王俊豪，胡志剛

（1.四川省成都市西華大學，四川 成都 610039；2.四川省綿陽南山中學，四川 綿陽 621000）

引言

一般小轎車、SUV和商用汽車車輛整體較為緊湊，發(fā)動機艙空間相對狹小，部件布置較為緊湊，使得其中空氣的流動變得緩慢，熱量和溫度提高較快。當發(fā)動機艙空氣流動性不好時，發(fā)動機所產(chǎn)生的熱量很難有效揮發(fā)，機艙溫度較高會影響到發(fā)動機空調(diào)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等性能，進而影響到汽車正常運轉(zhuǎn)，使得駕駛員在行車中可能會面臨一定的安全隱患。

1 發(fā)動機熱管理的基本原理

為了解決發(fā)動機艙空氣溫度高、流動性不好的難題，有效提升汽車運轉(zhuǎn)中安全性，保證動力穩(wěn)定輸出，汽車科研者提出了發(fā)動機熱管理的理念，注重采取新的方法和技術(shù)來保障發(fā)動機效率和傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，以保障綜合性能的效率。一般來說，在發(fā)動機管理中需要注意冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等，通過熱管理來減少汽車燃油消耗和污染氣體排放，提升發(fā)動機運轉(zhuǎn)質(zhì)量和效率。

1.1 冷卻系統(tǒng)

發(fā)動機是汽車動力來源，為汽車提供前進中的動力和車載電子設(shè)備的能量，保障車輛平穩(wěn)前行。在發(fā)動機工作時，燃油和空氣在發(fā)動機缸內(nèi)燃燒后產(chǎn)生大量的熱，其中一部分被排氣所帶走，還有一部分會導致發(fā)動機內(nèi)部各零件和潤滑系統(tǒng)溫度提升。根據(jù)相關(guān)研究統(tǒng)計，發(fā)動機燃燒放出的熱量有三個去向：三分之一熱量轉(zhuǎn)化為輸出功、三分之一熱量轉(zhuǎn)化為排氣、三分之一熱量被冷卻系統(tǒng)帶走。發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)冷卻液降低發(fā)動機缸內(nèi)溫度，讓汽車系統(tǒng)中各個部件溫度和機油溫度保持在適度范圍內(nèi)，更好地保障發(fā)動機溫度平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。

一般來說，冷卻系統(tǒng)水泵分為機械驅(qū)動和電子泵。機械驅(qū)動方式中，發(fā)動機帶動皮帶輪直接驅(qū)動，冷卻強度由轉(zhuǎn)動速度直接決定，當發(fā)動機處于高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)時，實際散熱需求與機械驅(qū)動散熱強度不匹配時會造成冷卻系統(tǒng)功率的消耗，同時，機械式冷卻系統(tǒng)會帶走大量有效功，影響到發(fā)動機運轉(zhuǎn)效率。

科技快速發(fā)展，傳統(tǒng)機械式驅(qū)動逐漸被電子泵、電子風扇等電子設(shè)備所代替，在冷卻系統(tǒng)的指引下，溫度傳感器把實時溫度傳遞給車內(nèi)微機系統(tǒng)，由計算機來進行實時計算后控制水泵轉(zhuǎn)速，確保流卻介質(zhì)流量在最佳范圍內(nèi)，實現(xiàn)了精準化、智能化控制，達到了車輛運行的最優(yōu)化狀態(tài)。采取電子方式控制的發(fā)動機，以合理控制策略、精準控制時間來降低汽車油耗，讓汽車發(fā)動機處于最佳運行狀態(tài)。

1.2 潤滑系統(tǒng)

潤滑系統(tǒng)是汽車整體系統(tǒng)的重要組成部分，潤滑系統(tǒng)工作質(zhì)量好壞直接關(guān)乎到汽車運行中的質(zhì)量，保證車輛發(fā)揮好最優(yōu)性能。很多人眼中，汽車部件看起來較為光滑，但微觀情況下依然存在著一定粗糙度，當部件間存在相對運動時運動件間會存在一定摩擦力，而潤滑油則是保證部件順利運動的物質(zhì)。潤滑系統(tǒng)任務(wù)是把足量的潤滑油供給到汽車整個系統(tǒng)各個部件，減少零件間因相對運動而產(chǎn)生的摩擦，降低零件損耗，保證發(fā)動機等核心部件順利運轉(zhuǎn)[1]。

潤滑系統(tǒng)工作時，汽車部件運轉(zhuǎn)帶動潤滑油形成油膜，減小摩擦力，降低振動影響，避免汽車運行中的潛在問題。在降低摩擦力的同時，潤滑系統(tǒng)另外一個功能就是通過循環(huán)來帶走因摩擦而產(chǎn)生的熱量，對發(fā)動機進行冷卻后來延長使用壽命。

在潤滑過程中，潤滑油溫度對性能有著較高影響，溫度過高時黏度有所下降，很難在機械部件表面形成油膜，經(jīng)過高溫后會加速老化，縮短機油使用壽命。開發(fā)管理中要注意潤滑油的性質(zhì)及臨界溫度，確保選擇合適品種的潤滑油。很多車型在研發(fā)中會采取與發(fā)動機缸體換熱或?qū)C油底殼進行冷卻的方式來保障冷卻系統(tǒng)的平穩(wěn)運行，提升潤滑油使用壽命。

綜合來看，潤滑系統(tǒng)的作用表現(xiàn)在潤滑、散熱等方面，系統(tǒng)如果不能正常運行必然會影響到發(fā)動機性能的表現(xiàn)，影響汽車正常運行。

1.3 熱管理的實驗與模擬方法

熱管理實驗是在實驗室環(huán)境下依據(jù)國家或企業(yè)的標準，根據(jù)汽車工況的不同來進行實驗，檢測得到制造的樣機數(shù)據(jù)來進行優(yōu)化，為后續(xù)車輛流程化制造提供數(shù)據(jù)支撐和指導。整車熱試驗一般分為空調(diào)降溫實驗、整車熱平衡實驗、采暖除霧實驗等，通過實驗來做到車輛整體平衡。

以往汽車開發(fā)過程中，發(fā)動機艙熱管理一般采用實物實驗方法，導致實驗周期長，耗費大量人力和物資，數(shù)據(jù)不夠精準。近些年來，計算機模擬成為熱管理實驗的主流，軟件數(shù)值模擬在研究方面取得了很大進步，為熱管理開發(fā)及性能優(yōu)化提供了新途徑。車輛開發(fā)的前期，研發(fā)人員利用模擬軟件STARCCM+來建立模型、輸入?yún)?shù)來模擬汽車外部流場、發(fā)動機艙內(nèi)流場等情況，計算得到與真實數(shù)據(jù)相差不大的數(shù)值，直觀地避免設(shè)計中可能出現(xiàn)的缺陷。

僅有數(shù)值模擬并不夠，還要結(jié)合實驗數(shù)據(jù)來進行綜合分析。三維模擬計算得到的溫度和流動場如果得不到數(shù)據(jù)驗證和支持很難表明是否正確，結(jié)合不同條件下實驗數(shù)據(jù)來得到真實情況與數(shù)據(jù)模擬進行匹配，為車輛開發(fā)提供優(yōu)化策略。

2 冷卻系統(tǒng)組成

冷卻系統(tǒng)是汽車系統(tǒng)的重要組成部分，一般是由散熱器、風扇、冷卻水泵等多個部件組成。

散熱器性能直接決定著出水溫度的高低，質(zhì)量高低關(guān)乎著冷卻系統(tǒng)好壞，因此必須予以高度重視。散熱器芯體材料分為銅芯和鋁芯兩種材質(zhì)，但是銅芯制作工藝影響到散熱性能，不如鋁芯散熱器好，加之銅材料成本高，車商大多采用鋁材質(zhì)作為芯體。從芯體結(jié)構(gòu)形式來看，散熱器分為管片式、管帶式，兩種形式各有優(yōu)勢，管帶式成本低，工藝簡單，但強度不如管片式且冷卻介質(zhì)流阻較大，車輛散熱器往往采用管片式[2]。

冷卻風扇是汽車冷卻系統(tǒng)的一個重要部件，風扇正常工作能夠迅速降低發(fā)動機艙溫度，加快氣體流動速度，保障空調(diào)系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)。根據(jù)風扇方式一般分為機械風扇和電子風扇，機械式風扇會消耗發(fā)動機相當部分熱量，但其中有一種液壓驅(qū)動式風扇能夠避免上述缺陷，以液壓油為工作介質(zhì)實現(xiàn)無極調(diào)速，具有可靠性高、安裝靈活、對發(fā)動機沖擊小等優(yōu)勢，但也存在著成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，在實際中很少應(yīng)用。目前，使用最多的一種風扇是電子驅(qū)動式風扇，由ECU所控制，理論上根據(jù)散熱需求來實現(xiàn)對風扇的無極控制，國內(nèi)外研究者研究發(fā)現(xiàn)電子驅(qū)動風扇能耗非常小，但價格要比機械式驅(qū)動貴，整體應(yīng)用范圍和車型較多。

冷卻水泵為冷卻液流動提供動力，保證冷卻回路中循環(huán)流動。根據(jù)驅(qū)動方式不同分為機械式和電子式。大多數(shù)車輛往往采取電子泵，動力是由直流電源提供，根據(jù)不同工況由ECU進行控制，更好地推動水泵轉(zhuǎn)動、開啟或關(guān)閉。電子泵運轉(zhuǎn)根據(jù)不同工況來進行實時控制和調(diào)節(jié)，有效控制冷卻液流動，避免冷卻系統(tǒng)過冷、過熱，減少不必要的功率消耗，提升控制效率和質(zhì)量。

此外，冷卻系統(tǒng)的性能并不是單一部件間集合，而是所有部件集合在一起后的綜合性能，需要根據(jù)實際發(fā)動機工況來進行控制。同時，電子器件變多趨勢，很多車載裝置需要散熱，整個汽車冷卻系統(tǒng)會變得越來越復(fù)雜，控制策略需要更加精準、精確，確保整個冷卻系統(tǒng)平穩(wěn)運行。

3 汽車冷卻系統(tǒng)的仿真概括

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)仿真模擬軟件成為了各個車企研發(fā)中的重點，需有效降低管理和實驗成本，提升研究效率和質(zhì)量。目前，F(xiàn)LOWMASTER軟件廣泛應(yīng)用于冷卻系統(tǒng)仿真之中，精準地分析熱管理系統(tǒng)，縮短整車設(shè)計實踐和費用。在軟件應(yīng)用中，研究者需要建立模型，輸入?yún)?shù)，利用求解器來求解出模擬結(jié)果，再與實驗進行驗證和匹配[3]。

在仿真建模中，工程師要結(jié)合冷卻模塊，簡化真實冷卻系統(tǒng)，布置出關(guān)鍵部件來優(yōu)化冷卻方案，滿足熱平衡實驗要求，結(jié)合模型參數(shù)來輸入運算數(shù)據(jù)，通過設(shè)置汽車工況來計算出模擬數(shù)值。在得到數(shù)值后，發(fā)現(xiàn)溫度較高部件或位置，調(diào)整參數(shù)設(shè)計來優(yōu)化風扇轉(zhuǎn)速、冷卻液溫度等，讓整個汽車冷卻系統(tǒng)在優(yōu)化后更好地工作。

4 整車熱平衡系統(tǒng)的實驗概述

發(fā)動機艙熱管理設(shè)計不僅需要數(shù)值模擬，還要有實驗來予以驗證，以實驗方式真實反映發(fā)動機艙溫度和流場分布情況，抓住引發(fā)溫度過熱的關(guān)鍵因素，為發(fā)動機整體布置做出指導。整車熱平衡實驗設(shè)計出不同工況、不同條件來觀察機油溫度、散熱器出水溫度等關(guān)鍵指標，找到整車熱評和性能，布置傳感器設(shè)計出實驗數(shù)據(jù)采集點得到數(shù)據(jù)，驗證模擬值是否符合要求。結(jié)合整車熱平衡實驗來為關(guān)鍵部件如散熱器、風扇等參數(shù)選型提供參考，幫助工程師來優(yōu)化車輛設(shè)計，更好地達到設(shè)計要求。