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发动机热管理系统及部件研究进展

2020-07-06 12:03:13·  来源：汽车热管理之家  
　
作者：徐喆轩 张俊红 胡欢 赵永欢单位：天津大学，内燃机燃烧学国家重点实验室【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
作者：徐喆轩 张俊红 胡欢 赵永欢
单位：天津大学，内燃机燃烧学国家重点实验室

【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。
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。
 
图1 空冷型增压中冷和EGR冷却发动机热管理系统示意[2]
 
图2 水冷型中冷和EGR冷却增压发动机热管理系统示意[2]
 
图3 燃料电池发动机热管理系统示意[1]
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影响，获得其最佳冷却液温度，以此作为发动机电控冷却系统的控制依据。将非线性系统线性化控制技术和模糊控制技术应用到发动机电控冷却系统中，通过试验得到模糊控制比非线性控制有更好的冷却效果，变论域模糊控制技术比基本模糊控制技术有更详细的控制动作和更高的控制精度。
3.2 一维模拟
一维计算遵循能量守恒的原则，利用各单元的输入输出参数进行计算，输入量和输出量常采用平均值，从而得到单元增加量或消耗量。
3.2.1 发动机热平衡
不同工况下，发动机燃油燃烧的总能量分配到有效功率及各部分散热损失不同，根据热量的分配情况，可以分析每个零部件的热负荷，进而指导冷却系统的设计，提高发动机的热效率。发动机热平衡方程为[8～9]：
 
式中，Qf为燃油燃烧释放的化学能；Pe为以机械能的形式通过曲轴输出的有效功；Qex为排气带走的热量；Qc为冷却液带走的热量；Qoth为余项损失，主要包含机体表面对流和辐射散热、排气动能、机油中没有被冷却液带走的能量。
 
式中，Hu为燃油热值；Mf为燃油消耗率；Ttq为曲轴输出的转矩；N为发动机转速；Cpc为冷却液的定压比热容；Mc为冷却液质量流量；TcEngOut和TcEngIn分别为发动机出口和进口的冷却液温度；CpEx和CpInt分别为排气和进气的定压比热容；Mex和Mint分别为排气和进气的流量；Tex和Tint分别为排气和进气的热力学温度。
通过能量分布的表达式可以看出，部分关键参数和系数需要通过试验测量的方法获得。除了能量之外，一般还要计算车舱内的冷却空气压降等变化，以保证冷却空气可以顺利的流通各个部件。下面通过具体部件介绍一维的计算方法。
3.2.2 散热器
通常散热器的总换热系数由3部分组成，即内部对流换热、管壁导热、外部（翅片）对流换热系数，计算公式为：
 
式中，hi、ho为管子内、外对流传热系数；Ai、Ao为管内、外传热面积；σ为管壁的厚度；λ为管壁的导热系数。一维计算时以上各值一般通过试验获得。
在散热器设计分析中，传热和摩擦阻力特性都是表征其换热表面性能优劣的重要因子,紧凑式散热器的设计也一直是以在较低的流动阻力下获得更高的传热性能为目标。散热器的空气侧阻力[3]可表示为：
 
式中，Aa为空气侧换热总面积；Ac为散热器的芯部自由流通面积；Kc为突缩（入口处）不可逆变化压力损失系数；Ke为突扩（出口处）引起的不可逆变化压力损失系数；对于车用散热器，Kc和Ke之和在0.70～0.40内对应选取；f为摩擦因子。
 
式中，τ0为单位换热表面积(或摩擦表面积)沿流动方向的当量剪切力。
3.2.3 风扇
风扇的性能是由恒定转速n下其静压力Δps的升高和容积流量Qpump及输入功率P之间的关系来衡量。理论上有如下关系[3]：
 
3.2.4 发动机
发动机缸内能量平衡方程为[9]：
 
式中，mc为气缸内工质的质量；u为比内能；Pc为气缸内压力；V为气缸体积；Qf为燃料燃烧释放的热量；Qw为壁热损失；φ为曲轴转角；hBB为漏气焓；dmBB为漏气质量流。
公式（10）从左到右依次是气缸内工质内能变化，工质对活塞做的功，喷入燃料燃烧释放出的热量，工质与气缸盖、缸套、活塞进行热交换的热量由于漏气而引起的焓流。
发动机的散热量[3]：
 
式中，Q为散热量；α为瞬时传热系数；A为传热表面积；Tc为缸内气体瞬时温度；T为传热表面平均温度；m为发动机进行分区计算的总区数量；i代表发动机各子区域。
一般把发动机分为活塞顶面、气缸套表面和缸盖燃烧室表面。瞬时传热系数是保证散热量计算结果的重要参数，与散热器研究类似，在一维计算中大部分系数需要通过试验测得或通过试验数据的拟合模拟得到进一步的应用。
3.2.5 水泵
由叶片式水力机械欧拉方程推导得水泵的理论扬程：
 
式中，u2为出口圆周速度；D2为叶轮出口外径；b2为叶轮出口宽度；QT为泵的理论流量。
在其它条件相同的情况下，HT随叶片出口安放角β2的增大而升高,说明增大β2可减小叶轮直径、缩小泵体尺寸，从而降低水泵的制造成本。
3.2.6 其它系统
汽车中除了发动机热平衡，还有空调系统和电池电子设备系统的热平衡。布置在发动机散热器前的空调系统冷凝器、电池散热器和中冷散热器及空调系统的蒸发器等部件空气侧的换热压降计算都与发动机散热器的计算方式相似。但这些部件冷却介质侧换热量和压降的计算方式与空气侧区别较大，纳米流体则要考虑颗粒对换热和压降的影响，多相流动要考虑相变发生区域的临界位置和相变区域内气化（液化）潜热。
发动机热平衡研究是从系统集成的角度来统筹分析发动机中的能量转换与流动传热过程，使发动机的各个系统与发动机匹配最优化，在保证动力性、经济性、可靠性的前提下，最大程度地提高发动机的热效率。一维模拟就是依靠各部件的性能参数来设计出具有高热效率的整车热管理系统。而绝大部分一维计算都要以试验为基础来测量关键的系数和物理性质等，因此简要统计了各系统各部件需要确定的物理量，如表1和表2所列。目前已有很多针对整车热管理开发的一维模拟软件，如KULI、FLOWMASTER、AMESIM及GT-COOL，通过定义部件宏观尺寸、位置、功率、换热系数或散热量、流动阻力等一维参数，便可对车舱内所有系统的部件进行匹配和空间布局。
表1 发动机冷却系统参数
 
李靖[10]基于多领域统一建模标准语言Modelica建立汽车空调系统模型库，根据部件特性将其分为功能不同的组件，对整车系统中需要用到的空调系统和冷却系统库模型的相关信息进行了统计。
表2 空调系统参数
 
Titina Banja[11]对不同区域采用不同时间尺度的一维模拟方式研究整车热管理中各元件的动力学过程和相互联系元件的动力学响应。主要侧重于冷却系统和润滑系统的研究，并分析通过引用电子水泵对冷却系统的影响，得出电子水泵对燃料的影响十分微弱，但可以明显提高涡轮的出口温度和加快催化剂的升温。
Hyungmook Kang等[12]利用AMESIM软件建立了包含摩擦在内的气缸内的热交换、系统冷却循环和润滑循环的计算模型，进行发动机一维热管理模拟。通过模型分析燃料燃烧化学能转变为内能和部件间的能量传递这两种方式产生发动机的能量变化。
3.3 三维模拟
车舱内空气侧的三维模拟一般采用湍流模型进行CFD模拟，需要对部件几何模型进行不同的边界条件或流动区域的定义。散热器、中冷器和冷凝器是属于带有阻尼的通气边界，采取多孔介质模型进行模拟。多孔介质模型是一种等效的方式，避免了由于翅片尺寸相对于管和散热器本身过小带来的网格量过大的问题。采用多孔介质模型时，需要定义一些参数（如流动阻力系数、多孔性及源项等），这些参数几乎都需要通过试验的方式获得。风扇部分通常采用多重参考系模型（MRF）的方法进行模拟，MRF方法是对风扇及周围的流场域定义空间旋转效果，以达到风扇对气流产生的旋转及引导作用。发动机和其它部件作为车舱内热源，对应壁面类边界条件[13]。
罗建曦[14]采用RNGk-ε湍流模型对散热器和风扇外空气侧流场进行模拟，分析空气流动特性对车辆热管理系统的影响。通过三维模拟分析燃料电池客车热管理系统空气侧的流动与传热特性，并对传热结构进行改进。钱妍[15]利用多孔介质模型、MRF模型等对发动机舱进行三维模拟，并对一些流场流动进行改进，如在冷凝器和散热器前有大量的回流现象则可加入导流板和密封板，控制流动路径。
Ilhan Bayraktar[16]对动力冷却系统和空调系统在多种运行条件下进行模拟，并进行试验验证模拟的准确性，同时对空调系统进行优化。其中对于散热器、增压空冷器、油冷器的布置进行一维仿真，对比不同布置位置下散热器、增压空冷器、油冷器的运行温度，得出设计方案并进行三维模拟，通过三维模拟更加深入的对冷凝器、散热器、增压空冷器、油冷器和风扇流场温度场进行分析。Ken等[17]通过三维计算研究了在自由流动的条件下环境温度、湍流强度和尺度、尾部气流流动、阻塞比、横风对车辆冷却和热保护的影响,计算结果可用于指导试验和设计。Nobel和Jain[18]对一重型卡车CAD模型运用CFD软件进行了发动机舱热管理仿真，与试验数据进行对比验证模拟结果。
一维仿真偏重于系统层面的相互影响和相互工作承接关系间的联系，优势在于性能分析和关联性研究，而三维模拟更注重空间元素的呈现，展现空间物理场的分布，使得设计过程可以从空间位置等细节展开。
4 发动机冷却系统零部件研究进展
4.1 散热器
散热器的研究主要包括散热器的结构和冷却介质两部分。车用散热器通常采用翅片式空气-水的冷却方式，车用散热器外翅片的结构形式有平直翅片、波纹翅片、银齿翅片、百叶窗翅片等。
肖宝兰[19]分别釆用多孔介质模型和直接物理模型方法对两种车用典型换热器整体(空-空中冷器和机油冷却器)热力性能进行仿真研究。分析改变热交换器的冷热侧出入口位置、冷热流道内翅片的排列形式等条件对散热器性能的影响,并研究采用不同的冷却液（蒸馏水、基液PG90和纳米流体）时换热器热力性能。
黄晖[20]通过试验对管带式散热器的散热性能进行了研究，得到散热带波距、双波带结构、冷却水管的布置和数量等均对散热性能有重要影响。得出减小散热带波距,有利于提高散热能力；采用双波带可以强化传热,改善散热性能；冷却水管的布置对散热能力有很大影响,在其它结构参数相同的情况下,冷却水管数量增加有利于提高散热能力,但风阻也大幅增大；冷却水管排数大于3时,散热量并没有随散热总面积的增大而大幅增加，风阻增加也不明显。
彭小飞[21]研制了300余种纳米流体的配方,对其悬浮稳定性、导热系数、比热容、黏度等重要特性参数分别做了试验研究,并分析推导了相应的预测模型。在众多配方中筛选了具有高沸点、高导热系数的有机型纳米流体,与普通防冻液的散热量相比,采用体积份额大于5.0%的纳米流体就能满足散热器的散热需求,证实了采用纳米流体可实现车用散热器高温小温差冷却的可行性。
董军启[22]通过风洞试验台对平直翅片、波纹翅片、锯齿翅片、百叶窗翅片和新型开窗翅片5种散热器进行传热和阻力性能试验，得到5种车用换热器外翅片进行传热和阻力性能的关联式，对5种翅片进行参数化研究，分析各翅片的控制因子对其整体性能的影响，及各控制因子不同水平因子对其综合强化传热性能的变化趋势。利用CFD技术对波纹翅片的传热和阻力性能进行分析与计算。在验证数值计算的可靠性基础上，分别计算了在相同工况条件下具有不同翅片波幅和不同结构形状的波纹翅片的传热和阻力性能。
4.2 发动机水套
发动机水套内液体流动十分复杂，其原因一方面是水套的结构复杂，但主要是发动机工作循环中缸壁温度过高，水套内液体发生相变，产生多相流动，使流动换热复杂化。发动机水套一般发生的是过冷沸腾，过冷沸腾换热有助于提高发动机水套的换热能力。
早期对发动机水套流动换热的三维模拟主要采用湍流模型。崔艳伟[23]利用Pro/E软件对某16缸V型柴油机的冷却水套进行三维建模。通过GT-COOL软件进行一维仿真，初步获得各个管路和机体的流量、温度和压力等数据，并作为边界条件,通过ANSYS CFX软件对冷却效果最差的第8缸进行冷却水三维仿真，得到该缸冷却水的内部流场、温度场和压力场，实现一维和三维仿真的耦合。范璘[24]利用Fluent软件模拟发动机在不同工况下的冷却液流动情况，分析不同机油散热器阻力下的流量与压降，及不同火力面温度和不同机油散热器换热量等条件下各缸缸盖出水温度不均匀性的影响规律。
在发动机水套的试验研究方面，Robinson等人[25]通过制作的一个冷却水道设备模仿内燃机冷却液的沸腾试验，不仅对缸盖冷却水套内部出现泡核沸腾现象进行检验，并且得到了沸腾现象发生时壁面过热度和热流量两者的变化规律，并以此提出精确冷却技术的概念。Kulkarni P等人[26]对柴油机中水套冷却介质进行研究，通过研究不同浓度的氧化铝纳米流体比热，发现其随着浓度和温度上升而减少，以此特性采用纳米流体提升废热回收。Nikhil等人[27]认为过冷沸腾状况下的气泡生长与冷凝会导致冷却通道内的瞬态压力波动，并提出了基于压力波动的频谱分析法来判断冷却水腔内的沸腾起始点与沸腾强度，并进行了V8发动机气缸盖可视化冷却通道内的沸腾试验，得出当加热壁面达到沸腾起始点时会导致冷却水腔内压力波动幅度的急剧增大，而且随着壁面换热量的增大，其压力波动幅度也随之增大。
发动机水套多相流模拟更能准确的模拟出流体的运动和换热，在多相流仿真深入研究的背景下，发动机水套的沸腾换热研究也很多。Aras[28]采用两相的混合模型对柴油机冷却水套进行三维模拟，研究水套中的核态沸腾现象，并得到压力、温度、体积分数的分布。黄荣华等[29]采用欧拉多相流模型对单缸发动机缸盖进行模拟，并与单向流传热进行对比，表明欧拉模型更真实准确地反映出沸腾换热现象。
4.3 风扇
风扇的驱动类型主要有机械驱动和电力驱动，前者依靠发动机曲轴传输动力，后者由电机驱动。常见的机械驱动的风扇有靠硅油离合器或电磁离合器连接的离合器式风扇和液压驱动风扇，这两种风扇的安装位置受限制，液压驱动风扇可控性能更好。电子风扇实现智能控制效果最好，而且可灵活布置，有利于对发动机冷却系统实施精确冷却，但对于整车而言电子风扇增加了热源与电池组的负荷，提高了热管理的难度。
冷却风扇结构参数主要有风扇翼型、翼型最大厚度、风扇直径、轮毂比、叶片弦长、安装角、叶片数、旋转角、径向间隙、轴向间隙等[30]，研究设计风扇的性能主要通过设计和比较不同参数下风扇性能的变化。
Mahmoud Khale等人[31]通过试验对车舱内冷却系统进行研究，在简化车辆前部部件的基础上通过粒子图像测速法（PIV）和激光多普勒测速仪（LDV）等技术测量减速和热车阶段车舱内的流场和温度，再结合模拟分析风扇转速、散热器流量、车舱空间结构等运行条件对冷却系统的影响，以此来通过水泵和压水机等智能控制手段来减少汽车燃料消耗。
宫春梅[32]通过调整叶型曲线曲率的分布来改变入流角大小，得出较适宜的叶片截面线形式，提出用椭圆线来替换原风扇叶型曲线。通过模拟对改型设计后的新风扇的内部流场进行分析，得出叶片表面的静压提高1 320 Pa和回流减少，气流能量的损失减少。
4.4 水泵
常用汽车水泵是离心式水泵，主要由法兰、轴承、泵体、水封、叶轮、密封圈组成。水泵的设计包含流体研究和固体研究，且两个领域紧密结合，如流动不稳定性产生的压力脉动会造成实际运行状态时的噪声、振动，甚至叶片的疲劳断裂或零部件失效[33]。流体研究一般侧重于水泵的水力性能，主要通过结构设计减少损失（机械损失、容积损失、水力损失）。固体方面的研究主要是动力学研究，包括水泵各部分的载荷研究、模态研究、振动噪声研究和疲劳研究。还有一部分研究需要流体与固体研究相结合，如由流场引起的水泵汽蚀，汽蚀影响水泵疲劳寿命及振动噪声。
薛党勤[33]对叶顶间隙进行模拟研究，得出叶顶间隙对离心泵扬程效率具有较大的影响，且在一定范围内变得较为明显，对同一叶顶间隙下，等值线的偏移随着流量增大而增大；而对不同叶顶间隙，等值线的偏移随着叶顶间隙尺寸的增大而增大，说明叶顶间隙的潜流损失随着流量增大和间隙尺寸增大而增大。
李正美[34]建立了基于柔性动压条件的汽车水泵轴承内部载荷分布和变形分析计算模型，分析比较了在刚性、柔性和柔性动压3种计算条件下水泵轴承的载荷分布和位移，以及轴承转速和载荷大小对水泵轴承内部载荷分布的影响规律。并改进寿命系统算法，在考虑润滑、水泵轴承转轴挠曲变形、润滑剂流体动压效应以及转子系统振动等因素的情况下，预测水泵轴承的疲劳寿命。
5 总结与展望
试验研究、一维和三维模拟都是发动机或整车热管理研究的有效手段。其中一维模拟侧重于研究部件间的相互联系和各系统的初步设计，三维模拟一般应用在研究车舱内空气侧的流动和换热，以设计车舱内部件的空间布置和流场优化。模拟研究中的很多参数及边界条件都需要通过试验获得，以一维模拟最为突出，试验研究是整车热管理研究的最主要手段。部件的选型与匹配，系统性能和智能控制的建立都需要通过试验研究来测试部件和系统的性能。
发动机冷却系统和整车热管理的研究能更好的发挥各部件和各系统的最佳性能，但系统整体性能的上限依赖于各部件的研究与设计，一些部件结构十分复杂且涉及到很多领域，一般都没有形成统一、成熟的开发流程，整车制造商并不能达到对每一个部件都进行自主开发设计的能力，这使得整车的设计很大程度上依赖于部件生产商的设计开发。而跨领域研究的阻碍一定程度上限制了整车热管理和发动机冷却系统研究的发展。因此，发动机或整车热管理需要在解决系统本身设计问题的基础上，更加深入的涉及到各部件的设计原则，从而进一步发掘系统的性能。
 
 
 
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