整車熱管理技術及應用分析

李波，阮仁宇，王錦艷，郜昊強，劉芯娟

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

整車熱管理技術及應用分析

李波，阮仁宇，王錦艷，郜昊強，劉芯娟

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

國外的熱管理技術主要從系統的角度解決傳統燃油車的熱量分配問題，國內熱管理技術仍在單個部件上進行研究。目前行業內有很多新興的熱管理技術，文章重點介紹發動機分流冷卻技術、智能冷卻格柵、余熱回收技術，以奔馳C220和宇通第二代熱管理技術為例，較為詳細的介紹熱管理先進技術的應用情況。

熱管理技術；智能冷卻格柵；余熱回收技術

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

整車熱管理系統是從熱量角度出發統籌發動機與整車間的關系，采用綜合手段控制熱量傳遞，根據工況和環境條件，自動調節冷卻強度以保證被冷卻對象在最佳溫度范圍內工作，進而優化整車的節能效果，改善汽車運行安全性和駕駛舒適性[3]。

熱管理系統由各個部件和傳熱流體組成，部件包括：換熱器、風扇、冷卻液泵、壓縮機、節溫器、傳感器、執行器和各種管道及套管；傳熱流體包括：冷卻液、機油、潤滑油、廢氣、燃料、制冷劑等。上述部件和流體必須協調工作以滿足車輛散熱和溫度控制要求。

1、熱管理技術國內外發展現狀

1.1 國外熱管理技術發展現狀

國外熱管理技術研究開展較早，在多領域都取得大量技術成果，比較具有代表性的為機艙熱管理技術、發動機精準冷卻系統、發動機分體式冷卻系統等。

英國Bath大學的K. Robinson等學者倡導精確冷卻技術以加速暖機、減少熱應力、改善爆震、減少冷卻液散熱量，同時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]。

福特公司重點研究分體式發動機冷卻結構，即缸蓋和機體采用單獨冷卻回路，分路之間通過節溫器調節流量比例，從而實現缸蓋與缸體的差異化冷卻需求，目的是來獲得發動機更好的燃油經濟性。

VALEO公司開發新型冷卻系統，該系統的高溫回路包含冷卻液散熱器、機油換熱器、EGR 冷卻器、燃油換熱器和暖通換熱器；低溫回路含空調冷凝器、中冷器和燃油冷卻器。高低溫回路有單獨水泵調節流量。試驗測試表明，發動機油耗在NEDC測試循環中平均油耗降低 6%，前端模塊的體積減小了40%。

1.2 國內熱管理技術發展現狀

國內熱管理技術研究起步較晚，對熱管理技術的研究范圍僅限于各子系統的范疇內，系統研究還有待進一步突破。

清華大學張揚軍教授建立汽車熱管理系統研究平臺，通過模擬熱管理部件熱特性、熱管理系統流動與傳熱特性及汽車熱環境，對熱管理系統進行系統級的實驗研究。

浙江大學俞小莉教授建立系統換熱性能平臺，在試驗測量領域研究成果顯著[2]。

濰柴動力股份有限公司結合發動機熱管理，進行發動機熱管理仿真及車輛匹配可行性研究。

上汽集團、一汽集團等利用一維軟件針對發動機冷卻系統進行設計和開發。

2、傳統熱管理系統的關鍵技術問題

傳統熱管理系統內部各部件耗功嚴重，風扇功率消耗達到發動機總功率輸出的10%；蠟式節溫器控制響應慢，不能對冷卻液流量進行精確控制。

傳統冷卻系統只能有限調節發動機和整車熱分布狀態，不能精確控制循環冷卻液量和冷卻空氣流量，無法使發動機各部件工作在最佳溫度。

傳統車輛熱管理技術需要解決如下關鍵技術問題：

1）受熱結構及其材料熱力性能研究

2）冷卻介質熱力性能與流動性能研究

3）冷卻回路流動傳熱過程研究

4）發動機各系統熱狀態表征及變化規律研究

5）高效熱交換器設計理論研究

6）高效水泵、風扇設計

7）廢熱梯級利用技術

8）發動機熱管理智能控制技術

3、先進熱管理技術

電控化、智能冷卻元件主要包括冷卻風扇智能控制技術，電控節溫器，電控水泵，電控機油泵，智能溫控進氣格柵等技術。目前電控水泵、機油泵的技術應用比較普遍，因此本文將重點介紹智能風扇控制技術及智能溫控進氣格柵技術。

3.1 電控風扇

電控風扇一般由電動機或液壓泵馬達直接驅動，采用智能控制模式，根據溫度傳感器采集溫度信號(如水溫和進氣溫度)自動調整風扇的轉速，使發動機工作在最佳溫度，在滿足整機散熱需求的前提下有效降低風扇的功率消耗和噪聲，最終達到節能降噪的目的[1]。

圖1 電控風扇

3.2 智能溫控進氣格柵

智能溫控進氣格柵由水溫傳感器、控制單元和電動格柵三部分組成。水溫傳感器獲取發動機溫度信號，控制單元根據溫度信號控制電動格柵的進氣角度。

智能溫控進氣格柵有單級、多級和無級三種控制精度。發動機低溫時，進氣格柵處于關閉狀態，可以大大降低汽車的風阻系數，同時可以縮短發動機的升溫時間、降低油耗、減少發動機低溫磨損、提高汽車動力性能；當發動機升溫后，進氣格柵通過溫度感應信號調整進氣角度，精確滿足發動機進氣冷卻需要。

圖2 智能溫控進氣格柵工作原理示意圖

3.3 發動機分流冷卻技術

發動機分流冷卻技術是指氣缸蓋和氣缸體通過不同的冷卻回路進行冷卻，獨立的冷卻水泵能夠調節冷卻回路的流量比例。

分流式冷卻系統可以使發動機各部分在最優的溫度點工作，達到較高的冷卻效率，可以有效改善排放及降低摩擦損失[3]。

3.4 余熱回收技術

內燃機的余熱能利用具有較大節能潛力，冷卻系統中的廢熱可用于駕駛室的供暖，達到廢熱回收的目的；通過壓電技術、溫差發電技術、朗肯底循環等技術，設計排氣熱回收裝置，可以實現對排氣中能量的收集利用。

圖3 內燃機余熱回收示意圖

目前余熱回收技術中發展較好的為有機朗肯循環和熱電轉化的方式。有機朗肯循環，有機工質在換熱器中從內燃機余熱流（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，實現余熱能到機械能及電能的轉換[4]。

有機朗肯循環中的工質不適應高溫廢氣的余熱回收，溫差發電技術可以使用熱電材料在高溫排氣下工作。溫差發電技術與有機朗肯循環技術相結合，可以實現較好的余熱回收效果。

4、先進熱管理系統應用實例

4.1 奔馳C220CDI 冷卻系統

奔馳C220CDI發動機冷卻系統采用多回路冷卻技術，一條回路是發動機水套主循環，另一條回路是中冷、EGR冷卻等。這種設計可以減輕水套主循環散熱負荷，滿足其他回路散熱需要。

試驗證明，該車冷卻系統與其他同車型傳統冷卻系統相比，可節省燃油消耗約6%，有效減少污染物排放，同時還能節省布置空間。

4.2 宇通第二代熱管理系統

圖4 宇通第二代熱管理系統示意圖

宇通第二代熱管理系統采用電子風扇取代傳統風扇，ECU控制風扇的轉速和啟停。ECU通過脈沖寬度調制技術，實現風扇無級變速，使發動機水溫恒定在最佳工作溫度；電子風扇取消機械顫動部分，減少發動機能耗。

此外該系統還采用一體化結構，將散熱器和中冷器并排布置，減小冷卻模塊體積，優化發動機艙布置。

宇通第二代熱管理系統在宇通的客車上完成應用，較普通發動機燃油消耗可減少8%-13%。

5、小結

對于傳統燃油車而言，熱管理技術是改善整車燃油經濟性、降低油耗的有效手段，目前熱管理技術向電控化、智能化方向邁進，以宇通為代表的熱管理技術已經充分體現出實際效益。

現有的熱管理技術很多，企業應該結合自己的實際情況，梳理熱管理技術的發展方向。

[1] 張鐵柱,張洪信.內燃機冷卻風扇溫度控制液壓驅動系統技術研究[J].內燃機學報,2002(3):273:277.

[2] 梁樂華,高懿,顧寧.應用熱管理平臺分析汽車冷卻系統的參數和靈敏度[J].汽車科技,2008(2):45:48.

[3] 盧廣峰,郭新民,孫運柱.汽車發動機冷卻系統的發展與現狀[J].農機化研究,2002(2):129:131.

[4] 楊小強,蔡立艮,趙立強.熱管理技術在工程車輛中的應用研究[J].中國工程機械學報,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。