发动机热管理系统及部件研究进展＊
徐喆轩 张俊红 胡欢 赵永欢
【摘 要】【摘要】通过介绍整车热管理系统的研究方法，得出试验研究、一维及三维模拟研究的区域与作用。热管理的试验研究是模拟研究的基础，一维模拟侧重于部件和系统间的相互相应，三维模拟能对具体的车舱进行流动换热预测和空间布置的优化。针对发动机冷却系统各部件进行介绍，可以看出散热器、水泵、水套等部件的研究是冷却系统整体性能提高的基础，且纳米流体介质、智能控制、沸腾换热等方式分别得到广泛应用。 【期刊名称】汽车技术 【年(卷),期】2017(000)004 【总页数】7
【关键词】发动机;热管理;冷却系统;一维模拟
1 前言
随着发动机多系统耦合和单系统部件多元化使整体热源不断增多，空间不断减小，发动机热管理的难度在不断增加。
发动机不同部件适合的工作温度不同，通常将缸盖保持较低的温度以保证可靠性,而缸体保持较高的温度以减少冷却液散热量同时减少水泵功耗来获得更好的燃油经济性。燃料电池汽车中，燃料电池发动机与内燃机有着不同的冷却要求。通常热管理的目标要求包含控制温度范围、控制温度极限、匀化部件温度等。
2 发动机热管理系统介绍
现代柴油机大都采用增压和中冷等技术，并多采用EGR减少排放，少数赛车用汽油机也采用增压中冷技术，而采用大功率柴油机的大型卡车一般采用冷却液
进行中冷和EGR冷却，其热管理系统示意分别如图1和图2所示。随着能源问题日益严重，发动机动力系统、冷却系统、排放系统等的研究已成为解决能源危机和环境污染问题的重要途径。而燃料电池汽车的兴起是解决能源危机和环境污染问题的另一种理想途径，其典型的燃料电池系统包括：燃料电池电堆、氢气系统、空气系统、冷却系统、增湿系统、功率输出系统和控制系统[1]，如图3所示。因此，不同的系统在空间布置、各部件性能要求、工作环境及之间相互制约上有很大不同，系统设计和整车热管理是综合管理各部件的重要手段。车舱中，除了冷却系统外，最主要的热源为空调系统，空调系统制约着冷却系统的空间布置和性能。空调系统制冷剂循环系统由压缩机、冷凝器、节流阀（膨胀阀）、蒸发器、风扇、储液干燥器以及必要的空调管路等部件组成。并且发动机冷却系统和空调系统都带有智能控制设备，因此其冷却系统以及整车热管理包含多个领域。
3 热管理研究方法
3.1 试验研究
热管理试验研究主要有两种方式，第1种是采用等效热源的方法，一般用热源代表发动机（汽车）热管理系统中的发动机、电池等发热部件，热源一般采用电加热的方式使试验系统的灵活性较高，便于模拟多种冷却系统，节约试验成本；第2种以实际发动机冷却系统或整车热管理系统为基础，在具体研究系统中零部件性能、空间布置等方面更加真实可靠。绝大部分发动机冷却系统的研究都与整车系统相联系。
整车热管理系统试验是在整车各系统运行条件下和风洞或道路试验场中，通过热电偶、风速仪等测量手段，以系统性能评价、部件选型与匹配、运行控制为
目的的试验研究[1]。在一般部件试验中，仅给出研究部件的性能曲线，只反映了部件本身潜在的工作能力。但各部件的性能会受到气候条件、汽车行驶工况、总布置设计、管路性能和部件之间联系制约的影响，并不一定是各部件最佳的工作条件。所以需要在模拟上述条件下，对部件的实际运行性能进行试验研究，分析部件的运行工况、动态特性和稳定性，进而测试系统散热功率和功耗，确定系统性能和控制策略等。
吕锋[3]通过散热器风洞试验台对散热器开展性能测试，结合对流强化传热的场协同理论，分析散热器空气侧的密封性能、冷却风道前端部件、散热器相对位置以及散热器相对间距等因素，对模块散热量和流动阻力产生的影响及变化规律。通过搭建商用车动力舱模拟研究试验平台，可知导风作用使流经散热器模块的冷却气流产生明显不均匀分布的特性，且风扇转速和雷诺数都会对不均匀性产生影响。通过一维计算预测和三维CFD模拟得到系统的流动不均匀性将导致流动阻力的增大和传热效率的下降。
Mahmoud等人研究了车舱内空气泄漏对车舱温度和热流量的影响，并对5个特殊位置的泄漏进行试验研究，在此基础上，利用提出的试验处理方法来研究对流换热和辐射换热的分布[4]。同年，通过试验研究设计车舱内部件的布置，达到减小冷却空气流量和空气阻力的效果，例如在较热部件上方放置较冷部件和加入替代部件[5]。Mahmoud等人又以试验手段研究车辆倾斜时车舱内温度和热流的变化。通过测量车舱顶部的对流换热和辐射换热得出倾斜有利于增加车舱顶部的对流换热而抑制辐射换热的结论。在车舱大部分区域，倾斜会使车舱内温度升高，不同的车辆运行情况温度升高区域不同[6]。
邓义斌[7]通过不同冷却液温度试验得出冷却液温度对某型天然气发动机性能的
发动机热管理系统及部件研究进展
