王俊豪，胡志剛

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

引言

一般小轎車(chē)、SUV和商用汽車(chē)車(chē)輛整體較為緊湊，發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間相對(duì)狹小，部件布置較為緊湊，使得其中空氣的流動(dòng)變得緩慢，熱量和溫度提高較快。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)艙空氣流動(dòng)性不好時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的熱量很難有效揮發(fā)，機(jī)艙溫度較高會(huì)影響到發(fā)動(dòng)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)等性能，進(jìn)而影響到汽車(chē)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，使得駕駛員在行車(chē)中可能會(huì)面臨一定的安全隱患。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理的基本原理

為了解決發(fā)動(dòng)機(jī)艙空氣溫度高、流動(dòng)性不好的難題，有效提升汽車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)中安全性，保證動(dòng)力穩(wěn)定輸出，汽車(chē)科研者提出了發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理的理念，注重采取新的方法和技術(shù)來(lái)保障發(fā)動(dòng)機(jī)效率和傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，以保障綜合性能的效率。一般來(lái)說(shuō)，在發(fā)動(dòng)機(jī)管理中需要注意冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)等，通過(guò)熱管理來(lái)減少汽車(chē)燃油消耗和污染氣體排放，提升發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)質(zhì)量和效率。

1.1 冷卻系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車(chē)動(dòng)力來(lái)源，為汽車(chē)提供前進(jìn)中的動(dòng)力和車(chē)載電子設(shè)備的能量，保障車(chē)輛平穩(wěn)前行。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，燃油和空氣在發(fā)動(dòng)機(jī)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(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部各零件和潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度提升。根據(jù)相關(guān)研究統(tǒng)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒放出的熱量有三個(gè)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(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)冷卻液降低發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度，讓汽車(chē)系統(tǒng)中各個(gè)部件溫度和機(jī)油溫度保持在適度范圍內(nèi)，更好地保障發(fā)動(dòng)機(jī)溫度平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

一般來(lái)說(shuō)，冷卻系統(tǒng)水泵分為機(jī)械驅(qū)動(dòng)和電子泵。機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式中，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)皮帶輪直接驅(qū)動(dòng)，冷卻強(qiáng)度由轉(zhuǎn)動(dòng)速度直接決定，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，實(shí)際散熱需求與機(jī)械驅(qū)動(dòng)散熱強(qiáng)度不匹配時(shí)會(huì)造成冷卻系統(tǒng)功率的消耗，同時(shí)，機(jī)械式冷卻系統(tǒng)會(huì)帶走大量有效功，影響到發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

科技快速發(fā)展，傳統(tǒng)機(jī)械式驅(qū)動(dòng)逐漸被電子泵、電子風(fēng)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(shí)時(shí)溫度傳遞給車(chē)內(nèi)微機(jī)系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)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(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)化、智能化控制，達(dá)到了車(chē)輛運(yùn)行的最優(yōu)化狀態(tài)。采取電子方式控制的發(fā)動(dòng)機(jī)，以合理控制策略、精準(zhǔn)控制時(shí)間來(lái)降低汽車(chē)油耗，讓汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。

1.2 潤(rùn)滑系統(tǒng)

潤(rùn)滑系統(tǒng)是汽車(chē)整體系統(tǒng)的重要組成部分，潤(rùn)滑系統(tǒng)工作質(zhì)量好壞直接關(guān)乎到汽車(chē)運(yùn)行中的質(zhì)量，保證車(chē)輛發(fā)揮好最優(yōu)性能。很多人眼中，汽車(chē)部件看起來(lái)較為光滑，但微觀(guān)情況下依然存在著一定粗糙度，當(dāng)部件間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)件間會(huì)存在一定摩擦力，而潤(rùn)滑油則是保證部件順利運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)。潤(rùn)滑系統(tǒng)任務(wù)是把足量的潤(rùn)滑油供給到汽車(chē)整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部件，減少零件間因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦，降低零件損耗，保證發(fā)動(dòng)機(jī)等核心部件順利運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。

潤(rùn)滑系統(tǒng)工作時(shí)，汽車(chē)部件運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)潤(rùn)滑油形成油膜，減小摩擦力，降低振動(dòng)影響，避免汽車(chē)運(yùn)行中的潛在問(wèn)題。在降低摩擦力的同時(shí)，潤(rùn)滑系統(tǒng)另外一個(gè)功能就是通過(guò)循環(huán)來(lái)帶走因摩擦而產(chǎn)生的熱量，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷卻后來(lái)延長(zhǎng)使用壽命。

在潤(rùn)滑過(guò)程中，潤(rùn)滑油溫度對(duì)性能有著較高影響，溫度過(guò)高時(shí)黏度有所下降，很難在機(jī)械部件表面形成油膜，經(jīng)過(guò)高溫后會(huì)加速老化，縮短機(jī)油使用壽命。開(kāi)發(fā)管理中要注意潤(rùn)滑油的性質(zhì)及臨界溫度，確保選擇合適品種的潤(rùn)滑油。很多車(chē)型在研發(fā)中會(huì)采取與發(fā)動(dòng)機(jī)缸體換熱或?qū)C(jī)油底殼進(jìn)行冷卻的方式來(lái)保障冷卻系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，提升潤(rùn)滑油使用壽命。

綜合來(lái)看，潤(rùn)滑系統(tǒng)的作用表現(xiàn)在潤(rùn)滑、散熱等方面，系統(tǒng)如果不能正常運(yùn)行必然會(huì)影響到發(fā)動(dòng)機(jī)性能的表現(xiàn)，影響汽車(chē)正常運(yùn)行。

1.3 熱管理的實(shí)驗(yàn)與模擬方法

熱管理實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下依據(jù)國(guó)家或企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)汽車(chē)工況的不同來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)得到制造的樣機(jī)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，為后續(xù)車(chē)輛流程化制造提供數(shù)據(jù)支撐和指導(dǎo)。整車(chē)熱試驗(yàn)一般分為空調(diào)降溫實(shí)驗(yàn)、整車(chē)熱平衡實(shí)驗(yàn)、采暖除霧實(shí)驗(yàn)等，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)做到車(chē)輛整體平衡。

以往汽車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理一般采用實(shí)物實(shí)驗(yàn)方法，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，耗費(fèi)大量人力和物資，數(shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)。近些年來(lái)，計(jì)算機(jī)模擬成為熱管理實(shí)驗(yàn)的主流，軟件數(shù)值模擬在研究方面取得了很大進(jìn)步，為熱管理開(kāi)發(fā)及性能優(yōu)化提供了新途徑。車(chē)輛開(kāi)發(fā)的前期，研發(fā)人員利用模擬軟件STARCCM+來(lái)建立模型、輸入?yún)?shù)來(lái)模擬汽車(chē)外部流場(chǎng)、發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)等情況，計(jì)算得到與真實(shí)數(shù)據(jù)相差不大的數(shù)值，直觀(guān)地避免設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行綜合分析。三維模擬計(jì)算得到的溫度和流動(dòng)場(chǎng)如果得不到數(shù)據(jù)驗(yàn)證和支持很難表明是否正確，結(jié)合不同條件下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)得到真實(shí)情況與數(shù)據(jù)模擬進(jìn)行匹配，為車(chē)輛開(kāi)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(chē)系統(tǒng)的重要組成部分，一般是由散熱器、風(fēng)扇、冷卻水泵等多個(gè)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(chē)商大多采用鋁材質(zhì)作為芯體。從芯體結(jié)構(gòu)形式來(lái)看，散熱器分為管片式、管帶式，兩種形式各有優(yōu)勢(shì)，管帶式成本低，工藝簡(jiǎn)單，但強(qiáng)度不如管片式且冷卻介質(zhì)流阻較大，車(chē)輛散熱器往往采用管片式[2]。

冷卻風(fēng)扇是汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的一個(gè)重要部件，風(fēng)扇正常工作能夠迅速降低發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度，加快氣體流動(dòng)速度，保障空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)風(fēng)扇方式一般分為機(jī)械風(fēng)扇和電子風(fēng)扇，機(jī)械式風(fēng)扇會(huì)消耗發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)部分熱量，但其中有一種液壓驅(qū)動(dòng)式風(fēng)扇能夠避免上述缺陷，以液壓油為工作介質(zhì)實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，具有可靠性高、安裝靈活、對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊小等優(yōu)勢(shì)，但也存在著成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題，在實(shí)際中很少應(yīng)用。目前，使用最多的一種風(fēng)扇是電子驅(qū)動(dòng)式風(fēng)扇，由ECU所控制，理論上根據(jù)散熱需求來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇的無(wú)極控制，國(guó)內(nèi)外研究者研究發(fā)現(xiàn)電子驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇能耗非常小，但價(jià)格要比機(jī)械式驅(qū)動(dòng)貴，整體應(yīng)用范圍和車(chē)型較多。

冷卻水泵為冷卻液流動(dòng)提供動(dòng)力，保證冷卻回路中循環(huán)流動(dòng)。根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式不同分為機(jī)械式和電子式。大多數(shù)車(chē)輛往往采取電子泵，動(dòng)力是由直流電源提供，根據(jù)不同工況由ECU進(jìn)行控制，更好地推動(dòng)水泵轉(zhuǎn)動(dòng)、開(kāi)啟或關(guān)閉。電子泵運(yùn)轉(zhuǎn)根據(jù)不同工況來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和調(diào)節(jié)，有效控制冷卻液流動(dòng)，避免冷卻系統(tǒng)過(guò)冷、過(guò)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(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)工況來(lái)進(jìn)行控制。同時(shí)，電子器件變多趨勢(shì)，很多車(chē)載裝置需要散熱，整個(gè)汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)會(huì)變得越來(lái)越復(fù)雜，控制策略需要更加精準(zhǔn)、精確，確保整個(gè)冷卻系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

3 汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的仿真概括

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真模擬軟件成為了各個(gè)車(chē)企研發(fā)中的重點(diǎn)，需有效降低管理和實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)地分析熱管理系統(tǒng)，縮短整車(chē)設(shè)計(jì)實(shí)踐和費(fèi)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(lái)求解出模擬結(jié)果，再與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和匹配[3]。

在仿真建模中，工程師要結(jié)合冷卻模塊，簡(jiǎn)化真實(shí)冷卻系統(tǒng)，布置出關(guān)鍵部件來(lái)優(yōu)化冷卻方案，滿(mǎn)足熱平衡實(shí)驗(yàn)要求，結(jié)合模型參數(shù)來(lái)輸入運(yùn)算數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)置汽車(chē)工況來(lái)計(jì)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(jì)來(lái)優(yōu)化風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、冷卻液溫度等，讓整個(gè)汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)在優(yōu)化后更好地工作。

4 整車(chē)熱平衡系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)概述

發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理設(shè)計(jì)不僅需要數(shù)值模擬，還要有實(shí)驗(yàn)來(lái)予以驗(yàn)證，以實(shí)驗(yàn)方式真實(shí)反映發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度和流場(chǎng)分布情況，抓住引發(fā)溫度過(guò)熱的關(guān)鍵因素，為發(fā)動(dòng)機(jī)整體布置做出指導(dǎo)。整車(chē)熱平衡實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)出不同工況、不同條件來(lái)觀(guān)察機(jī)油溫度、散熱器出水溫度等關(guān)鍵指標(biāo)，找到整車(chē)熱評(píng)和性能，布置傳感器設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)得到數(shù)據(jù)，驗(yàn)證模擬值是否符合要求。結(jié)合整車(chē)熱平衡實(shí)驗(yàn)來(lái)為關(guān)鍵部件如散熱器、風(fēng)扇等參數(shù)選型提供參考，幫助工程師來(lái)優(yōu)化車(chē)輛設(shè)計(jì)，更好地達(dá)到設(shè)計(jì)要求。