汽車熱管理研究現(xiàn)狀及新進(jìn)展
摘要:熱管理是一種綜合技術(shù),直接或間接影響了車輛的多種性能。車輛燃油經(jīng)濟(jì)性、排放及駕駛舒適性的提高對(duì)熱管理技術(shù)發(fā)展提出了更高的要求。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外重型汽車當(dāng)前的熱管理發(fā)展現(xiàn)狀,新型高效車輛熱管理系統(tǒng)概念,基于仿真的汽車熱管理系統(tǒng),指出了這方面需要重點(diǎn)研究解決的問題。
關(guān)鍵詞:熱管理重型汽車仿真
Development Statuson Vehicle Thermal Management
Abstract:The thermal management is a synthetical technology that will directly or indirectly affect vehicle′ performances. The progress of vehicles’ fuel economy, emissions and drive comfort have had a higher demand on the development of thermal management technology.The development statuses of the thermal management for heavy- duty trucks are summarized in this paper,and some new thermal management concepts for high- efficiency vehicles are presented. The simulation for a vehicle thermal management system is described,and based on it,the problems that should be solved in thermal management investigation are highlighted.
Keywords:Thermal management,Heavy-dutytruck,Simulation
為了提高重型柴油汽車的燃料效率和減少排放,各個(gè)國(guó)家特別是發(fā)達(dá)國(guó)家都在積極研究各種柴油機(jī)技術(shù)及相關(guān)的燃料技術(shù)。由于汽車熱管理對(duì)提高燃料經(jīng)濟(jì)性和減少排放有直接或間接的影響,因此有必要對(duì)其進(jìn)行研究和改善。但是相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展,熱管理技術(shù)發(fā)展相對(duì)落后。
熱管理系統(tǒng)主要用于冷卻和溫度控制。例如,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、潤(rùn)滑油、增壓空氣、燃料、電子裝置以及EGR的冷卻,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙及駕駛室的溫度控制等。熱管理系統(tǒng)由各個(gè)部件和傳熱流體組成。部件包括:換熱器、風(fēng)扇、冷卻液泵、壓縮機(jī)、節(jié)溫器、傳感器、執(zhí)行器和各種管道及套管;傳熱流體包括:大氣、冷卻液、機(jī)油、潤(rùn)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。
1 重型汽車熱管理發(fā)展現(xiàn)狀
汽車熱管理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)在過去的40～50年里變化不大,有些部件(冷卻液泵和節(jié)溫器)的設(shè)計(jì)基本上沒改變過。傳統(tǒng)的節(jié)溫器通常采用的是注蠟式節(jié)溫器,它只能在一定的冷卻液溫度(80～85°C)內(nèi)進(jìn)行單點(diǎn)控制(節(jié)溫器在85°C時(shí)開啟,80°C時(shí)關(guān)閉),不能滿足未來的冷卻系統(tǒng)對(duì)冷卻液流量精確控制的要求。研究表明,在25°C大氣溫度時(shí),路上運(yùn)行的負(fù)載車輛,其節(jié)溫器打開(大循環(huán))時(shí)間僅占總時(shí)間的10%[1]。另外,因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)制造商僅對(duì)節(jié)溫器和冷卻液泵有具體的要求,而汽車制造商對(duì)風(fēng)扇和散熱器有特殊的要求。所以,這種傳統(tǒng)的彼此分開的熱管理設(shè)計(jì)無法使系統(tǒng)最優(yōu)化。熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于保守。汽車的可靠性與耐久性是非常重要的,為了保證汽車在任何工況和惡劣氣候條件下都能夠穩(wěn)定工作,汽車熱管理系統(tǒng)通常都是根據(jù)極限運(yùn)行工況(如標(biāo)定功率工況)及環(huán)境(進(jìn)風(fēng)溫度40°C)進(jìn)行設(shè)計(jì)的,選用大尺寸、大散熱量的換熱器。但是大部分汽車特別是大型汽車很少遇到這種極限情形,所以往往導(dǎo)致熱管理系統(tǒng)散熱能力過剩。測(cè)試表明,發(fā)動(dòng)機(jī)排量為10L、標(biāo)定功率為225kW的汽車,其平均功率為185kW,功率系數(shù)(平均功率與標(biāo)定功率的比值)為82%;發(fā)動(dòng)機(jī)排量為15L、額定功率為375kW的汽車,其平均功率為185kW,功率系數(shù)為49%[1]。
由于汽車上使用的風(fēng)扇和冷卻液水泵都由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),風(fēng)量和冷卻液流量與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比變化,無法對(duì)通過散熱器的空氣流量以及水溫進(jìn)行精確控制,從而難以使發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳的溫度下工作,導(dǎo)致排放過高,燃料經(jīng)濟(jì)性和發(fā)動(dòng)機(jī)性能變差。
克服空氣阻力消耗了汽車相當(dāng)大一部分可用功率,因此,降低空氣阻力對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性有重要影響。另外,發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)及溫度分布對(duì)熱管理系統(tǒng)的性能具有十分關(guān)鍵的影響。
2 高性能熱管理系統(tǒng)
整個(gè)車輛熱管理系統(tǒng)可以分成3個(gè)主要部分:動(dòng)力系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)傳熱,發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空氣流動(dòng),駕駛室內(nèi)傳熱。高性能熱管理系統(tǒng)必須協(xié)調(diào)這3個(gè)部分工作以滿足車輛兩大主要運(yùn)行區(qū)域:車輛暖機(jī)和暖機(jī)后發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行環(huán)境。一方面要迅速暖機(jī),以減少冷啟動(dòng)過程中的排放和機(jī)械損失;另一方面要在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工況(尤其是部分負(fù)荷)下維持高溫來優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)熱力特性,提高燃料經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性以及發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)油壽命等[2]。下面就高性能熱管理系統(tǒng)研究的最新技術(shù)做具體的介紹。
2.1電控水泵
傳統(tǒng)水泵由曲軸通過V帶或齒輪驅(qū)動(dòng),運(yùn)行速度與發(fā)動(dòng)機(jī)速度成正比。許多研究顯示,傳統(tǒng)水泵的泵水量?jī)H在5%的時(shí)間內(nèi)正確[1]。而電控水泵由電機(jī)驅(qū)動(dòng),可以對(duì)流量進(jìn)行獨(dú)立控制。電控水泵由于不用曲軸驅(qū)動(dòng),安裝位置比較靈活,可以優(yōu)化水泵水力特性設(shè)計(jì),減少壓力損失。由于電控水泵可以安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙的任何地方,當(dāng)遠(yuǎn)離缸體這一熱源后,水泵可以用塑膠材料制成,減輕重量。同時(shí),由于不用齒輪或者帶輪帶動(dòng),減少了V帶及齒輪對(duì)水泵軸承的循環(huán)側(cè)向負(fù)載力,降低了驅(qū)動(dòng)損失[3]。另外,電控水泵根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻要求而不是速度來供給冷卻液流量,避免了部分負(fù)荷及高速情況下的過冷狀態(tài),減少了不必要的功率消耗。電控水泵也可以在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)及暖機(jī)階段只讓一小部分流體通過,使發(fā)動(dòng)機(jī)迅速達(dá)到正常溫度。
當(dāng)汽車高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)停機(jī)后,由于曲軸驅(qū)動(dòng)的水泵停止運(yùn)行,這時(shí)會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)缸體內(nèi)溫度過高,影響發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。采用電控水泵,在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后仍可以工作,就可以避免這個(gè)問題。
2.2電控閥
傳統(tǒng)注蠟式節(jié)溫器利用可熔蠟的膨脹收縮來控制節(jié)溫器的開啟和關(guān)閉。蠟在行程內(nèi)不僅有相當(dāng)大的偏差,而且有一定的時(shí)間延遲。電控閥的控制系統(tǒng)由傳感器、伺服電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊(ECM)組成,其精度由參數(shù)控制在最佳的范圍內(nèi),控制參數(shù)不必是閥處的冷卻液溫度。電控閥的好處在于,它允許發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)者決定使用哪些部件溫度作為重要的控制溫度,來控制冷卻液流量。這樣的話,不再控制冷卻液溫度,而是關(guān)鍵的發(fā)動(dòng)機(jī)部件溫度。
傳統(tǒng)的節(jié)溫器阻力很大,當(dāng)流體通過時(shí)有很高的壓降。對(duì)于電控閥,可以仔細(xì)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向閥,引導(dǎo)流體從內(nèi)部旁通管流入散熱器。但是,這需要復(fù)雜的機(jī)械驅(qū)動(dòng)控制或者簡(jiǎn)單的電驅(qū)動(dòng)控制。當(dāng)流量為200L/min時(shí),這種閥結(jié)構(gòu)可以使閥處的壓降減少20kPa以上,相當(dāng)于節(jié)省了70W的能量[1]。
2.3電控泵及電控閥系統(tǒng)
電控泵及電控閥與冷卻系統(tǒng)相結(jié)合,可以充分實(shí)現(xiàn)每個(gè)部件的優(yōu)勢(shì),使冷卻系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)。對(duì)于具有EGR冷卻和廢渦增壓空氣冷卻(包括傳統(tǒng)的散熱器冷卻和機(jī)油冷卻)的可控冷卻系統(tǒng),可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度進(jìn)行全面的控制。通過控制進(jìn)氣溫度來控制壓縮溫度,可以控制點(diǎn)火延時(shí)和NOx形成。在冷啟動(dòng)時(shí),不對(duì)進(jìn)氣冷卻可以減少HC排放。每個(gè)系統(tǒng)不受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的影響,而作為一個(gè)獨(dú)立的模塊與車輛匹配,如圖1所示。
2.4強(qiáng)迫對(duì)流/核態(tài)沸騰混合冷卻
所有的內(nèi)燃機(jī)基本上都采用強(qiáng)迫對(duì)流傳熱方式。但是,由傳熱學(xué)知識(shí)可知,核態(tài)沸騰有溫壓小、換熱強(qiáng)的特點(diǎn),在各種傳熱方式中效率最高[4]。核態(tài)沸騰傳熱可以極大地提高傳給流體的熱量,從而降低壁溫。在核態(tài)沸騰冷卻中,冷卻圖1全面控制發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)液在發(fā)動(dòng)機(jī)流通管道中吸熱汽化,然后在散熱器中冷凝釋放熱量。這種傳熱模式有許多優(yōu)點(diǎn),但必須控制膜態(tài)沸騰和蒸干狀態(tài),避免由于膜態(tài)沸騰傳熱系數(shù)小造成的熱點(diǎn)區(qū)和過熱現(xiàn)象?？梢哉{(diào)節(jié)冷卻液流量來控制膜態(tài)沸騰的發(fā)生。在熱負(fù)荷嚴(yán)重的情況下進(jìn)行強(qiáng)迫對(duì)流/核態(tài)沸騰混合冷卻,強(qiáng)迫對(duì)流處理95%的冷卻要求,核態(tài)沸騰處理剩下的5%[5]。該傳熱方式的使用可以減小換熱器、風(fēng)扇和冷卻液泵的尺寸,從而減少能量消耗。但是,為了控制臨界熱流密度,要注意缸蓋冷卻液通道的表面、幾何形狀、尺寸等參數(shù)的設(shè)計(jì)。
2.5高級(jí)傳熱流體
阿爾貢(Argonne)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在研制一種導(dǎo)熱納米微粒來提高發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液及機(jī)油的導(dǎo)熱特性。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(jī)油)中分散納米金屬微粒形成。測(cè)試結(jié)果顯示,可提高40%的導(dǎo)熱率[5]。其中,導(dǎo)熱率為納米材料和納米微粒體積百分比的函數(shù)。
2.6緊湊型冷卻系統(tǒng)CCS
對(duì)各換熱器進(jìn)行重新布置、設(shè)計(jì),能夠極大地影響汽車空氣阻力、換熱器的效率及汽車安全性。最近,關(guān)于冷卻系統(tǒng)提出了一個(gè)新的概念:緊湊型冷卻系統(tǒng)CCS(CompactCool2ingSystem)。跟傳統(tǒng)的軸流式冷卻系統(tǒng)相比,CCS系統(tǒng)為徑流式系統(tǒng)(基于離心式風(fēng)扇),熱交換器(水散熱器,中冷器及冷凝器)都布置在風(fēng)扇附近(如圖2所示)。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(shí)徑流式風(fēng)扇功率消耗為軸流式風(fēng)扇的70%,從而極大地節(jié)省了燃料消耗[6]。但是,由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙縱向空間限制,CCS系統(tǒng)存在著一個(gè)內(nèi)在的缺點(diǎn)———裝配困難。這種技術(shù)已逐漸受到國(guó)內(nèi)外研究人員的重視,并正處于研發(fā)階段。
2.7多用換熱器
減少汽車前端的體積,可以降低汽車空氣阻力、增加駕駛員的視野范圍,從而提高駕駛安全性。因此,發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻模塊緊湊化是必然的發(fā)展趨勢(shì)。但是,隨著換熱器盡可能的優(yōu)化,換熱器的裝配仍然限制著換熱器厚度的減少。最新提出的、具有創(chuàng)新性的機(jī)械式多用換熱器,將車輛中的散熱器和冷凝器連接成一個(gè)單一模塊。假如能夠巧妙設(shè)計(jì)來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A/C回路冷凝器的性能要求;它也能夠使該模塊的氣側(cè)壓降最小化,也能夠極大減少裝配空間及其制造費(fèi)用。匹配這種多用換熱器的車輛風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)表明:體積減少了將近30%,質(zhì)量減少了5%～10%,熱性能也得到了提高[7]。
2.8輕型高導(dǎo)熱率材料散熱器
奧克里奇國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL-OakRidgeNationalLaboratory)開發(fā)出一種獨(dú)特的石墨泡沫材料,可以極大提高傳熱系數(shù)。這種石墨泡沫材料密度為0.2～0.6g/cm3,導(dǎo)熱率為40～187W/m.K。因?yàn)榕菽瓰榉涓C狀的網(wǎng)形結(jié)構(gòu),接觸表面積很大(>4m2/g),用石墨泡沫材料做成的散熱器,其整體傳熱系數(shù)要比傳統(tǒng)的散熱器提高10倍以上[8]。因此,對(duì)于橫截面積為48cm×69cm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20cm×20cm。這樣就可以減少散熱器的體積、質(zhì)量和費(fèi)用,從而提高燃油效率。3基于仿真的汽車熱管理系統(tǒng)由于車輛裝配及式樣方面的約束,限制了傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)的性能。對(duì)冷卻系統(tǒng)發(fā)展的要求使得必須對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行有效的組織。同時(shí),先進(jìn)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須同時(shí)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)及冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)外的相互影響,是一項(xiàng)巨大的系統(tǒng)工程。
隨著計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展而蓬勃興起的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)和計(jì)算傳熱學(xué)(NHT)為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理的設(shè)計(jì)研究開辟了新的途徑,仿真成為一種非常有效并具有潛力的手段,對(duì)熱管理系統(tǒng)的成功開發(fā)與設(shè)計(jì)帶來非常顯著的作用。利用3D實(shí)體建模、有限元分析(FEA-FiniteElementAnalysis)、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)以及工程數(shù)據(jù)庫(kù)分析等工具軟件,設(shè)計(jì)解決方案只需要幾天而不是以前的幾個(gè)星期,大大縮短了開發(fā)周期。
同傳統(tǒng)的建造—實(shí)驗(yàn)方法相比,仿真具有可預(yù)先研究、無條件限制、信息豐富、成本低、周期短等一些顯著特點(diǎn)。在AVL車輛熱管理項(xiàng)目中,它采用了兩種方式:1-D仿真系統(tǒng)和3-D仿真系統(tǒng)。在1-D仿真系統(tǒng)中,熱管理各子系統(tǒng)(氣體、冷卻液、潤(rùn)滑油等管路)及各發(fā)動(dòng)機(jī)熱部件都以代碼的形式存在,并且在車輛仿真代碼控制下發(fā)生相互作用。這些控制代碼也給子系統(tǒng)/部件提供負(fù)荷、運(yùn)行條件以及氣候條件等外部因素。3-D系統(tǒng)用來仿真氣體一側(cè)、發(fā)動(dòng)機(jī)熱部件和冷卻液三者之間的耦合作用。在這種情形下,3-DCFD(FIRE)被連接到有限元程序(ABAQUS和NASTRAN)與熱力學(xué)代碼BOOST中。CFD代碼也可用來研究駕駛室的熱舒適性[9]。
汽車發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理流動(dòng)與傳熱仿真的數(shù)學(xué)模型為十分復(fù)雜的多維非線性偏微分方程組,在建模過程中將進(jìn)行系統(tǒng)分解,即先暫時(shí)完全“切斷”系統(tǒng)中各子系統(tǒng)(部件)間的狀態(tài)關(guān)聯(lián),將熱管理系統(tǒng)分解為若干相對(duì)簡(jiǎn)單的子系統(tǒng),利用相應(yīng)的基礎(chǔ)理論,采用模塊化建模方法,分別建立起各子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,然后把這些局部模型綜合起來,構(gòu)成描述復(fù)雜熱管理系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)過程的數(shù)學(xué)模型,開發(fā)出熱管理仿真軟件平臺(tái)系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理仿真系統(tǒng)主要包括以下3部分:
1)熱管理系統(tǒng)的關(guān)鍵部件/子系統(tǒng)仿真模型。
2)熱管理流體網(wǎng)絡(luò)集成仿真系統(tǒng)。以關(guān)鍵部件/子系統(tǒng)仿真模型為基礎(chǔ),考慮各部件/子系統(tǒng)之間的流動(dòng)與傳熱耦合效應(yīng),對(duì)各部件/子系統(tǒng)進(jìn)行集成綜合,建立熱管理流體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)過程的物理數(shù)學(xué)模型,在FLOWMASTER(FM2)軟件平臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā),建立熱管理流體網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)。
3)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)外流動(dòng)與傳熱仿真系統(tǒng)。
4結(jié)論
通過以上分析,筆者認(rèn)為熱管理系統(tǒng)研究重點(diǎn)在以下幾個(gè)方面:
1)輕型高導(dǎo)熱率材料散熱器的研究。
2)緊湊型冷卻系統(tǒng)的研究。
3)換熱器系統(tǒng)集成化的研究。
4)電子技術(shù)在節(jié)溫器、風(fēng)扇及水泵控制等方面的綜合應(yīng)用。5)基于仿真的熱管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)。
汽車的熱管理是一個(gè)非常重要但是很大程度上被忽略的技術(shù)領(lǐng)域,它影響了車輛的許多性能,包括:發(fā)動(dòng)機(jī)性能,燃料經(jīng)濟(jì)性,安全與可靠性,空氣動(dòng)力性,駕駛員/乘客舒適性,材料選擇,排放,維護(hù)以及部件壽命等,所有這些都要求更新發(fā)動(dòng)機(jī)及車輛的熱管理系統(tǒng)。新概念及新技術(shù)的實(shí)行面臨著費(fèi)用、復(fù)雜性及可靠性等困難。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,熱管理技術(shù)會(huì)朝智能化方向發(fā)展,以滿足社會(huì)對(duì)燃料經(jīng)濟(jì)性及排放控制的要求。
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