汽車熱管理系統淺析

漆杰，童元，趙少鋒，王文

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽車熱管理系統淺析

漆杰，童元，趙少鋒，王文

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章從系統集成和整體角度，簡述了汽車熱管理系統的概念，以及具體熱管理模塊：整車熱管理和發動機熱管理的區別，包括工作對象、目的、意義，明確了熱管理系統與熱管理對象和整車的關系。此外，計算機技術以及發動機電控技術為手段的控制智能化，合理考慮性價比，是熱管理技術的重要發展方向。

整車熱管理；發動機熱管理；系統集成；控制智能化

CLC NO.: U461.99 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-113-04

前言

汽車熱管理技術是現代汽車開發的重要技術之一，其目的有:提高燃料經濟性、降低排放、挖掘功率輸出、降低氣動阻力損失和車輛維護費用，提高可靠性以及車輛對環境的影響，和保證關鍵部件運行安全和汽車行駛安全。

從系統集成和整體角度，統籌熱管理系統與熱管理對象和整車的關系，采用綜合控制和系統管理的方法，將發動機及各個部件的冷卻系統、預熱與保溫系統、潤滑系統以及空調系統等綜合集成為一個有效的熱管理系統[1]。保證關鍵部件、系統的安全高效運行，控制和優化熱量傳遞過程，降低廢熱排放，提高能源利用效率，并減少環境污染，并在此基礎上減小熱管理系統的尺寸和功率消耗[2]。

1 熱管理系統簡述

汽車熱管理系統根據單位的組織結構和研究的對象，一般分為整車熱管理系統和發動機熱管理系統兩類。

發動機熱管理系統，該系統圍繞著發動機展開，工作重點是保證發動機正常有效運轉，同時盡量減小該系統運行所消耗的功率，達到發動機熱效率最大化。主要工作對象的有冷卻系統、潤滑系統、進排氣系統。

整車熱管理系統，以整車的流場為研究對象。主要研究發動機艙的熱流場和的駕駛室（車廂）的人員環境的舒適性。發動機艙熱流場的重點工作是非金屬零部件、線束和油液，主要涉及這些內容的熱老化及可靠性。圍繞車廂展開工作重點是提高駕駛室的舒適度，具體的工作對象是制冷系統和暖風系統，統稱為空調系統[3]。

1.1 發動機熱管理系統

發動機熱管理系統是將發動機中所有涉及到傳熱的系統當作一個大的綜合系統進行考慮，以期望能得到發動機各個熱流系統的精確邊界參數。在發動機熱管理系統中不但要考慮發動機上存在眾多的熱流系統，如冷卻系統、潤滑系統、進排氣系統，而且其它一些汽車熱流系統如空調系統、水暖系統等，因為和發動機的熱流緊密相關也必須進行考慮。

為了發動機正常有效的工作，所有這些流動系統中的流體溫度都有特定的要求。這些系統對于環境空氣來說都是熱源，因此環境空氣的流動狀況將決定它們的傳熱效果。

除了環境溫度的影響之外，各個熱流系統相互之間也有直接或間接的傳熱關系，將所有熱流系統作為一個大系統進行綜合考慮[4]。

恰當的熱管理系統可以改善發動機的運行環境，提高發動機的使用壽命，降低發動機的燃油消耗，改善發動機排放。

1.1.1 冷卻系統

冷卻系統與上述的每個系統幾乎都有關系，它是整個熱管理系統的核心部分。冷卻系統(圖1)一般由發動機冷卻水套、節溫器、散熱器、風扇、水泵以及水管組成，冷卻液從發動機吸收熱量然后通過散熱器將熱量傳到大氣中。

圖1 發動機冷卻系統

冷卻液從發動機中吸熱量過大將會造成發動機有效功率降低，從而增大單位功率的燃油消耗率。另外，冷卻液從發動機中吸熱量過大會造成燃燒室的壁面溫度過低，這對發動機的燃燒也是極為不利的，對汽油機來說，燃燒室壁溫太低不利于著火，會造成排放中CO和CH含量增高，對柴油機來說則會引起工作粗暴[5]。

冷卻液從發動機中吸熱量過小也同樣存在問題。因為發動機燃燒室的金屬材料都有一個溫度的承受范圍，特別是對于運動副來說，過高的溫度（對于鑄鐵來說，溫度大概在400℃～500℃，對于鑄鋁合金來說大約300℃～400℃）會降低金屬的強度，從而導致運動副拉傷，甚至損壞。

冷卻液在冷卻系統中的溫差也不宜過大，以免在冷卻液溫度偏高時冷卻腔的某些部位發生過渡沸騰，甚至膜態沸騰，從而造成發動機散熱率降低而引發過熱。

因此根據發動機的運行情況適當的調節冷卻液的溫度是很有必要的，在發動機中水泵的轉速和發動機的轉速成正比關系，難以改變。水溫的調節主要是通過節溫器和散熱器來調節的。

節溫器通過水流的溫度自動調節大、小循環的分水量。散熱器主要是通過控制流過散熱器的空氣流速來決定散熱器的散熱量，空氣流速的調節是通過散熱器風扇來實現的。

另外，在發動機中常常需要用一部分分流來實現某一部分的特殊冷卻或加熱需要。

1.1.2 潤滑系統

潤滑系統（圖2）的作用是為各運動部件提供潤滑油并為某些冷卻液難以到達的地方提供冷卻。潤滑油通過機油泵從油底殼中吸油，并將它送到各個旋轉部件摩擦處，機油從軸承端部流出并最終流回油底殼中。

圖2 發動機潤滑系統

造成機油的溫度升高的原因有兩個：

一個是發動機燃燒放出的熱量有一部分傳給了機油，該部分傳熱發生的主要區域是缸套下端、活塞底部和裙部；

另一個是各個摩擦副的摩擦生熱大部分傳給了機油。 該部分發生的主要區域是發動機各軸系。機油的放熱熱源也有兩部分，冷卻液和環境空氣。 在汽車上除了發動機中的潤滑系統外，自動變速器也會有自己獨立的潤滑系統。

缸壁和活塞環之間有潤滑油，為了保證潤滑油的潤滑效果，這一部分的氣缸壁溫度一般要求小于180 ℃ 。這些溫度值都需要通過冷卻液冷卻來保持。

1.1.3 進排氣系統

在熱管理中主要關注的進排氣系統（圖3）部件是：空濾、渦輪增壓器、中冷器、進氣管、排氣管。

適當的進氣溫度對發動機組織燃燒以及發動機的排放都是有利的，進入空氣濾清器的大氣首先來自熱交換器附近環境中，如果發動機有渦輪增壓裝置，那么從增壓器中出來的空氣要在中冷器中進行水冷或風冷。冷卻效果與冷卻液流量、溫度或環境空氣有關。

圖3 增壓發動機進氣系統

另外，如果有EGR設備，從排氣管出來的廢氣一般要經過中冷裝置再返回缸內。空氣通過進氣管進入氣缸內，在氣缸內推動活塞做功以后通過排氣管和三元催化器排到大氣中。進氣管、排氣管和三元催化器都會與環境空氣進行換熱。

1.2 車廂熱管理系統

為了保證汽車車廂的舒適度，汽車上裝有空調、水暖系統。它們是各自獨立的兩套系統，但在車廂內部共用一套鼓風裝置。

空調系統（圖4）在車外的部分主要由壓縮泵、冷凝器和一些管道組成。冷凝器一般裝在汽車的最前端，它會加熱流經自己的空氣，從而影響了散熱器冷卻空氣的入口溫度。

對于水暖系統來說，如果水暖系統開啟，將會有一部分冷卻液從發動機冷卻液出口端通過車廂內的暖風系統直接流到發動機冷卻液進口端而不經過散熱器。這部分冷卻液將熱量帶到車廂內，這也改變了冷卻液的散熱途徑從而對冷卻系統產生響。

汽車空調系統根據壓縮機的帶動形式分為獨立式和非獨立式兩種。一般轎車壓縮機由汽車發動機通過皮帶帶動，是非獨立式空調。壓縮機的轉速和發動機的轉速成比例，是不可調的。冷凝器的風速由汽車速度和風扇轉速決定，而風扇轉速主要是保證散熱器的溫度，所以對空調來說，冷凝器的風速在某一工況下是確定的。空調的制冷量主要通過膨脹閥調節和車廂內風量調節來實現的。

圖4 空調系統

1.3 發動機艙熱管理系統

發動機的各個散熱部件都要向環境放熱，放熱的主要區域為發動機艙。放熱效率和環境溫度以及氣流速度緊密相關。

而對于各個部件來說它們周圍的環境各不相同。這種不相同有兩方面原因造成，一種是為了加強某一個部件的換熱率而人為的引入一些設備從而改變了氣流量，如為了加強散熱器散熱而安裝風扇。

另外則是由于汽車結構本身原因造成周圍氣流的改變，比如因為汽車車廂和發動機艙中間隔熱板的存在從而造成汽車車廂前底部的空氣流速比較大。同時，發動機艙部件分布在各個地方，它們周圍的氣流情況各不相同，工作的溫度也各不相同。為了保證汽車生命周期內，非金屬部件、油液的壽命和可靠性，在各種極限、惡劣工況時的工作溫度必須要經過驗證確認。

2 熱管理系統與整車集成研究的重要性

熱管理系統的部件性能，以及未與整車集成的孤立熱管理系統性能，僅代表部件及系統的潛在工作能力，并不反映汽車熱管理系統的實際工作性能。集成于整車系統之中的熱管理系統，其實際工作性能，決定于汽車總布置設計、系統集成方式、汽車行駛工況以及氣候條件等對熱管理系統流動和傳熱過程的影響。

例如，散熱器是否迎風的熱管理系統與整車集成布置，對熱管理系統性能便具有非常大的影響；存在熱風回流的熱管理系統與整車的集成，將大大降低熱管理系統的性能。

熱管理系統與整車集成所決定的熱管理系統空氣側流場、溫度場和風道特性等,為汽車熱管理系統工作的車用熱環境，是熱管理系統性能的決定性因素之一。

3 發展趨勢

隨著計算機技術及發動機電控技術的發展。采用電子驅動及控制的冷卻水泵、風扇、節溫器等部件。可以通過傳感器和計算機芯片根據實際的發動機溫度控制運行，提供最佳的冷卻介質流量，實現熱管理 系統控制智能化，降低了能耗，提高了效率[6][7]。

智能化熱管理系統研發的關鍵技術是熱管理系統與發動機運行的匹配技術以及系統優化控制策略的選擇問題。系統仿真分析表明，熱管理系統效率很大程度上依賴于系統優化控制策略，控制對象包括水泵轉速、電控節溫器閥門開度以及冷卻風扇轉速等[8]。可以根據汽車發動機實際工作和試驗情況，依據系統優化原則來制定智能化電控熱管理系統控制策略。使發動機在不同工況下均工作在最佳溫度范圍，縮短暖機和駕駛艙升溫時間。提高發動機后冷卻和駕駛室加熱能力。

隨著汽車業的迅猛發展以及用戶對汽車品質的提高，汽車熱管理技術不再停留對性能的改進提升，更加關注對研發成本的影響。高性能、低成本已經成為汽車業新時代發展的代名詞，因此對性價比的追求也是重要的組成部分[9][10]。

4 結束語

熱管理技術是現代汽車發展的重要技術之一，本文從系統集成和整體角度，統籌熱管理系統與熱管理對象和整車的關系等方面，簡述了汽車熱管理系統的概念，以及具體熱管理模塊：整車熱管理和發動機熱管理的區別。另外，智能化是熱管理技術的的關鍵技術和發展趨勢，而系統的性價比也是不能忽略的。

[1] 于東輝,向昊.汽車熱管理系統基礎問題分析[J].設計研究.2013年第2期,56-56,71.

[2] 王賢海,杜傳進等.汽車熱管理研究現狀及新進展[J].拖拉機與農用運輸車,2005年第5期,8-10,21.

[3] 郝毓林.汽車熱管理系統研究現狀[J].內燃機與配件.2014年第9期,23-26.

[4] 于瑩瀟,袁兆成等.現代汽車熱管理系統研究進展[J].汽車技術,2009年第8期.1-7.

[5] 薛海亮,劉瑞軍.發動機冷卻系統的改進[J].農業裝備與車輛工程.2016年第4期.59-62.

[6] 張數平.汽車發動機冷卻的控制技術研究[J].工程技術.2016年第2期.200-202.

[7] 朱游兵.汽車發動機冷卻的控制技術研究[J].科技創新與應用.2015年第4期,81-81.

[8] 李波,阮仁宇,等.整車熱管理技術及應用分析[J].汽車實用技術.2016年第12期,202-204.

[9] 胡杰.某N1類車型熱管理仿真分析[J].汽車實用技術.2016年第8期.61-68.

[10] 齊凱,鄭鑫,等.發動機艙熱管理性能改進與成本最低化研究[J].汽車實用技術,2016年第5期,151-153.

Study on the design and verification of a fuel supply system

Qi Jie, Tong Yuan, Zhao Shaofeng, Wang Wen
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

From the system integration and overall perspective, this paper introduces the concept of automotive thermal management system, and specific heat management module: the difference between vehicle thermal management and engine thermal management, including the working object, purpose and significance, clarifies the relationship between thermal management system and thermal management object and complete vehicle. In addition, computer technology and engine electronic control technology for the control of intelligence, reasonable consideration of price and performance, is an important development direction of thermal management technology.

Vehicle Thermal Management System; Engine Thermal Management System; System Integration;Intelligent control

U461.99 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)19-113-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.038

漆杰(1984- ) 男，工學學士，工程師，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。主要從事：乘用車冷卻系統設計開發。