魏兆平

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心；汽車試驗(yàn)研究所）

隨著新能源技術(shù)的普及利用，駕乘人員對(duì)車內(nèi)溫濕度、空氣質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境的要求提高了，某些動(dòng)植物和食品等在運(yùn)輸過程中也有溫濕度的要求。要實(shí)現(xiàn)高效利用車內(nèi)有限的能源資源，保證發(fā)電、取暖和制冷，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、低碳和降噪等功能，首先要求汽車要有優(yōu)秀熱力學(xué)性能、熱平衡能力[1]、密封性、保溫和隔聲性能；其次要挖掘動(dòng)力、傳動(dòng)和排氣系統(tǒng)潛能，保證冷卻及潤(rùn)滑系統(tǒng)工作在最佳溫度和壓力狀態(tài)，降低摩擦副間阻力，提高內(nèi)燃機(jī)熱效率，有效利用冷卻系統(tǒng)熱能，使之轉(zhuǎn)化為除霜除霧和冷啟動(dòng)等所需能量。

1 汽車?yán)鋮s系統(tǒng)

汽車?yán)鋮s系統(tǒng)主要指內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)。內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)性能屬于汽車熱力學(xué)的一部分，由散熱器、膨脹水箱、防凍液、車內(nèi)散熱器、水濾器、風(fēng)扇、水泵、水溫和水壓傳感器、水道、水管及節(jié)溫器等組成，作用是防沸、防凍、防腐、防銹、防垢、潤(rùn)滑系統(tǒng)機(jī)油降溫和升溫以及汽車除霜除霧等。降低工作的內(nèi)燃機(jī)和潤(rùn)滑油溫度，可以提高內(nèi)燃機(jī)工作質(zhì)量（減少粗暴燃燒引起的爆振、噪聲和電磁干擾等）、經(jīng)濟(jì)性和輸出功率；低溫時(shí)還必須具有防凍性能和預(yù)熱內(nèi)燃機(jī)能力。

1.1 傳熱功率[2]

換熱效率的計(jì)算是根據(jù)進(jìn)出口防凍液溫度、進(jìn)出側(cè)的氣流溫度以及對(duì)應(yīng)的壓力和流速等參數(shù)進(jìn)行的；可以利用計(jì)算機(jī)模擬完成這些計(jì)算，汽車上常用流體相交的冷卻方式。

如把“1”作為放熱端，“2”作為吸熱端，“e”代表流入，“a”代表流出，溫度差為：

基本的傳熱功率為：

進(jìn)入端的溫差為：ΔTe=T1e-T2e≥0

式中：T1e，T1a——放熱端流入、流出溫度，K；

T2e，T2a——吸熱端流入、流出溫度，K；

ΔT1，ΔT2——放熱端流入與流出溫度差、吸熱端流出與流入溫度差，K；

1.2 傳遞給冷卻介質(zhì)的熱量[3]

內(nèi)燃機(jī)傳遞給冷卻介質(zhì)的熱量包括工作循環(huán)中的工質(zhì)向氣缸壁及燃燒室的傳熱損失、廢氣通過排氣道時(shí)傳給冷卻介質(zhì)的熱量、活塞與氣缸壁磨擦產(chǎn)生而又傳給冷卻介質(zhì)的熱量以及從潤(rùn)滑油傳給冷卻介質(zhì)的熱量等，用公式表示為：

式中：Qs——傳遞給冷卻介質(zhì)的熱量，kJ/h；

Gs——通過內(nèi)燃機(jī)冷卻介質(zhì)每小時(shí)的流量，kJ/h；

cs——冷卻介質(zhì)比熱，kJ/kg·℃；

t1，t2——內(nèi)燃機(jī)上冷卻介質(zhì)的入口和出口溫度，℃。

1.3 防凍液散發(fā)的最大熱量和相應(yīng)的最大允許溫差

《德國(guó)汽車?yán)碚摗方y(tǒng)計(jì)的防凍液所能散發(fā)的最大熱量值和相應(yīng)的最大允許溫差，如表1 所示[2]。

表1 防凍液所能散發(fā)的最大熱量值和相應(yīng)的最大允許溫差

2 汽車潤(rùn)滑系統(tǒng)

2.1 內(nèi)燃機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)

根據(jù)燃料類型和工作環(huán)境溫度等不同，選擇不同型號(hào)和品牌的機(jī)油。為提高潤(rùn)滑效果，需測(cè)量機(jī)油溫度、黏度、壓力和使用量，使機(jī)油黏度在最佳點(diǎn)和摩擦表面間油膜的摩擦阻力最小。在汽車可靠性行駛試驗(yàn)（或內(nèi)燃機(jī)耐久性臺(tái)架實(shí)驗(yàn)）時(shí)需加裝潤(rùn)滑油溫度、壓力和粘度傳感器，以便測(cè)量在不同載荷、地區(qū)、氣候和路況等嚴(yán)酷行駛工況（如南極地區(qū)）下，潤(rùn)滑系統(tǒng)機(jī)油溫度與行駛車速的關(guān)系曲線，測(cè)量機(jī)油消耗量，保證潤(rùn)滑油黏度在高效利用區(qū)，以期獲得高性能機(jī)油，取得最佳潤(rùn)滑、冷卻效能和經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)要根據(jù)摩擦副之間工作溫度、負(fù)荷、金相和材料組織等環(huán)境條件正確選用潤(rùn)滑脂，現(xiàn)在汽車上多數(shù)選用鋰基潤(rùn)滑脂。

2.2 變速箱（分動(dòng)器）和驅(qū)動(dòng)橋的潤(rùn)滑[4]

2.2.1 機(jī)械式傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪油

設(shè)計(jì)、制造水平的提高，使變速箱（分動(dòng)器）和驅(qū)動(dòng)橋的轉(zhuǎn)速及扭矩分配得到了精確控制，傳動(dòng)效能提升很快。但是優(yōu)秀的潤(rùn)滑方法和高品質(zhì)潤(rùn)滑、冷卻用齒輪油是不可忽視的，精確地掌握齒輪油用量、溫度和使用期限，對(duì)減少傳動(dòng)摩擦副間嚙合阻力、高溫及噪聲，提高傳動(dòng)效率和齒輪使用壽命仍很關(guān)鍵。根據(jù)變速箱形式和承受的工作負(fù)荷等正確選用齒輪油，提高測(cè)量技術(shù)和增加幾個(gè)齒輪的油溫度及粘度傳感器，會(huì)減少傳動(dòng)事故和損失，提高動(dòng)力學(xué)性能和傳動(dòng)系統(tǒng)效率。

2.2.2 自動(dòng)變速器液力傳動(dòng)油

液力傳動(dòng)油又叫汽車自動(dòng)變速器油（ATF），是液力變矩器和液力耦合器的工作介質(zhì)；作用是傳遞動(dòng)力，對(duì)齒輪和軸承等摩擦副進(jìn)行潤(rùn)滑以及在伺服機(jī)構(gòu)中起到液壓自動(dòng)控制的作用。

使用性能：1）適當(dāng)?shù)酿ざ群宛匦裕?）良好的熱氧化安定性；3）良好的抗磨性；4）良好的抗泡沫性。根據(jù)車型不同，選擇不同型號(hào)的液力傳動(dòng)油，使用過程中經(jīng)常檢查油面高度、黏度和油溫是否在正常范圍，定期更換，且不同型號(hào)不能混用。

2.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的潤(rùn)滑

新能源汽車的利用，使得驅(qū)動(dòng)電機(jī)扮演的角色也越來越重要，驅(qū)動(dòng)電機(jī)要具有很好的絕緣系統(tǒng)及軸承系統(tǒng)等[5]。驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速高，電機(jī)軸及軸承系統(tǒng)承受的負(fù)荷很大，軸和軸承之間滾動(dòng)摩擦阻力不可忽視，使用的材料性能（潤(rùn)滑、冷卻及密封性）要求苛刻。軸承等潤(rùn)滑阻力減小，會(huì)減小振動(dòng)及噪聲，提高電機(jī)功率和可靠性；驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸承潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)使用的是循環(huán)供油潤(rùn)滑，散熱效果更好。

3 汽車排氣系統(tǒng)

3.1 排氣系統(tǒng)簡(jiǎn)介

汽車上使用的液冷式內(nèi)燃機(jī)，其輸出的機(jī)械能占燃料燃燒總能量約34%，冷卻系統(tǒng)約占33%，且只有小部分得到使用，排氣系統(tǒng)損失的熱能約占總能量的33%。南方地區(qū)幾乎全年及北方地區(qū)的夏季，汽車?yán)鋮s及排氣系統(tǒng)的熱能都白白損失掉了。局部高溫引起內(nèi)燃機(jī)燃料供給系統(tǒng)燃油蒸發(fā)、產(chǎn)生氣阻（汽油機(jī)），使夏天駕乘艙溫度過高，電子線束等高分子零部件過熱老化，絕緣能力、潤(rùn)滑功能和效率下降等，造成了環(huán)境污染及氣候惡化，少數(shù)零部件早期損壞以及安全性下降等。冬天東北寒冷地區(qū)，客車單靠冷卻系統(tǒng)余熱功率供應(yīng)暖風(fēng)有些不足，增設(shè)獨(dú)立附加取暖裝置不經(jīng)濟(jì)，因此理論計(jì)算排氣系統(tǒng)熱能，并研發(fā)裝置使用，是節(jié)能和減排的重點(diǎn)。

3.2排氣系統(tǒng)熱量計(jì)算[3]

內(nèi)燃機(jī)排放的廢氣溫度很高且流量大，蘊(yùn)含的熱量（QR/（kJ/h））巨大，計(jì)算公式為：

式中：Gr，Gk——每小時(shí)消耗的燃料量和空氣量，kg/h；

cpr，cp——廢氣和空氣的定壓比熱，kJ/kg·℃；

t2——靠近排氣門處的廢氣溫度，℃；

t1——進(jìn)氣管入口處的工質(zhì)溫度，℃。

3.3 排氣系統(tǒng)熱能的開發(fā)利用

排氣系統(tǒng)的熱能冬天可用于汽車取暖及除霜除霧等調(diào)節(jié)車內(nèi)環(huán)境溫度，將熱能通過蒸汽機(jī)技術(shù)等轉(zhuǎn)化成機(jī)械能及電能等，輔助車上發(fā)動(dòng)機(jī)、燈、加濕器及媒體播放器等設(shè)備；或?qū)崮軆?chǔ)存起來，提高廢氣熱能的利用率，促進(jìn)產(chǎn)品升級(jí)，提高內(nèi)燃機(jī)升功率和經(jīng)濟(jì)性，降低環(huán)境溫度以及抑制氣候惡化。利用裝置增加熱能回收，會(huì)增加成本及汽車質(zhì)量，但可以夏季不使用時(shí)拆掉，冬天使用時(shí)再裝上。增設(shè)內(nèi)燃機(jī)排氣系統(tǒng)熱能回收，利用裝置的理論、技術(shù)分析和計(jì)算能力研究，使進(jìn)入催化轉(zhuǎn)換器和消聲器的廢氣溫度及能量下降，排氣污染物排放、噪聲及電磁干擾等有望進(jìn)一步降低。

一輛安裝凈功率78 kW、排量1.5 L 四缸汽油機(jī)的轎車，轉(zhuǎn)速2 500 r/min 左右時(shí)排氣歧管處廢氣溫度約700 ℃，壓力約115 kPa，歧管內(nèi)徑40 mm，排除廢氣約1 875 L/min，高溫廢氣密度約為1.012 kg/m3，排除廢氣的質(zhì)量流量為1.898 kg/min；設(shè)計(jì)發(fā)明的熱能利用裝置，出口溫度在160 ℃左右、溫差360 ℃左右的熱能可以利用，有效使用廢氣30%的熱能將成為可能，相當(dāng)于汽車凈功率增加了約1/4 大于安裝增壓裝置提高和獨(dú)立暖風(fēng)回收的功率。

利用內(nèi)燃機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)研發(fā)排氣系統(tǒng)的熱能回收裝置，可以縮短研發(fā)周期、減少成本，技術(shù)成熟后可以普及到汽車上。

4 冷卻潤(rùn)滑和排氣系技術(shù)性能提升對(duì)環(huán)境的改善

內(nèi)燃機(jī)冷卻及潤(rùn)滑效率的提高，提升了熱效率、汽車除霜除霧能力以及乘車環(huán)境舒適性和安全性，其故障率、能耗和成本下降，汽車之間的電磁干擾減少，可靠性和耐久性延長(zhǎng)，維修及保養(yǎng)費(fèi)用降低且更趨規(guī)范化，綜合能耗下降約2%。另外燃燒科學(xué)化（氧傳感器、直噴分層充分燃燒、增壓裝置及點(diǎn)火技術(shù)等），會(huì)使內(nèi)燃機(jī)的電磁輻射、排氣污染物排放和工作噪聲降低，排氣控污成本和消聲損失功率下降。不完全統(tǒng)計(jì)能減排、降噪7%左右，環(huán)境改善貢獻(xiàn)率至少提高2%。

粗略統(tǒng)計(jì)，如果1.2 億輛汽車有效使用排氣系統(tǒng)熱能回收技術(shù)、裝置，每年將為國(guó)家節(jié)約大約1 000 萬噸煤，創(chuàng)造50 萬個(gè)就業(yè)崗位，霧霾天氣將不存在。環(huán)保技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的提升為國(guó)家GDP、個(gè)人收入增長(zhǎng)以及國(guó)人接受教育、培訓(xùn)和健康指數(shù)貢獻(xiàn)各提高0.2%，勞動(dòng)者技能和效率將得到有效提升，延緩和控制環(huán)境溫度升高造成的生態(tài)惡化，實(shí)現(xiàn)研發(fā)技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力強(qiáng)國(guó)夢(mèng)。

5 結(jié)論

文章理論分析了汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的傳熱功率和排氣系統(tǒng)蘊(yùn)含的熱量，檢測(cè)冷卻及潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度和壓力，確定汽車最優(yōu)冷卻及潤(rùn)滑方法，提高了防凍液及潤(rùn)滑油質(zhì)量且降低了消耗量；提升了內(nèi)燃機(jī)燃燒熱效率、輸出功率和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)獲得除霜和除霧性能要求，降低了電磁波損害、碳排放和噪聲。排氣系統(tǒng)熱能回收技術(shù)與裝置利用，將提高駕乘艙環(huán)境舒適性和能源利用率，利于安全行車并為社會(huì)創(chuàng)造財(cái)富。