現(xiàn)代汽車熱管理系統(tǒng)研究進展
摘要：分析了當前汽車熱管理系統(tǒng)的組成和存在的問題；介紹了目前國內(nèi)外對于汽車熱管理系統(tǒng)的設計理念 和研究方法，包括智能化電控熱管理系統(tǒng)、新型布局熱管理系統(tǒng)、新型熱管理材料和熱管理系統(tǒng)仿真等。展望了現(xiàn)代 汽車熱管理系統(tǒng)的發(fā)展 目標，指出采用電控冷卻部件實現(xiàn)精確冷卻和分流式冷卻的有效整合是行之有效的手段 ，全 新熱管理材料的出現(xiàn)必將加速熱管理系統(tǒng)模塊化和集成化的進程。
關(guān)鍵詞：汽車 ，熱管理，研究
Research Progress of M odern Vehicle Thermal Management System (VTMS)
【Abstract]The structure and existent problems of VTMS are analyzed in this paper，and the design concept and research methods，such as intelligent electronic-controlled VTMS，new layout VTMS，new thermal management materials and VTMS simulation etc，are also presented．The development goal of modem VTMS is discussed，and the integration of bypass- flow cooling and precision cooling with electronic-controlled elements has been identified as the most promising means to be adopted in a modem VTMS．The modularization and integration of VTMS will surely speed up with some new thermal management materials．
Key words：Vehicle，Thermal management system，Research
1 現(xiàn)代汽車熱管理系統(tǒng)簡述
隨著人們對汽車節(jié)能、環(huán)保、安全和舒適性的 要求越來越高，世界主要汽車廠家紛紛研制出更加 先進的汽車熱管理系統(tǒng)。汽車熱管理系統(tǒng)是從系統(tǒng) 集成和整體角度出發(fā)．統(tǒng)籌熱量與發(fā)動機及整車之 間的關(guān)系，采用綜合手段控制和優(yōu)化熱量傳遞的系 統(tǒng)。其可根據(jù)行車工況和環(huán)境條件 ，自動調(diào)節(jié)冷卻 強度以保證被冷卻對象工作在最佳溫度范圍，從而 優(yōu)化整車的環(huán)保性能和節(jié)能效果 。同時改善汽車運 行安全性和駕駛舒適性等『l1。先進的汽車熱管理系 統(tǒng)設計必須同時考慮發(fā)動機冷卻系統(tǒng)與潤滑系統(tǒng)、 暖通空調(diào)系統(tǒng)(HVAC)以及發(fā)動機艙內(nèi)外的相互影 響，采用系統(tǒng)化、模塊化設計方法 ，將冷卻系統(tǒng)、潤 滑系統(tǒng)、HVAC等進行設計集成、制造集成，集成為 一個有效的熱管理系統(tǒng)(圖 1)。熱管理系統(tǒng)工作性 能的優(yōu)劣．直接影響著汽車動力系統(tǒng)的整體性能。開發(fā)高效可靠的汽車熱管理系統(tǒng)，已成為發(fā)動機進 一步提高功率、改善經(jīng)濟性所必須突破的關(guān)鍵技術(shù) 問題。因此，采用先進的熱管理系統(tǒng)設計理念，應用 汽車現(xiàn)代設計方法和手段 ，對汽車熱管理系統(tǒng)進行 深入研究具有十分重要的實際意義。
2 汽車熱管理系統(tǒng)組成和目前存在的問題
汽車熱管理系統(tǒng)主要用于冷卻和溫度控制，如 對發(fā)動機、機油、潤滑油、增壓空氣、燃料、電子裝置 以及排氣再循環(huán) (EGR)的冷卻和對發(fā)動機艙及駕駛 室的溫度控制等。汽車熱管理系統(tǒng)由各個部件和傳 熱流體組成，部件包括換熱器、風扇、冷卻液泵、壓縮 機、節(jié)溫器、傳感器、執(zhí)行器、冷卻水套和各種管道； 傳熱流體包括空氣、冷卻液、機油、潤滑油、廢氣、燃 料、制冷劑等，這些部件和流體必須協(xié)調(diào)工作以滿足 車輛散熱和溫度控制要求。
由于組成汽車熱管理系統(tǒng)部件眾多且結(jié)構(gòu)復 雜，加上發(fā)動機運行工況的多樣性．其影響因素也是 多方面且錯綜復雜的?？傮w來說，影響熱管理系統(tǒng) 的主要因素主要有循環(huán)冷卻液量、冷卻空氣流量、冷 卻水套結(jié)構(gòu)和散熱效率。目前，大部分發(fā)動機冷卻 系統(tǒng)仍屬于傳統(tǒng)的被動系統(tǒng)，只能有限地調(diào)節(jié)發(fā)動 機和汽車的熱分布狀態(tài)，不能精確控制循環(huán)冷卻液 量和冷卻空氣流量，不能使發(fā)動機各部件工作在最 佳溫度范圍。傳統(tǒng) 的冷卻系統(tǒng)中采用機械驅(qū)動的冷 卻水泵和冷卻風扇 ，冷卻介質(zhì)流量取決于發(fā)動機轉(zhuǎn) 速，而非發(fā)動機實際運行時冷卻量需求，無法實現(xiàn)對 發(fā)動機水溫在全部工況范圍內(nèi)的合理控制。許多研 究顯示，傳統(tǒng)水泵的泵水量僅在5％的時間內(nèi)正確12]。 此外．這些部件耗功嚴重．比如風扇消耗的功率可以 達到發(fā)動機總功率輸出的 10％l 3l。傳統(tǒng)的節(jié)溫器通 常為蠟式節(jié)溫器，采用單點控制 ，控制響應慢．不能 對流過散熱器的冷卻液流量進行精確控制。研究表 明，在 25°C大氣溫度時。質(zhì)量為 27．5 t的貨車運行 時速為 105 km／h，其蠟式節(jié)溫器打開時間僅 占總時 間的 10％『21。目前，發(fā)動機的冷卻介質(zhì)主要為冷卻液 和空氣，冷卻液中乙二醇的傳熱系數(shù)比較低，而空氣 的傳熱系數(shù)更低，溫度變化范圍較大，它們不僅影響 循環(huán)冷卻液量和冷卻空氣流量，還間接影響散熱器、 中冷器等的散熱效率。同時。冷卻水套的結(jié)構(gòu)對發(fā) 動機的冷卻效率也會產(chǎn)生較大的影響。
此外 ，冷卻系統(tǒng) 、潤滑系統(tǒng)和 HVAC設計相對 分離，這些都造成了當前的汽車熱管理系統(tǒng)設計相 對落后，不能從系統(tǒng)集成和整體角度出發(fā)來控制和 優(yōu)化熱量傳遞過程，使得能量利用率較低。同時也 不能滿足現(xiàn)代發(fā)動機在各種工況下運轉(zhuǎn)時的散熱要 求 ，造成冬季發(fā)動機起動階段暖機時間長、車室升溫 慢，大負荷時發(fā)動機關(guān)鍵部件冷卻不足、中小負荷冷 卻過度，以及發(fā)動機停車后關(guān)鍵部件溫度高等問題。
因此，現(xiàn)代汽車的熱管理系統(tǒng)要能夠既滿足汽車動 力系統(tǒng)在各種工況下運轉(zhuǎn)時的散熱需要，保證關(guān)鍵 區(qū)域具有足夠的冷卻，又要降低整車的散熱量，減小 對熱管理系統(tǒng)的散熱要求．還要能夠?qū)Πl(fā)動機艙和 駕駛室進行溫度控制，使汽車具有良好的動力性、經(jīng) 濟性和舒適性。 、
3 現(xiàn)代汽車熱管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與進展
汽車熱管理不僅涉及發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)、潤滑 系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)和 EGR，還涉及汽車的傳動系統(tǒng)和 HVAC等。將冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和 HVAC等系統(tǒng) 集成為統(tǒng)一的汽車熱管理系統(tǒng)，能充分考慮熱管理 系統(tǒng)對整車性能的影響，將熱管理系統(tǒng)的效率提高 至最理想值，最大限度地發(fā)揮熱管理系統(tǒng)的功用。
汽車熱管理技術(shù)被列為美國21世紀商用車計 劃的關(guān)鍵技術(shù)之一，對提高整車性能潛力巨大。高性 能的汽車熱管理系統(tǒng)的控制 目標是提高燃料經(jīng)濟 性，降低排放，增加功率輸出和車輛承載能力，降低 氣動阻力損失和車輛維護費用，提高可靠性以及車 輛對環(huán)境的適應能力[31。目前，汽車熱管理系統(tǒng)的發(fā) 展趨勢主要有以下幾個方面。
3.1 熱管理系統(tǒng)控制智能化
隨著計算機技術(shù)及發(fā)動機電控技術(shù)的發(fā)展。采 用電子驅(qū)動及控制的冷卻水泵、風扇、節(jié)溫器等部 件。可以通過傳感器和計算機芯片根據(jù)實際的發(fā)動 機溫度控制運行，提供最佳的冷卻介質(zhì)流量，實現(xiàn)熱 管理系統(tǒng)控制智能化，降低了能耗，提高了效率。
Valeo Engine Cooling(VEC)公司在 1992年開 發(fā)出了一種由電控水泵、電控節(jié)溫器和電動風扇組 成的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)[41。其電控水泵由電機驅(qū)動，可 以對冷卻液流量進行獨立控制；由于不用曲軸驅(qū)動， 安裝位置比較靈活，可以優(yōu)化水泵水力特性設計，減 少壓力損失：減少了V形帶及齒輪對水泵軸承的循 環(huán)側(cè)向負載力，降低了驅(qū)動損失。電控節(jié)溫器的控制 系統(tǒng)由傳感器、電機和控制模塊組成，可以根據(jù)冷卻 液溫度或者發(fā)動機部件溫度來控制冷卻液流量。電 動風扇轉(zhuǎn)速只有高速和低速兩擋。試驗表明，該系統(tǒng) 可以節(jié)省燃油 5％，降低 HC排放 10％，但 NO 排放 增加 l0％～20％，原因是發(fā)動機冷卻液溫度升高致 使燃燒溫度升高。
隨著相關(guān)技術(shù)的進步．采用電控水泵和電控節(jié) 溫器控制的核態(tài)沸騰冷卻成為可能。而核態(tài)沸騰傳 熱具有較高的換熱性能，在各種傳熱方式中效率最 高，其不僅可以減小換熱器、風扇和冷卻液泵的尺寸．還可以減小冷卻液流量及冷卻水腔的容積．從而 降低燃油消耗。N．S．Apt~3等提出了發(fā)動機的新型冷卻 系統(tǒng)的概念 Newcool。該系統(tǒng)采用強迫對流／核態(tài)沸 騰混合冷卻，即強迫對流傳熱處理 95％(中小負荷) 的冷卻要求 ，核態(tài)沸騰傳熱處理剩下的 5％(大負 荷)的冷卻要求。Newcool后來被稱為 REROM冷卻 嗓 統(tǒng)，和傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)相比，其結(jié)構(gòu)改變較小，用 電控水泵替代傳統(tǒng)水泵，加裝帶隔膜的特殊膨脹水 箱，但它節(jié)約成本 10％～15％，減輕質(zhì)量 20％～25％， 減少冷卻液體積 20％～25％，減少燃油消耗 2％～3％， 降低 CO排放 10％．降低 HC排放 3％(歐洲燃油消 耗與排放測試循環(huán)．MVEG)t61。
VEC公司在 1999年提 出了在 發(fā)動機上配置一 種名為 THEMIS的先進發(fā)動機熱管理系統(tǒng)。其主要 部件包括電控水泵、電控節(jié)溫器和電控風扇，其中風 扇 FANTRONIC的轉(zhuǎn)速能根據(jù)冷卻液溫度和空氣調(diào) 節(jié)循環(huán)參數(shù)來調(diào)節(jié)，從而能夠降低噪聲和燃料消耗。 THEMIS能夠根據(jù)駕駛條件和發(fā)動機負荷來管理和 優(yōu)化發(fā)動機溫度。以改善發(fā)動機的冷卻性能。使排放 達到歐IV、歐 V排放標準和北美 CAFE標準 。試驗 結(jié)果表明，與普通發(fā)動機冷卻系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)可節(jié) 約2％～5％的燃油消耗，降低 HC排放 10％，CO排 放減少 2O％，并保持 NO 水平不變；可以縮短發(fā)動 機暖機、空調(diào)制冷和車室升溫 的時間；該系統(tǒng)還具有 良好的后加熱功能，即當發(fā)動機停車后 ，可以使 Volvo$80在環(huán)境溫度一20°C時保持駕駛室溫度 30 min基本不變嘲。
Paget~等在一輛中型軍用貨車上安裝了先進的 熱管理系統(tǒng) 。系統(tǒng)主要部件集中安裝在駕駛艙后側(cè) 的熱管理系統(tǒng)模塊艙(駕駛室影響模塊艙進氣)中， 艙內(nèi)包括動力系統(tǒng)的散熱器、水冷中冷器的散熱器、 混合水箱、電控風扇、電控水泵和電控節(jié)溫器 (圖 2)，而中冷器和機油冷卻器位于動力系統(tǒng)附近。試驗 結(jié)果表明，系統(tǒng)采用 PID控制，動力系統(tǒng)的冷卻液 溫度控制 比較精確 ，波動小于 5°C，暖機時變速器機 油升溫到 80°C時間減少約 50％．穩(wěn)定狀態(tài)燃油經(jīng) 濟性改善 5％～2O％。
Cho等用電控水泵取代傳統(tǒng)機械水泵．利用試 驗和模擬對比分析發(fā)現(xiàn)，通過控制水泵轉(zhuǎn)速并提高 電控水泵效率，功率消耗降低量超過 87％；若將水泵 轉(zhuǎn)速提高至最大值時，可降低散熱器尺寸超過 27％， 對提高發(fā)動機性能和燃料經(jīng)濟性潛力很大。C0rton 等開發(fā)出的電控冷卻系統(tǒng)中采用了電控水泵和電控 節(jié)溫器，并開發(fā)出與這些電動部件相應的優(yōu)化控制 策略。通過臺架試驗對比研究發(fā)現(xiàn)，在冷機起動的情 況下，新的冷卻系統(tǒng)能夠顯著縮短暖機時間，大大提 高暖機溫度。另外，電控節(jié)溫器對冷卻液的良好控制 允許冷卻系統(tǒng)有較高的出水溫度。在相同的配置和 冷卻要求下，電控水泵的能量消耗僅為機械水泵的 16％，即使考慮到電能的轉(zhuǎn)換效率只有機械能效率 的一半，整個冷卻系統(tǒng)的能量消耗仍可降低 2／3左 右，優(yōu)勢十分明顯。然而，ChanfreauI·q等對 THEMIS 進行的試驗結(jié)果表明，發(fā)動機燃油經(jīng)濟性的改善主 要是由于電控節(jié)溫器的作用，而不是電控水泵．因為 電控節(jié)溫器可以實現(xiàn)發(fā)動機暖機時冷卻液“不流動” 的控制策略，進而加快發(fā)動機暖機過程．縮短駕駛室 升溫時間，還可以降低水泵和風扇的功率消耗。
國內(nèi)郭新民[11]等對裝載機冷卻系統(tǒng)控制裝置進 行了研究，該發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中的風扇和水泵由液 壓馬達驅(qū)動，利用單片機根據(jù)冷卻水溫度的變化調(diào) 節(jié)電磁比例溢流閥的溢流量以實現(xiàn)冷卻風扇和水泵 轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)。結(jié)果表明，低溫預熱時，該控制裝 置可使預熱時間減少 50％，提高了暖機速度，預熱 階段節(jié)約燃油 43％。張釗【·2]等對某發(fā)動機電控冷卻 系統(tǒng)進行試驗和仿真計算，結(jié)果表明，先進的智能化 電控冷卻系統(tǒng)技術(shù)。可使發(fā)動機在不同工況下均能 工作在最佳溫度范 圍，大幅度提高冷卻系統(tǒng)效能 ，減 小水泵功耗，從而提高發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性和動力 性。2007年，鄭州宇通集團有限公司生產(chǎn)的客車采用 了發(fā)動機熱管理技術(shù)．能夠精確控制發(fā)動機冷卻水 的溫度 (86～95 oC)，行駛百公里可以節(jié) 約燃油 5％～ 1O％。
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)動機運行的匹配技術(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扇轉(zhuǎn)速 等。可以根據(jù)汽車發(fā)動機實際工作和試驗情況，依據(jù) 系統(tǒng)優(yōu)化原則來制定智能化電控熱管理系統(tǒng)控制策 略。使發(fā)動機在不同工況下均工作在最佳溫度范圍， 縮短暖機和駕駛艙升溫時間。提高發(fā)動機后冷卻和駕駛艙后加熱能力 。
3.2 熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最優(yōu)化
3.3.1 冷卻水套結(jié)構(gòu)優(yōu)化
冷卻液流量、壓力以及合理的流場分布都直接 影響發(fā)動機的冷卻效果。改進發(fā)動機冷卻水套結(jié)構(gòu)， 尋求合適的流場分布，可以改善發(fā)動機的熱負荷和 熱應力，防止發(fā)動機部件損壞，提高發(fā)動機零部件的 使用壽命、發(fā)動機功率及燃油的經(jīng)濟性。
Kobayashi[13]等早在 1984年提出即分流式冷卻 系統(tǒng)的設計，即氣缸蓋和氣缸體有不同的冷卻回路， 使得氣缸蓋和氣缸體具有不同的溫度。較低的氣缸 蓋溫度有利于進氣和改善排放，而較高的氣缸體溫 度則有利于降低摩擦損失，改善燃油經(jīng)濟性。該設計 的優(yōu)勢在于使發(fā)動機各部分在最優(yōu)的溫度設定點工 作，達到較高的冷卻效率。試驗結(jié)果表明，將流向氣 缸蓋的冷卻液溫度降為50°C，而流向氣缸體為 80 °C，可使壓縮比從 9提高到 12，能夠?qū)崿F(xiàn)部分負荷 狀態(tài)節(jié)油 5％、怠速節(jié)油7％、滿負荷時的功率輸出 提高 l0％的目標。 Finlay[ 41等驗證了使用該系統(tǒng)可使 兩者溫度相差約 100 oC，即氣缸體溫度可高達 150°C 而氣缸蓋溫度可降低到50°C，較高的氣缸體溫度使油 耗降低 4％~6％。在部分負荷時HC排放降低 20％ 35％。節(jié)氣門全開時，氣缸蓋和氣缸體溫度設定值最 大可調(diào) 50°C和90?！?．從整體上改善了燃油消耗、功 率輸出和排放。
逆流式水冷系統(tǒng)也是基于上述思想，將溫度較 低的冷卻液首先引入氣缸蓋水套，然后流過氣缸體 水套，使得氣缸蓋溫度比氣缸體低。這種系統(tǒng)理論上 可以提高壓縮比和改善充氣效率．但根據(jù)VEC公司 在氣候風洞的測試，逆流式水冷系統(tǒng)和傳統(tǒng)水冷系 統(tǒng)性能區(qū)別不大[61。
Finlay還提出了“精確冷卻”的概念．即利用最 少的冷卻以達到最佳的溫度分配。精確冷卻系統(tǒng)的 設計關(guān)鍵在于確定冷卻水套的尺寸及選擇匹配的冷 卻水泵，以保證系統(tǒng)的散熱能力能夠滿足發(fā)動機低速 大負荷時關(guān)鍵區(qū)域工作溫度的需求。研究表明，采用 精確冷卻系統(tǒng)，在發(fā)動機整個工作轉(zhuǎn)速范圍．冷卻液 流量可下降40％，使氣缸蓋水套流速達4 m／s、溫度降 低 60°C。CloughI 對四氣門汽油機的氣缸體和氣缸蓋 進行改造，實現(xiàn)精確冷卻，使得水套容積減少 64％， 水泵功率消耗減少54％．暖機時間也減少 18％
3.3.2 空氣側(cè)部件布局優(yōu)化
空氣側(cè)部件的空間布局對發(fā)動機艙內(nèi)的空氣流 動和溫度分布影響顯著。Delphi汽車公司針對傳統(tǒng)的冷凝器一散熱器一風扇布 置順 序的冷卻模 塊 (CRFM)，提出了新的冷凝器一風扇一散熱器布置順 序的冷卻模塊(CFRM)概念，即將風扇置于冷凝器 和散熱器之間。研究表明CFRM配置能驅(qū)動更多空 氣流過冷凝器 和散熱器 ，CFRM 的空氣 流量較 CRFM高 16％【161。但 CFRM布置順序怠速時容易引 起前端空氣回流。
Soldnertl；q等提出了一個新的概念 ：緊湊型冷卻 系統(tǒng)(CCS)。與傳統(tǒng)的軸流式冷卻系統(tǒng)相比，CCS系 統(tǒng)為基于離心式風扇的徑流式系統(tǒng)，散熱器、中冷器 和冷凝器都布置在風扇周圍。與傳統(tǒng)的軸流式系統(tǒng) 相比，CCS系統(tǒng)每單位體積的性能提高了42％，噪 音降低了 6dB左右。同時。徑流式風扇功率消耗為 軸流式風扇的70％。但是，由于發(fā)動機艙縱向空間 限制．CCS系統(tǒng)存在著一個內(nèi)在的缺點——裝配困 難。這種技術(shù)已逐漸受到國內(nèi)外研究人員的重視，并 正處于研發(fā)階段。PagetT]等研制的軍用貨車熱管理系 統(tǒng)模塊艙的散熱也使用了離心式風扇，改善了模塊 艙內(nèi)的通風散熱。
Avequint'sl等提出了一種多用換熱器 ，將散熱器 和冷凝器連接成單一模塊。匹配該換熱器的車輛風 洞試驗結(jié)果表明，換熱器的體積減少近 3O％，質(zhì)量 減少 5％～l0％。熱性能也得到了提高。假如能夠避免 散熱器和冷凝器之間的熱過渡區(qū)，這種技術(shù)可以滿 足散熱器和冷凝器的性能要求．使空氣側(cè)壓降最小 化，極大減少裝配空間及其制造費用。
VEC公司針對汽車前端的換熱器越來越多的 特點，研制出全新布局的汽車熱管理系統(tǒng) Ultimate— Cooling系統(tǒng)(圖 3)[61。該系統(tǒng)僅用一種冷卻液(水) 對汽車所有傳熱流體進行冷卻．原來的風冷換熱器 (中冷器、冷凝器、機油冷卻器、燃油冷卻器)變?yōu)槿?新的水冷熱交換器 (WCAC、WCDS、WOC和 WFC)。 它們被從汽車前端移到發(fā)動機罩下，其中中冷器安 裝在發(fā)動機上。前端只有一個風冷多溫度散熱器．以 提供高溫循環(huán)和低溫循環(huán)冷卻。即高溫循環(huán)對發(fā)動 機、機油和 EGR冷卻以及對燃油和車廂加熱，低溫 循環(huán)對空調(diào)制冷劑和燃油冷卻。試驗結(jié)果表明，汽車 前端熱管理系統(tǒng)體積減少 40％．輕度碰撞不會損壞 冷凝器．避免制冷劑泄漏。水冷式中冷器使增壓空氣 的溫度比原來降低 4—2O°C，燃油節(jié)省 6％(28~C， AC／ON，MVEG)。另外 ，該系統(tǒng)還可以為 HEV和 FCEV的動力系統(tǒng)提供低溫冷卻。
3.3 熱管理系統(tǒng)材料多元化
目前，汽車熱管理系統(tǒng)材料比較單一，散熱器材 料通常為銅、鋁及鋁合金，冷卻介質(zhì)主要是水和乙二 醇混合物。傳統(tǒng)散熱器的設計方法已經(jīng)趨近極限．因 此急需一種全新的高效的冷卻理念，來實現(xiàn)冷卻性 能的極大改善。而納米流體作為散熱器的冷卻介質(zhì) 冷卻潛力巨大，石墨泡沫也為汽車提供了全新的熱 管理材料
3.3.1 納米流體
納米流體是一種工程傳熱流體，通過在傳統(tǒng)傳 熱流體(水、乙二醇混合物和機油)中分散納米微粒 形成，用來提高發(fā)動機冷卻液及機油的導熱率。
納米流體概念最先是由美國Argonne國家實驗 室的Choi等在 1995年提出的。Choi等在流體中加 入 1％體積濃度的 Cu納米微粒，可以提高流體導熱 率 40％，而加入 1％體積濃度的 C納米管可以提高 流體導熱率 250 。圖4給出了不同納米流體(金 屬微粒和氧化物微粒)導熱率比值 k／k。( 。為乙二醇 導熱率)和納米微粒體積比的關(guān)系。其中，Cu微粒直 徑 小 于 10 nm，CuO和 A1 0 微 粒 平 均 直 徑 為 3mm。
Saripella[~等用 Flowmaster建立了重型貨車發(fā)動 機冷卻系統(tǒng)模型，進行了冷卻液為基液(乙二醇／水各 5O％)和納米流體(4％體積濃度 CuO)的對比仿真，模 擬結(jié)果表明，納米流體冷卻液可提高發(fā)動機功率 5％，降低水泵功耗 88％，減少散熱器表面積5％。
Routbortt2 】等進行了納米流體(乙二醇+CuO)對金 屬的侵蝕機理試驗 ，CuO體積濃度為 0．1％～0．85％．
散熱器材料為 A13003，持續(xù)時間為 3 620 h，試驗顯 示 CuO對 A13003幾乎沒有腐蝕．但其對聚合物水 泵齒輪腐蝕比較嚴重，這也說明了材料選擇的重要 性。因此，將納米流體作為散熱器的冷卻介質(zhì)時。必 須確保納米流體使用時高效、安全和可靠。
3.3.2 石墨泡沫換熱器
1997年 Klett等在 Oak Ridge國家實驗室開發(fā) 出第一種導熱率超過 40W／m·K的石墨泡沫材料。 石墨泡沫為球形的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) (傳統(tǒng)的碳泡沫為五角 十二面體結(jié)構(gòu)，如圖 5)，接觸表面積很大(>4 m2／g)， 傳熱性能優(yōu)良，具有較高的熱擴散率以及優(yōu)良的吸 音和電磁屏蔽能力。這種石墨泡沫材料密度為0．2～ 0．6 g／em ，導熱率比傳統(tǒng)碳泡沫高 3-9倍 ．比金屬鋁 泡沫高 10倍，目前導熱率已經(jīng)高達 187W／ITI·K[Z~l。 因此，石墨泡沫作為全新的汽車熱管理材料。可以使 散熱器的體積變得更小，降低了發(fā)動機罩的高度。進 而降低風阻，改善駕駛員視野。提高安全性。
Klettt~等用石墨泡沫材料做成一個 22．9 cm~17．78 cmxl5．27 cm 的換熱器 (散熱器)，安裝在 588 kW 的 V8賽車發(fā)動機上．替代原有的68．6 cmx48．3 cmx7．6 cm散熱器。在車速為290 km／h、水溫 99．4°C 的穩(wěn)定 工況條件下 ，冷卻水流量僅為 57．5 L／min。風扇空氣 流量僅是原來的2．3％。其整體傳熱系數(shù)要比傳統(tǒng)的 散熱器提高 10倍以上。因此，對于橫截面積為 48 cm~69 cm的汽車散熱器。在具有相同的散熱量的情 況下，其尺寸可以減少到 20 cmx20 cm。這樣就可以 減少散熱器的體積、質(zhì)量和費用，從而提高燃油效 率。
3.4 熱管理研究手段綜合化
汽車熱管理技術(shù)的研究手段主要包括試驗研究 和模擬研究。試驗研究雖然周期長、花費高，但真實 可靠，不僅為模擬研究提供充分的試驗數(shù)據(jù)，還能驗 證仿真計算的精度，是汽車熱管理研究必不可少的 手段．依然得到研究人員的重視和應用。
Clemson大學已經(jīng)建成了專門研究智能熱管理系統(tǒng)的試驗平臺，包括熱源、智能節(jié)溫器、散熱器和 可變速的水泵、風機等，Salah則通過該平臺開發(fā)了 多種發(fā)動機冷卻水溫非線性控制策略。
清華大學[蠲正在建設國內(nèi)第一個汽車熱管理系 統(tǒng)試驗平臺．該試驗平 臺為汽車熱管理 ，特別是燃料 電池汽車熱管理的技術(shù)研究提供相應的平臺技術(shù)支 持。同濟大學倪計民[261等建立了發(fā)動機熱管理系統(tǒng) 試驗平臺，試驗平臺包括駕駛室取暖器、節(jié)氣門加熱 裝置、發(fā)動機罩等．結(jié)構(gòu)與整車相同?？梢匝芯繜峁?理系統(tǒng)中各部件的工作特性，進行發(fā)動機各種工況 的熱性能試驗研究。浙江大學譚建勛[271等進行了工 程機械熱管理系統(tǒng)試驗平臺的開發(fā)。該試驗平臺能 夠較準確地測量系統(tǒng)各部件熱特性參數(shù)，同時也可 以評價整車的冷卻系統(tǒng)性能，優(yōu)化整車的散熱系統(tǒng) 匹配設計 。
計算流體力學和計算傳熱學為汽車熱管理系統(tǒng) 的研究開辟了新的途徑。使模擬仿真成為一種非常 有效的研究手段。同傳統(tǒng)的建造一試驗方法相比，仿 真具有可預先研究、無條件限制、信息豐富、成本低 和周期短等優(yōu)點。
汽車熱管理方面的仿真研究大部分是利用多個 軟件進行一維和三維耦合模擬計算分析。如在一維 模擬研究方面。AVL公一司【 睬 用 BOOST進行氣路循 環(huán)模擬，用 FLOWMASTER2模擬發(fā)動機冷卻液循環(huán) 和油路循環(huán) ．而用 CRUISE置于整個模型的最頂層 ， 為前述的兩個軟件提供計算所需數(shù)據(jù)．同時控制計 算數(shù)據(jù)傳輸及處理順序。梁樂華[281等用KULI軟件建 立整車熱管理模型，模型包括發(fā)動機模塊、空調(diào)模 塊、車身模塊和空氣側(cè)流動模塊。分析了散熱器、風 扇、冷卻水的相關(guān)參數(shù)，對各參數(shù)進行了靈敏度分 析 ，為熱管理系統(tǒng)的設計和優(yōu)化提供了依據(jù) 。在三維 模擬研究方面，AVL公司【1]采用 FIRE仿真空氣側(cè)、 發(fā)動機熱部件和冷卻液三者之間的耦合作用，F(xiàn)IRE 被連接到有限元程序(ABAQUS和 MSC．NASTRAN) 與熱力學代碼 BOOST中。三維模擬既可以研究發(fā)動 機動力部分的熱變化情況 ，同時還可以對發(fā)動機艙 底流及乘客舒適性進行精確模擬，能夠得到整個車 輛的局部溫度及速度的詳細信息。文獻『29]對發(fā)動 機冷卻系統(tǒng)中流動與傳熱的模擬研究進行了詳細的 介紹。
試驗研究和模擬研究是相輔相成的．且不可分 割，將二者有機地結(jié)合起來，發(fā)揮各自的研究優(yōu)勢． 不僅能夠縮短熱管理系統(tǒng)設計的周期和成本．也必 將促進汽車熱管理系統(tǒng)的快速發(fā)展 。
4 結(jié)束語
縱觀目前汽車熱管理系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，從設計 的有效性和實用性方面來看．系統(tǒng)的部件結(jié)構(gòu)和布 局結(jié)構(gòu)優(yōu)化是改善汽車熱管理系統(tǒng)的關(guān)鍵。使用電 控冷卻部件實現(xiàn)精確冷卻和分流式冷卻的合理整 合，能最大程度滿足逐漸提高的熱管理系統(tǒng)性能要 求，具有十分理想的應用前景；而熱管理系統(tǒng)的智能 化、模塊化和集成化是未來發(fā)展的目標；全新熱管理 材料的出現(xiàn)必將加速熱管理系統(tǒng)模塊化和集成化的 進程 。
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