李波，阮仁宇，王錦艷，郜昊強(qiáng)，劉芯娟

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

整車熱管理技術(shù)及應(yīng)用分析

李波，阮仁宇，王錦艷，郜昊強(qiáng)，劉芯娟

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

國(guó)外的熱管理技術(shù)主要從系統(tǒng)的角度解決傳統(tǒng)燃油車的熱量分配問題，國(guó)內(nèi)熱管理技術(shù)仍在單個(gè)部件上進(jìn)行研究。目前行業(yè)內(nèi)有很多新興的熱管理技術(shù)，文章重點(diǎn)介紹發(fā)動(dòng)機(jī)分流冷卻技術(shù)、智能冷卻格柵、余熱回收技術(shù)，以奔馳C220和宇通第二代熱管理技術(shù)為例，較為詳細(xì)的介紹熱管理先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用情況。

熱管理技術(shù)；智能冷卻格柵；余熱回收技術(shù)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.069

CLC NO.: U464.11+1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-202-03

前言

整車熱管理系統(tǒng)是從熱量角度出發(fā)統(tǒng)籌發(fā)動(dòng)機(jī)與整車間的關(guān)系，采用綜合手段控制熱量傳遞，根據(jù)工況和環(huán)境條件，自動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻強(qiáng)度以保證被冷卻對(duì)象在最佳溫度范圍內(nèi)工作，進(jìn)而優(yōu)化整車的節(jié)能效果，改善汽車運(yùn)行安全性和駕駛舒適性[3]。

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：冷卻液、機(jī)油、潤(rùn)滑油、廢氣、燃料、制冷劑等。上述部件和流體必須協(xié)調(diào)工作以滿足車輛散熱和溫度控制要求。

1、熱管理技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外熱管理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外熱管理技術(shù)研究開展較早，在多領(lǐng)域都取得大量技術(shù)成果，比較具有代表性的為機(jī)艙熱管理技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)精準(zhǔn)冷卻系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)分體式冷卻系統(tǒng)等。

英國(guó)Bath大學(xué)的K. Robinson等學(xué)者倡導(dǎo)精確冷卻技術(shù)以加速暖機(jī)、減少熱應(yīng)力、改善爆震、減少冷卻液散熱量，同時(shí)擁有更高的平均有效壓力、更低的磨擦損失、材料和冷卻液成本[3]。

福特公司重點(diǎn)研究分體式發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)，即缸蓋和機(jī)體采用單獨(dú)冷卻回路，分路之間通過節(jié)溫器調(diào)節(jié)流量比例，從而實(shí)現(xiàn)缸蓋與缸體的差異化冷卻需求，目的是來獲得發(fā)動(dòng)機(jī)更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

VALEO公司開發(fā)新型冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)的高溫回路包含冷卻液散熱器、機(jī)油換熱器、EGR 冷卻器、燃油換熱器和暖通換熱器；低溫回路含空調(diào)冷凝器、中冷器和燃油冷卻器。高低溫回路有單獨(dú)水泵調(diào)節(jié)流量。試驗(yàn)測(cè)試表明，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗在NEDC測(cè)試循環(huán)中平均油耗降低 6%，前端模塊的體積減小了40%。

1.2 國(guó)內(nèi)熱管理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)熱管理技術(shù)研究起步較晚，對(duì)熱管理技術(shù)的研究范圍僅限于各子系統(tǒng)的范疇內(nèi)，系統(tǒng)研究還有待進(jìn)一步突破。

清華大學(xué)張揚(yáng)軍教授建立汽車熱管理系統(tǒng)研究平臺(tái)，通過模擬熱管理部件熱特性、熱管理系統(tǒng)流動(dòng)與傳熱特性及汽車熱環(huán)境，對(duì)熱管理系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的實(shí)驗(yàn)研究。

浙江大學(xué)俞小莉教授建立系統(tǒng)換熱性能平臺(tái)，在試驗(yàn)測(cè)量領(lǐng)域研究成果顯著[2]。

濰柴動(dòng)力股份有限公司結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理仿真及車輛匹配可行性研究。

上汽集團(tuán)、一汽集團(tuán)等利用一維軟件針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)。

2、傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題

傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)內(nèi)部各部件耗功嚴(yán)重，風(fēng)扇功率消耗達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)總功率輸出的10%；蠟式節(jié)溫器控制響應(yīng)慢，不能對(duì)冷卻液流量進(jìn)行精確控制。

傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)只能有限調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)和整車熱分布狀態(tài)，不能精確控制循環(huán)冷卻液量和冷卻空氣流量，無法使發(fā)動(dòng)機(jī)各部件工作在最佳溫度。

傳統(tǒng)車輛熱管理技術(shù)需要解決如下關(guān)鍵技術(shù)問題：

1）受熱結(jié)構(gòu)及其材料熱力性能研究

2）冷卻介質(zhì)熱力性能與流動(dòng)性能研究

3）冷卻回路流動(dòng)傳熱過程研究

4）發(fā)動(dòng)機(jī)各系統(tǒng)熱狀態(tài)表征及變化規(guī)律研究

5）高效熱交換器設(shè)計(jì)理論研究

6）高效水泵、風(fēng)扇設(shè)計(jì)

7）廢熱梯級(jí)利用技術(shù)

8）發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理智能控制技術(shù)

3、先進(jìn)熱管理技術(shù)

電控化、智能冷卻元件主要包括冷卻風(fēng)扇智能控制技術(shù)，電控節(jié)溫器，電控水泵，電控機(jī)油泵，智能溫控進(jìn)氣格柵等技術(shù)。目前電控水泵、機(jī)油泵的技術(shù)應(yīng)用比較普遍，因此本文將重點(diǎn)介紹智能風(fēng)扇控制技術(shù)及智能溫控進(jìn)氣格柵技術(shù)。

3.1 電控風(fēng)扇

電控風(fēng)扇一般由電動(dòng)機(jī)或液壓泵馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)，采用智能控制模式，根據(jù)溫度傳感器采集溫度信號(hào)(如水溫和進(jìn)氣溫度)自動(dòng)調(diào)整風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳溫度，在滿足整機(jī)散熱需求的前提下有效降低風(fēng)扇的功率消耗和噪聲，最終達(dá)到節(jié)能降噪的目的[1]。

圖1 電控風(fēng)扇

3.2 智能溫控進(jìn)氣格柵

智能溫控進(jìn)氣格柵由水溫傳感器、控制單元和電動(dòng)格柵三部分組成。水溫傳感器獲取發(fā)動(dòng)機(jī)溫度信號(hào)，控制單元根據(jù)溫度信號(hào)控制電動(dòng)格柵的進(jìn)氣角度。

智能溫控進(jìn)氣格柵有單級(jí)、多級(jí)和無級(jí)三種控制精度。發(fā)動(dòng)機(jī)低溫時(shí)，進(jìn)氣格柵處于關(guān)閉狀態(tài)，可以大大降低汽車的風(fēng)阻系數(shù)，同時(shí)可以縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的升溫時(shí)間、降低油耗、減少發(fā)動(dòng)機(jī)低溫磨損、提高汽車動(dòng)力性能；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)升溫后，進(jìn)氣格柵通過溫度感應(yīng)信號(hào)調(diào)整進(jìn)氣角度，精確滿足發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣冷卻需要。

圖2 智能溫控進(jìn)氣格柵工作原理示意圖

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)分流冷卻技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)分流冷卻技術(shù)是指氣缸蓋和氣缸體通過不同的冷卻回路進(jìn)行冷卻，獨(dú)立的冷卻水泵能夠調(diào)節(jié)冷卻回路的流量比例。

分流式冷卻系統(tǒng)可以使發(fā)動(dòng)機(jī)各部分在最優(yōu)的溫度點(diǎn)工作，達(dá)到較高的冷卻效率，可以有效改善排放及降低摩擦損失[3]。

3.4 余熱回收技術(shù)

內(nèi)燃機(jī)的余熱能利用具有較大節(jié)能潛力，冷卻系統(tǒng)中的廢熱可用于駕駛室的供暖，達(dá)到廢熱回收的目的；通過壓電技術(shù)、溫差發(fā)電技術(shù)、朗肯底循環(huán)等技術(shù)，設(shè)計(jì)排氣熱回收裝置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)排氣中能量的收集利用。

圖3 內(nèi)燃機(jī)余熱回收示意圖

目前余熱回收技術(shù)中發(fā)展較好的為有機(jī)朗肯循環(huán)和熱電轉(zhuǎn)化的方式。有機(jī)朗肯循環(huán)，有機(jī)工質(zhì)在換熱器中從內(nèi)燃機(jī)余熱流（高溫排氣和冷卻水）中吸收熱量，生成具一定壓力和溫度的蒸汽，蒸汽膨脹做功，實(shí)現(xiàn)余熱能到機(jī)械能及電能的轉(zhuǎn)換[4]。

有機(jī)朗肯循環(huán)中的工質(zhì)不適應(yīng)高溫廢氣的余熱回收，溫差發(fā)電技術(shù)可以使用熱電材料在高溫排氣下工作。溫差發(fā)電技術(shù)與有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)較好的余熱回收效果。

4、先進(jìn)熱管理系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

4.1 奔馳C220CDI 冷卻系統(tǒng)

奔馳C220CDI發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)采用多回路冷卻技術(shù)，一條回路是發(fā)動(dòng)機(jī)水套主循環(huán)，另一條回路是中冷、EGR冷卻等。這種設(shè)計(jì)可以減輕水套主循環(huán)散熱負(fù)荷，滿足其他回路散熱需要。

試驗(yàn)證明，該車?yán)鋮s系統(tǒng)與其他同車型傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)相比，可節(jié)省燃油消耗約6%，有效減少污染物排放，同時(shí)還能節(jié)省布置空間。

4.2 宇通第二代熱管理系統(tǒng)

圖4 宇通第二代熱管理系統(tǒng)示意圖

宇通第二代熱管理系統(tǒng)采用電子風(fēng)扇取代傳統(tǒng)風(fēng)扇，ECU控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速和啟停。ECU通過脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇無級(jí)變速，使發(fā)動(dòng)機(jī)水溫恒定在最佳工作溫度；電子風(fēng)扇取消機(jī)械顫動(dòng)部分，減少發(fā)動(dòng)機(jī)能耗。

此外該系統(tǒng)還采用一體化結(jié)構(gòu)，將散熱器和中冷器并排布置，減小冷卻模塊體積，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置。

宇通第二代熱管理系統(tǒng)在宇通的客車上完成應(yīng)用，較普通發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗可減少8%-13%。

5、小結(jié)

對(duì)于傳統(tǒng)燃油車而言，熱管理技術(shù)是改善整車燃油經(jīng)濟(jì)性、降低油耗的有效手段，目前熱管理技術(shù)向電控化、智能化方向邁進(jìn)，以宇通為代表的熱管理技術(shù)已經(jīng)充分體現(xiàn)出實(shí)際效益。

現(xiàn)有的熱管理技術(shù)很多，企業(yè)應(yīng)該結(jié)合自己的實(shí)際情況，梳理熱管理技術(shù)的發(fā)展方向。

[1] 張鐵柱,張洪信.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[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2002(3):273:277.

[2] 梁樂華,高懿,顧寧.應(yīng)用熱管理平臺(tái)分析汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的參數(shù)和靈敏度[J].汽車科技,2008(2):45:48.

[3] 盧廣峰,郭新民,孫運(yùn)柱.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].農(nóng)機(jī)化研究,2002(2):129:131.

[4] 楊小強(qiáng),蔡立艮,趙立強(qiáng).熱管理技術(shù)在工程車輛中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào),2006,4 (1):61-63.

The Vehicle Thermal Management Technology and The Analysis of Application

Li Bo, Ruan Renyu, Wang Jinyan, Gao Haoqiang, Liu Xinjuan
(Anhui jianghuai Automobile Co., Ltd., Auhui Hefei 230601)

The vehicle thermal management technology abroad mainly from the system to solve the problem of the heat distribution of the traditional fuel vehicles, domestic thermal management technology were researched in the separate components.There are many rising technology including split cooling technique, intelligent cooling grille and waste heat recovery technology and the application of the thermal management technology were introduced with the Mercedes C220 and yutong second generation thermal management technology.

Vehicle thermal management technology; Intelligent cooling grille; Waste heat recovery technology

U464.11+1

A

1671-7988 (2016)12-202-03

李波，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。