柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)匹配的熱管理技術(shù)

1、柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)匹配的熱管理技術(shù) 王黎明1,2 張揚(yáng)軍2 李玉圭1(1.東風(fēng)康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司 2.清華大學(xué)汽車工程系，汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 )【摘要】冷卻系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)的性能、排放和可靠性具有重要影響。本文分析了柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)冷卻的研究現(xiàn)狀及難點(diǎn)，介紹了柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)匹配熱管理技術(shù)的基本概念和先進(jìn)理念。結(jié)合空空中冷柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的匹配，探討了熱管理技術(shù)的具體應(yīng)用。關(guān)鍵詞： 柴油機(jī) 冷卻系統(tǒng) 熱管理thermal management technique of diesel engine cooling systemWang Liming1,2 Zhang Yangjun2 Li Yug

2、ui1(1.Dongfeng Cummins engine company 2.Tsinghua University, State key laboratory of Automobile Safety and Energy Conservation)Abstract: In this paper, the influence of performance, emission, reliability for diesel engine by the cooling system is presented. The state of development and difficulty ab

3、out the diesel engine cooling system is analyzed. The base and advanced concept of thermal management is presented. The appliance of thermal management is discussed. Key words: diesel engine cooling system thermal management1、引言隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和人民生活水平日益提高，作為拉動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“三駕馬車”之一的汽車業(yè)，這幾年得到了空前發(fā)展，并明顯呈現(xiàn)出加速發(fā)展的態(tài)勢(shì)

4、。在快速發(fā)展過程中，商用車慢慢向重型化、輕型化兩極發(fā)展，同時(shí)走向高檔豪華化，特別是重型車更顯出這一規(guī)律，這就要求汽車的動(dòng)力系統(tǒng)提供更高的動(dòng)力。在商用車發(fā)展過程中，作為其主要?jiǎng)恿Σ裼蜋C(jī)也經(jīng)歷了從非增壓增壓增壓水冷中冷增壓空空中冷的發(fā)展歷程，這一過程也是發(fā)動(dòng)機(jī)在相同體積情況下輸出了更大功率和扭矩，以康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)6B系列為例：非增壓6B發(fā)動(dòng)機(jī)功率為130hp，扭矩為373N.m；而增壓空空中冷6BTAA發(fā)動(dòng)機(jī)功率已達(dá)到275hp，扭矩達(dá)到955N.m，功率提高112%，扭矩提高156%。這樣，發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱量基本隨之翻番，在冷卻系統(tǒng)占用空間變化不大的情況下，冷卻能力卻要加倍，這對(duì)冷卻系統(tǒng)要求較高，特別

5、是空空中冷柴油機(jī)，不僅增大了散熱量，而且對(duì)中冷后空氣溫度要求較嚴(yán)。當(dāng)中冷后空氣溫度在較大范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放都有較大影響，使各種性能指標(biāo)惡化，進(jìn)氣溫度偏高時(shí)對(duì)排放影響尤其明顯。商用車在開發(fā)與使用過程中，往往出現(xiàn)以下四個(gè)方面的問題：（一）是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻能力不夠，在夏天出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，這是冷卻系統(tǒng)問題的主要表現(xiàn)，這直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能及可靠性，使性能變差，壽命縮短；（二）是發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性不足，即性能變差；（三）是發(fā)動(dòng)機(jī)不能工作在最優(yōu)狀態(tài)，比如在冬天暖機(jī)過程中和低速小負(fù)荷時(shí)，不需要冷卻，傳統(tǒng)做法是設(shè)計(jì)時(shí)不考慮這種情況，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)在暖機(jī)過程中，這時(shí)風(fēng)扇照常工作，不但消耗功率，還使

6、暖機(jī)過程延長(zhǎng)，此過程不但浪費(fèi)燃油，還將產(chǎn)生大量的有害排放物，這使排放、經(jīng)濟(jì)性都變差，這一點(diǎn)還未引起國(guó)內(nèi)公司的重視；（四）是風(fēng)扇冷卻風(fēng)量只隨轉(zhuǎn)速變化，不隨實(shí)際溫度、負(fù)荷變化，不能滿足實(shí)際冷卻需要低速大負(fù)荷時(shí)冷卻不夠，高速小負(fù)荷時(shí)冷卻過度。特別是中冷后空氣溫度夏天超過70，而冬天又不到40，對(duì)同一工況來說，燃油泵將供基本相同量的燃油，進(jìn)氣量差別較大，會(huì)導(dǎo)致燃燒惡化，使動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放都變差。在排放日益嚴(yán)格的今天，這一點(diǎn)必將受到重視。 發(fā)動(dòng)機(jī)在配套、使用過程中發(fā)現(xiàn)汽車故障的50%左右來自動(dòng)力系統(tǒng)，而動(dòng)力系統(tǒng)故障超過50%是由與整車連接的冷卻系統(tǒng)故障引起的。這些故障將影響整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放及

7、可靠性。因此，對(duì)冷卻系統(tǒng)的研究是十分必要的。2 動(dòng)力系統(tǒng)熱管理的研究現(xiàn)狀2.1 冷卻系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)在動(dòng)力系統(tǒng)一般布置情況是，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)前置時(shí)風(fēng)扇、水箱、發(fā)動(dòng)機(jī)成直線布置，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)后置時(shí)，則風(fēng)扇、水箱、中冷器在發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)，與發(fā)動(dòng)機(jī)平行布置。對(duì)前置發(fā)動(dòng)機(jī)來說有迎面風(fēng)，有助于冷卻，但現(xiàn)在發(fā)展趨勢(shì)是發(fā)動(dòng)機(jī)前面、后面的遮擋物越來越多，氣流不暢，留給冷卻系的布置空間也越來越小，而發(fā)動(dòng)機(jī)功率卻越來越大，對(duì)冷卻系來說需要散去越來越多的熱量，冷卻強(qiáng)度越來越大，這一些對(duì)冷卻系設(shè)計(jì)帶來不小的困難。對(duì)后置發(fā)動(dòng)機(jī)來說，沒有迎面風(fēng)，不利于冷卻，但空間較大，這有利于發(fā)動(dòng)機(jī)及其系統(tǒng)合理布置。冷卻系可以布置在發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)，與發(fā)動(dòng)機(jī)隔

8、開，形成單獨(dú)冷卻系區(qū)域，既不存在熱空氣回流，也不會(huì)受到發(fā)動(dòng)機(jī)熱輻射，而且冷空氣從側(cè)面進(jìn)來后由于基本沒有遮擋物，阻力小，有利于冷卻。而且在發(fā)動(dòng)機(jī)不需要冷卻時(shí)，風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)前置發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生影響，可能產(chǎn)生過冷情況，后置發(fā)動(dòng)機(jī)就不會(huì)發(fā)生這種情況。針對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)扇常嚙合工作弊端，國(guó)內(nèi)外都出現(xiàn)并使用一種帶硅油離合器的風(fēng)扇，其工作原理是當(dāng)冷卻液溫度上升到一定溫度時(shí)風(fēng)扇開始工作；當(dāng)溫度低時(shí)硅油離合器開始脫開，這時(shí)風(fēng)扇并不停止工作，而以較低速度運(yùn)行，消耗功率很小，具有一定節(jié)能效果，而且離合器體積小安裝方便。比如EQ140載重車就裝有這種硅油風(fēng)扇離合器，由于風(fēng)扇離合器嚙合、脫開時(shí)依然是定傳動(dòng)比驅(qū)動(dòng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生載荷沖擊及

9、熱沖擊，而且這種情況高速時(shí)頻繁出現(xiàn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性、壽命都產(chǎn)生負(fù)面影響。同時(shí)此風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)，不能適應(yīng)各種工況。針對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)扇及帶硅油離合器的風(fēng)扇缺點(diǎn)，在80年代出現(xiàn)了電動(dòng)風(fēng)扇，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這種風(fēng)扇有效克服了受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響，可以針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不同溫度、負(fù)荷提供適合的風(fēng)量達(dá)到冷卻目的，縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱過程，減少傳熱損失，改善了經(jīng)濟(jì)性、排放。隨著計(jì)算機(jī)發(fā)展，電動(dòng)風(fēng)扇已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能控制，同時(shí)風(fēng)扇、散熱器位置安裝靈活，增加了風(fēng)扇容積效率，提高了冷卻效果，達(dá)到節(jié)能效果。受電源功率限制，目前該風(fēng)扇只應(yīng)用在小功率發(fā)動(dòng)機(jī)上，無法大范圍推廣。并且電動(dòng)風(fēng)扇無法解決噪聲大的問題針對(duì)以上三種風(fēng)扇的缺點(diǎn)，在80年

10、代中期到90年代國(guó)外開始研究出了溫控液驅(qū)風(fēng)扇，該風(fēng)扇能根據(jù)水溫、環(huán)境溫度及通風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化影響，在任何車速下都可以足夠大的冷卻風(fēng)量，使水溫平均值始終在80-90最佳溫度范圍內(nèi)，具有良好的降耗降噪效果；（2）由于驅(qū)動(dòng)方式的改變，系統(tǒng)具有安裝靈活的特點(diǎn)，可適用于各類發(fā)動(dòng)機(jī)；（3）可減少或消除發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇載荷沖擊及熱沖擊對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)及壽命影響。但該風(fēng)扇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，因此目前只應(yīng)用在豪華高檔車上，還未廣泛普及，但這是風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)方式的發(fā)展方向。圖1是空空中冷柴油機(jī)熱管理系統(tǒng)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)示意圖，中冷器與散熱器疊合在一起，疊合處用橡膠密封，兩實(shí)體

11、中間間隔大約10-30mm左右，并且中冷器在前，空氣先經(jīng)過中冷器對(duì)其冷卻再經(jīng)過散熱器。圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)示意圖圖2是空空中冷柴油機(jī)散熱器、中冷器與風(fēng)扇性能匹配示意圖，圖中曲線A指散熱器與中冷器疊合在一起的阻力。實(shí)際匹配點(diǎn)是由理論匹配點(diǎn)乘以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)0.65得到，這只是大概情況，最后要經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證并修改。圖2 散熱器與風(fēng)扇性能匹配圖2.2 冷卻系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)對(duì)熱管理 (thermal management)的研究基本處于起步階段，各汽車公司基本停留在冷卻系統(tǒng)研究的初級(jí)階段（即國(guó)外初期的cooling system），一般只要求發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系不過熱，未從節(jié)能、降噪、減少排放、延長(zhǎng)壽命等角

12、度出發(fā)來匹配冷卻系統(tǒng)。當(dāng)前，國(guó)外大公司對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)主要部件及熱管理部件如散熱器、中冷器的研究已相當(dāng)成熟，系統(tǒng)匹配已經(jīng)綜合考慮整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放、乘坐舒適性、可靠性等，并做到了智能化管理。并且國(guó)外整車公司與發(fā)動(dòng)機(jī)公司都做這方面工作。而在國(guó)內(nèi)，這方面的工作基本局限于大學(xué)，整車企業(yè)只是剛開始，進(jìn)行的工作只基于冷卻角度，不是熱管理的角度，關(guān)鍵是現(xiàn)在一般只注重部件開發(fā)，不重視系統(tǒng)的匹配，沒有當(dāng)作一個(gè)整體一個(gè)系統(tǒng)來考慮。2.3 冷卻系統(tǒng)的難點(diǎn) 汽車熱管理主要包括汽車熱管理對(duì)象的熱特性研究、冷卻系統(tǒng)集成以及熱能綜合利用等主要內(nèi)容。其中冷卻系統(tǒng)集成技術(shù)，是熱管理研究的主要難點(diǎn)和核心關(guān)鍵技術(shù)。冷卻系統(tǒng)集成，

13、包括冷卻系統(tǒng)與熱管理對(duì)象集成、冷卻系統(tǒng)與整車集成等研究?jī)?nèi)容，是在熱交換器、冷卻風(fēng)扇、水泵等冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵部件研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮熱管理對(duì)象及整車布置等要求，進(jìn)行冷卻系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)和匹配優(yōu)化另一個(gè)難點(diǎn)是試驗(yàn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和整車之間的相互作用、相互影響，包括發(fā)動(dòng)機(jī)工況、行駛工況和不同地區(qū)的氣候環(huán)境，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，給試驗(yàn)帶來難度；3 冷卻系統(tǒng)匹配的熱管理技術(shù)3.1 熱管理的基本概念汽車熱管理是從系統(tǒng)集成和整體角度，控制和優(yōu)化汽車的熱量傳遞過程，將各個(gè)部件冷卻系統(tǒng)、預(yù)熱與保溫系統(tǒng)、氣候控制系統(tǒng)（聯(lián)合式暖風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)）等集成為一個(gè)有效的熱管理系統(tǒng)，保證關(guān)鍵部件、系統(tǒng)安全高效運(yùn)行，控制

14、和優(yōu)化熱量傳遞過程，減小冷卻系統(tǒng)的尺寸和功率消耗，完善地管理并合理利用熱能，降低廢熱排放，提高能源利用效率，減少環(huán)境污染。對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行集成設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)優(yōu)化、系統(tǒng)匹配，達(dá)到比較理想的效果。3.2 熱管理的特點(diǎn) 熱管理的特點(diǎn)是綜合考慮整個(gè)系統(tǒng)，充分利用系統(tǒng)的能量，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在優(yōu)化區(qū)域，從而改善整車的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、排放等，達(dá)到節(jié)能、安全、環(huán)保等目的。3.3熱管理的基本研究方法研究工作的主要技術(shù)方案為數(shù)值仿真模擬研究的結(jié)果來指導(dǎo)設(shè)計(jì)，再以試驗(yàn)驗(yàn)證，相互修正，互為補(bǔ)充。首先，根據(jù)部件原型和某些基本假設(shè)條件，建立較為初步的部件熱計(jì)算模型。然后根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、車用工況條件、熱物性參數(shù)以及外部熱環(huán)境條件，得

15、到熱管理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)物理模型。對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)物理模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果可進(jìn)行相應(yīng)的熱分析。仿真計(jì)算。在仿真軟件基礎(chǔ)上，建立各仿真系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換接口，建立完整的熱流體系統(tǒng)仿真分析平臺(tái)。利用仿真平臺(tái)進(jìn)行計(jì)算和分析。為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、改進(jìn)提供理論依據(jù)。試驗(yàn)研究。在理論研究的同時(shí)，進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)熱管理性能專項(xiàng)試驗(yàn)，用于中冷器、散熱器、風(fēng)扇、水泵等熱管理系統(tǒng)關(guān)鍵部件的性能試驗(yàn)和熱管理系統(tǒng)集成匹配試驗(yàn)研究。試驗(yàn)研究對(duì)仿真模型和數(shù)值算法進(jìn)行校驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果可用于熱管理系統(tǒng)及部件模型的優(yōu)化和改進(jìn)。為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、改進(jìn)提供試驗(yàn)依據(jù)。 4 空空中冷柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的匹配首先根據(jù)水套散熱量等計(jì)算出動(dòng)力系統(tǒng)總散熱量，再根據(jù)散熱

16、量的分配計(jì)算出散熱器、中冷器等各自需要散去的熱量來設(shè)計(jì)各部件。如圖3所示為在仿真軟件環(huán)境中搭建的一個(gè)較為簡(jiǎn)單的水系統(tǒng)單路循環(huán)熱管理系統(tǒng)集成模型。利用仿真軟件，建立各仿真系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換接口，建立完整的熱流體系統(tǒng)仿真分析平臺(tái)。利用仿真平臺(tái)，根據(jù)各種車用工況，對(duì)熱管理系統(tǒng)的部件、子系統(tǒng)級(jí)以及環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行耦合實(shí)時(shí)的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)熱計(jì)算和分析，為熱管理系統(tǒng)的集成優(yōu)化設(shè)計(jì)研究提供平臺(tái)支持。從而減少大量的試驗(yàn)，可以節(jié)省大量的人力、物力，縮短開發(fā)過程。同時(shí)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)、試驗(yàn)，根據(jù)結(jié)果再改進(jìn)。如對(duì)子系統(tǒng)匹配時(shí)存在相互影響問題：當(dāng)中冷器效率增高時(shí)中冷后空氣溫度降低，進(jìn)氣溫度每下降10，單位容積內(nèi)氣量增加3，進(jìn)

17、氣溫度每下降1，最高燃燒溫度和排溫下降2.3，這有利于降低NOX有害物排放及提高經(jīng)濟(jì)性，理論上進(jìn)氣溫度越低越好；由于中冷器置于散熱器前，中冷器對(duì)冷卻空氣加熱時(shí)散熱器進(jìn)口溫度提高，相當(dāng)于環(huán)境溫度提高，使許用環(huán)境溫度下降，冷卻系適應(yīng)高溫氣候的能力下降。因此，在匹配系統(tǒng)時(shí)應(yīng)綜合考慮各種因素達(dá)到最佳效果，這一點(diǎn)，利用仿真結(jié)果比較容易達(dá)到理想效果。圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)單路循環(huán)熱管理系統(tǒng)集成模型5 小結(jié)經(jīng)過上述工作，在仿真、試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合理匹配，達(dá)到優(yōu)化，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳工作環(huán)境之中，從而達(dá)到改善發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、可靠性及排放，達(dá)到滿意的效果。冷卻系未來的發(fā)展方向：從節(jié)能、安全、環(huán)保的角度匹配冷

18、卻系。參考文獻(xiàn)1 冷卻系的選擇和匹配（B系列柴油機(jī)應(yīng)用工程用） 東風(fēng)康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司 陳諤聞 2001年3月出版2 后置發(fā)動(dòng)機(jī)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的研究 東風(fēng)汽車工程研究院 蔣學(xué)鋒 汽車技術(shù)2000年第2期 3 內(nèi)燃機(jī)冷卻風(fēng)扇溫度控制液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)研究 青島大學(xué)車輛電子技術(shù)研究所 張鐵柱 張洪信 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào) 2002年第3期 4 汽車熱管理系統(tǒng)半物理仿真試驗(yàn)平臺(tái)研究 清華大學(xué)汽車工程系 楊勝 清華大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 2004年5月5 燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)熱管理 清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 張揚(yáng)軍 李希浩 黃海燕 盧青春 汽車工程 2003年第6期 561-5656 Nonlinear Controller for Automotive Thermal Management S