有冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)。

整車熱管理系統(tǒng)，以整車的流場為研究對象。主要研究發(fā)動機(jī)艙的熱流場和的駕駛室（車廂）的人員環(huán)境的舒適性。發(fā)動機(jī)艙熱流場的重點(diǎn)工作是非金屬零部件、線束和油液，主要涉及這些內(nèi)容的熱老化及可靠性。圍繞車廂展開工作重點(diǎn)是提高駕駛室的舒適度，具體的工作對象是制冷系統(tǒng)和暖風(fēng)系統(tǒng)，統(tǒng)稱為空調(diào)系統(tǒng)[3]。

1.1 發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)

發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)是將發(fā)動機(jī)中所有涉及到傳熱的系統(tǒng)當(dāng)作一個大的綜合系統(tǒng)進(jìn)行考慮，以期望能得到發(fā)動機(jī)各個熱流系統(tǒng)的精確邊界參數(shù)。在發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)中不但要考慮發(fā)動機(jī)上存在眾多的熱流系統(tǒng)，如冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)，而且其它一些汽車熱流系統(tǒng)如空調(diào)系統(tǒng)、水暖系統(tǒng)等，因為和發(fā)動機(jī)的熱流緊密相關(guān)也必須進(jìn)行考慮。

為了發(fā)動機(jī)正常有效的工作，所有這些流動系統(tǒng)中的流體溫度都有特定的要求。這些系統(tǒng)對于環(huán)境空氣來說都是熱源，因此環(huán)境空氣的流動狀況將決定它們的傳熱效果。

除了環(huán)境溫度的影響之外，各個熱流系統(tǒng)相互之間也有直接或間接的傳熱關(guān)系，將所有熱流系統(tǒng)作為一個大系統(tǒng)進(jìn)行綜合考慮[4]。

恰當(dāng)?shù)臒峁芾硐到y(tǒng)可以改善發(fā)動機(jī)的運(yùn)行環(huán)境，提高發(fā)動機(jī)的使用壽命，降低發(fā)動機(jī)的燃油消耗，改善發(fā)動機(jī)排放。

1.1.1 冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)與上述的每個系統(tǒng)幾乎都有關(guān)系，它是整個熱管理系統(tǒng)的核心部分。冷卻系統(tǒng)(圖1)一般由發(fā)動機(jī)冷卻水套、節(jié)溫器、散熱器、風(fēng)扇、水泵以及水管組成，冷卻液從發(fā)動機(jī)吸收熱量然后通過散熱器將熱量傳到大氣中。

圖1 發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)

冷卻液從發(fā)動機(jī)中吸熱量過大將會造成發(fā)動機(jī)有效功率降低，從而增大單位功率的燃油消耗率。另外，冷卻液從發(fā)動機(jī)中吸熱量過大會造成燃燒室的壁面溫度過低，這對發(fā)動機(jī)的燃燒也是極為不利的，對汽油機(jī)來說，燃燒室壁溫太低不利于著火，會造成排放中CO和CH含量增高，對柴油機(jī)來說則會引起工作粗暴[5]。

冷卻液從發(fā)動機(jī)中吸熱量過小也同樣存在問題。因為發(fā)動機(jī)燃燒室的金屬材料都有一個溫度的承受范圍，特別是對于運(yùn)動副來說，過高的溫度（對于鑄鐵來說，溫度大概在400℃～500℃，對于鑄鋁合金來說大約300℃～400℃）會降低金屬的強(qiáng)度，從而導(dǎo)致運(yùn)動副拉傷，甚至損壞。

冷卻液在冷卻系統(tǒng)中的溫差也不宜過大，以免在冷卻液溫度偏高時冷卻腔的某些部位發(fā)生過渡沸騰，甚至膜態(tài)沸騰，從而造成發(fā)動機(jī)散熱率降低而引發(fā)過熱。

因此根據(jù)發(fā)動機(jī)的運(yùn)行情況適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)冷卻液的溫度是很有必要的，在發(fā)動機(jī)中水泵的轉(zhuǎn)速和發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，難以改變。水溫的調(diào)節(jié)主要是通過節(jié)溫器和散熱器來調(diào)節(jié)的。

節(jié)溫器通過水流的溫度自動調(diào)節(jié)大、小循環(huán)的分水量。散熱器主要是通過控制流過散熱器的空氣流速來決定散熱器的散熱量，空氣流速的調(diào)節(jié)是通過散熱器風(fēng)扇來實(shí)現(xiàn)的。

另外，在發(fā)動機(jī)中常常需要用一部分分流來實(shí)現(xiàn)某一部分的特殊冷卻或加熱需要。

1.1.2 潤滑系統(tǒng)

潤滑系統(tǒng)（圖2）的作用是為各運(yùn)動部件提供潤滑油并為某些冷卻液難以到達(dá)的地方提供冷卻。潤滑油通過機(jī)油泵從油底殼中吸油，并將它送到各個旋轉(zhuǎn)部件摩擦處，機(jī)油從軸承端部流出并最終流回油底殼中。

圖2 發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)

造成機(jī)油的溫度升高的原因有兩個：

一個是發(fā)動機(jī)燃燒放出的熱量有一部分傳給了機(jī)油，該部分傳熱發(fā)生的主要區(qū)域是缸套下端、活塞底部和裙部；

另一個是各個摩擦副的摩擦生熱大部分傳給了機(jī)油。 該部分發(fā)生的主要區(qū)域是發(fā)動機(jī)各軸系。機(jī)油的放熱熱源也有兩部分，冷卻液和環(huán)境空氣。 在汽車上除了發(fā)動機(jī)中的潤滑系統(tǒng)外，自動變速器也會有自己獨(dú)立的潤滑系統(tǒng)。

缸壁和活塞環(huán)之間有潤滑油，為了保證潤滑油的潤滑效果，這一部分的氣缸壁溫度一般要求小于180 ℃ 。這些溫度值都需要通過冷卻液冷卻來保持。

1.1.3 進(jìn)排氣系統(tǒng)

在熱管理中主要關(guān)注的進(jìn)排氣系統(tǒng)（圖3）部件是：空濾、渦輪增壓器、中冷器、進(jìn)氣管、排氣管。

適當(dāng)?shù)倪M(jìn)氣溫度對發(fā)動機(jī)組織燃燒以及發(fā)動機(jī)的排放都是有利的，進(jìn)入空氣濾清器的大氣首先來自熱交換器附近環(huán)境中，如果發(fā)動機(jī)有渦輪增壓裝置，那么從增壓器中出來的空氣要在中冷器中進(jìn)行水冷或風(fēng)冷。冷卻效果與冷卻液流量、溫度或環(huán)境空氣有關(guān)。

圖3 增壓發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)

另外，如果有EGR設(shè)備，從排氣管出來的廢氣一般要經(jīng)過中冷裝置再返回缸內(nèi)?？諝馔ㄟ^進(jìn)氣管進(jìn)入氣缸內(nèi)，在氣缸內(nèi)推動活塞做功以后通過排氣管和三元催化器排到大氣中。進(jìn)氣管、排氣管和三元催化器都會與環(huán)境空氣進(jìn)行換熱。

1.2 車廂熱管理系統(tǒng)

為了保證汽車車廂的舒適度，汽車上裝有空調(diào)、水暖系統(tǒng)。它們是各自獨(dú)立的兩套系統(tǒng)，但在車廂內(nèi)部共用一套鼓風(fēng)裝置。

空調(diào)系統(tǒng)（圖4）在車外的部分主要由壓縮泵、冷凝器和一些管道組成。冷凝器一般裝在汽車的最前端，它會加熱流經(jīng)自己的空氣，從而影響了散熱器冷卻空氣的入口溫度。

對于水暖系統(tǒng)來說，如果水暖系統(tǒng)開啟，將會有一部分冷卻液從發(fā)動機(jī)冷卻液出口端通過車廂內(nèi)的暖風(fēng)系統(tǒng)直接流到發(fā)動機(jī)冷卻液進(jìn)口端而不經(jīng)過散熱器。這部分冷卻液將熱量帶到車廂內(nèi)，這也改變了冷卻液的散熱途徑從而對冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生響。

汽車空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)壓縮機(jī)的帶動形式分為獨(dú)立式和非獨(dú)立式兩種。一般轎車壓縮機(jī)由汽車發(fā)動機(jī)通過皮帶帶動，是非獨(dú)立式空調(diào)。壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速和發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速成比例，是不可調(diào)的。冷凝器的風(fēng)速由汽車速度和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速決定，而風(fēng)扇轉(zhuǎn)速主要是保證散熱器的溫度，所以對空調(diào)來說，冷凝器的風(fēng)速在某一工況下是確定的?？照{(diào)的制冷量主要通過膨脹閥調(diào)節(jié)和車廂內(nèi)風(fēng)量調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)的。

圖4 空調(diào)系統(tǒng)

1.3 發(fā)動機(jī)艙熱管理系統(tǒng)

發(fā)動機(jī)的各個散熱部件都要向環(huán)境放熱，放熱的主要區(qū)域為發(fā)動機(jī)艙。放熱效率和環(huán)境溫度以及氣流速度緊密相關(guān)。

而對于各個部件來說它們周圍的環(huán)境各不相同。這種不相同有兩方面原因造成，一種是為了加強(qiáng)某一個部件的換熱率而人為的引入一些設(shè)備從而改變了氣流量，如為了加強(qiáng)散熱器散熱而安裝風(fēng)扇。

另外則是由于汽車結(jié)構(gòu)本身原因造成周圍氣流的改變，比如因為汽車車廂和發(fā)動機(jī)艙中間隔熱板的存在從而造成汽車車廂前底部的空氣流速比較大。同時，發(fā)動機(jī)艙部件分布在各個地方，它們周圍的氣流情況各不相同，工作的溫度也各不相同。為了保證汽車生命周期內(nèi)，非金屬部件、油液的壽命和可靠性，在各種極限、惡劣工況時的工作溫度必須要經(jīng)過驗證確認(rèn)。

2 熱管理系統(tǒng)與整車集成研究的重要性

熱管理系統(tǒng)的部件性能，以及未與整車集成的孤立熱管理系統(tǒng)性能，僅代表部件及系統(tǒng)的潛在工作能力，并不反映汽車熱管理系統(tǒng)的實(shí)際工作性能。集成于整車系統(tǒng)之中的熱管理系統(tǒng)，其實(shí)際工作性能，決定于汽車總布置設(shè)計、系統(tǒng)集成方式、汽車行駛工況以及氣候條件等對熱管理系統(tǒng)流動和傳熱過程的影響。

例如，散熱器是否迎風(fēng)的熱管理系統(tǒng)與整車集成布置，對熱管理系統(tǒng)性能便具有非常大的影響；存在熱風(fēng)回流的熱管理系統(tǒng)與整車的集成，將大大降低熱管理系統(tǒng)的性能。

熱管理系統(tǒng)與整車集成所決定的熱管理系統(tǒng)空氣側(cè)流場、溫度場和風(fēng)道特性等,為汽車熱管理系統(tǒng)工作的車用熱環(huán)境，是熱管理系統(tǒng)性能的決定性因素之一。

3 發(fā)展趨勢

隨著計算機(jī)技術(shù)及發(fā)動機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展。采用電子驅(qū)動及控制的冷卻水泵、風(fēng)扇、節(jié)溫器等部件。可以通過傳感器和計算機(jī)芯片根據(jù)實(shí)際的發(fā)動機(jī)溫度控制運(yùn)行，提供最佳的冷卻介質(zhì)流量，實(shí)現(xiàn)熱管理 系統(tǒng)控制智能化，降低了能耗，提高了效率[6][7]。

智能化熱管理系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)是熱管理系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)運(yùn)行的匹配技術(shù)以及系統(tǒng)優(yōu)化控制策略的選擇問題。系統(tǒng)仿真分析表明，熱管理系統(tǒng)效率很大程度上依賴于系統(tǒng)優(yōu)化控制策略，控制對象包括水泵轉(zhuǎn)速、電控節(jié)溫器閥門開度以及冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等[8]?？梢愿鶕?jù)汽車發(fā)動機(jī)實(shí)際工作和試驗情況，依據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化原則來制定智能化電控?zé)峁芾硐到y(tǒng)控制策略。使發(fā)動機(jī)在不同工況下均工作在最佳溫度范圍，縮短暖機(jī)和駕駛艙升溫時間。提高發(fā)動機(jī)后冷卻和駕駛室加熱能力。

隨著汽車業(yè)的迅猛發(fā)展以及用戶對汽車品質(zhì)的提高，汽車熱管理技術(shù)不再停留對性能的改進(jìn)提升，更加關(guān)注對研發(fā)成本的影響。高性能、低成本已經(jīng)成為汽車業(yè)新時代發(fā)展的代名詞，因此對性價比的追求也是重要的組成部分[9][10]。

4 結(jié)束語

熱管理技術(shù)是現(xiàn)代汽車發(fā)展的重要技術(shù)之一，本文從系統(tǒng)集成和整體角度，統(tǒng)籌熱管理系統(tǒng)與熱管理對象和整車的關(guān)系等方面，簡述了汽車熱管理系統(tǒng)的概念，以及具體熱管理模塊：整車熱管理和發(fā)動機(jī)熱管理的區(qū)別。另外，智能化是熱管理技術(shù)的的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢，而系統(tǒng)的性價比也是不能忽略的。

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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 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)19-113-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.038

漆杰(1984- ) 男，工學(xué)學(xué)士，工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。主要從事：乘用車?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)。