車(chē)用柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)研究進(jìn)展與展望

楊春浩，劉瑞林，，張眾杰，焦宇飛，陸辰起

(1.海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430033； 2.陸軍軍事交通學(xué)院 軍用車(chē)輛系，天津 300161)

柴油機(jī)以其低油耗、高熱效率的特點(diǎn)，在動(dòng)力工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其工作實(shí)質(zhì)上是一個(gè)能量轉(zhuǎn)化、熱量傳遞的過(guò)程。隨著柴油機(jī)強(qiáng)化程度提高，功率密度的增大，排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，其熱效率的提升需求對(duì)柴油機(jī)熱管理技術(shù)提出了更高要求[1]。柴油機(jī)熱管理技術(shù)旨在從流動(dòng)傳熱特性入手，通過(guò)控制冷卻系統(tǒng)參數(shù)以?xún)?yōu)化熱平衡性能，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)熱效率的提升、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的改善以及污染物排放的控制[2]。所以要實(shí)現(xiàn)熱管理技術(shù)的提升，對(duì)柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)多參數(shù)多目標(biāo)協(xié)同控制研究是重中之重。同時(shí)，柴油機(jī)作為我軍機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)裝備的支點(diǎn)，其冷卻系統(tǒng)性能很大程度上決定了車(chē)輛裝備在各種作戰(zhàn)環(huán)境條件下的使用性能、支援能力和保障能力。

從冷卻系統(tǒng)的工作過(guò)程及機(jī)理到冷卻系統(tǒng)控制，最后進(jìn)行冷卻系統(tǒng)評(píng)價(jià)這一工作流程出發(fā)，目前，針對(duì)冷卻系統(tǒng)流動(dòng)與傳熱特性，主要進(jìn)行了冷卻系統(tǒng)流動(dòng)與傳熱基礎(chǔ)理論研究、冷卻系統(tǒng)多參數(shù)多目標(biāo)協(xié)同控制理論研究以及冷卻系統(tǒng)評(píng)價(jià)理論研究。

1 冷卻系統(tǒng)流動(dòng)與傳熱基礎(chǔ)理論研究

1.1 冷卻系統(tǒng)流動(dòng)傳熱特性對(duì)受熱部件熱負(fù)荷影響

柴油機(jī)燃料燃燒后熱量以導(dǎo)熱、對(duì)流傳熱以及輻射傳熱的方式在受熱部件及周?chē)h(huán)境間傳遞，柴油機(jī)不同部件傳熱情況如表1所示。

表1 柴油機(jī)不同部件傳熱情況

因柴油機(jī)氣缸為嚴(yán)格密閉系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究不易準(zhǔn)確了解燃燒室內(nèi)流動(dòng)傳熱情況，數(shù)值仿真研究是目前主流研究手段，基于此，各專(zhuān)家學(xué)者首先對(duì)燃燒室內(nèi)傳熱數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究。目前，缸內(nèi)傳熱數(shù)學(xué)模型的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)歷程，主要分為純經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ碗A段、半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ碗A段以及加入湍流子模型階段。純經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?920年至1960年興起，模型的建立以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為支撐，主要以平均活塞速度、缸內(nèi)氣體參數(shù)(缸壓、缸內(nèi)溫度)表征缸內(nèi)傳熱系數(shù)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?960年至1980年間出現(xiàn)，該類(lèi)模型以相似原理和量綱分析為基礎(chǔ)，相較于純經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透呃碚撘罁?jù)，其中，以Woschni傳熱模型最具代表性(如式(1)所示)，可以通過(guò)對(duì)活塞直徑、活塞運(yùn)動(dòng)速度、缸內(nèi)氣體參數(shù)等系數(shù)的調(diào)整來(lái)表征柴油機(jī)不同階段的氣流運(yùn)動(dòng)，被國(guó)內(nèi)外科研工作者廣泛使用。

(1)

式中：P為氣缸內(nèi)氣體壓力(MPa)；T為氣缸內(nèi)氣體溫度(K)；D為氣缸直徑(m)；Cm為活塞平均速度(m/s)；P1、V1、T1分別為壓縮始點(diǎn)時(shí)的氣缸內(nèi)工質(zhì)壓力(MPa)、容積(m3)、溫度(K)；Vs為氣缸工作容積(m3)；P0為發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖時(shí)氣缸內(nèi)壓力(MPa)；C1、C2分別為氣流速度系數(shù)、燃燒室形狀系數(shù)。

上述傳熱模型的建立都是以燃燒室內(nèi)所有表面對(duì)流換熱系數(shù)一致作為基礎(chǔ)假設(shè)，但實(shí)際上缸內(nèi)存在湍流流動(dòng)的同時(shí)，各局部(缸壁、燃?xì)獾?之間同樣存在大量非穩(wěn)態(tài)傳熱狀態(tài)。因此，1980年后下個(gè)階段在原模型的基礎(chǔ)上加入了湍流子模型，使其對(duì)缸內(nèi)傳熱情況進(jìn)行了更加細(xì)致的描述。但就流體力學(xué)與傳熱學(xué)研究領(lǐng)域而言，缸內(nèi)氣體湍流運(yùn)動(dòng)聯(lián)合缸內(nèi)傳熱問(wèn)題較為復(fù)雜，致使目前大多此類(lèi)模型仍然不能廣泛應(yīng)用，并不具備一定的通用性

2017年，張博文[3]以經(jīng)典Woschni傳熱模型為基礎(chǔ)，分析了海拔高度對(duì)傳熱模型的影響，并修正了Woschni公式中的溫度指數(shù)項(xiàng)，一定程度上提高了變海拔條件下燃燒室內(nèi)傳熱模型的精度。如圖1所示為缸內(nèi)傳熱模型的發(fā)展歷程。

圖1 燃燒室內(nèi)傳熱數(shù)學(xué)模型發(fā)展歷程

總體而言，燃燒室內(nèi)傳熱數(shù)學(xué)模型3個(gè)階段的發(fā)展，為柴油機(jī)熱管理領(lǐng)域的深入研究提供了有力的工具保障?；趯?duì)傳熱數(shù)學(xué)模型的深入了解，各專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)始進(jìn)行了冷卻液與受熱部件間的流-固耦合分析，得到冷卻系統(tǒng)內(nèi)部溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，為冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論支撐。

流-固耦合主要分為順序耦合與直接耦合，順序耦合是以研究對(duì)象的物理場(chǎng)(流體場(chǎng))仿真結(jié)果為邊界條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)另一個(gè)物理場(chǎng)(固體場(chǎng))的仿真模擬；直接耦合是以流體場(chǎng)和固體場(chǎng)為一耦合整體，直接進(jìn)行模擬仿真。N Kato[4]于1995年，首先提出順序耦合理念，并以其為研究手段進(jìn)行了缸蓋的流動(dòng)、傳熱及熱變形情況研究。M H Shojaefard[5]以第三類(lèi)邊界條件施加于缸蓋表面，得到缸蓋的溫度和熱應(yīng)力場(chǎng)，并以熱固耦合分析了解到，受熱應(yīng)力影響，缸蓋鼻梁區(qū)應(yīng)力較為集中。

由于國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)技術(shù)等一系列的原因，發(fā)動(dòng)機(jī)的流-固耦合傳熱研究進(jìn)展比較緩慢。白敏麗[6]于2005年，率先應(yīng)用順序耦合仿真手段，得到了冷卻水套水腔內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)據(jù)(流體速度、壓力)。俞小莉等[7]創(chuàng)建了包括機(jī)體在內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱耦合系統(tǒng)三維有限元模型(如圖2[7]所示)，并得到耦合系統(tǒng)溫度場(chǎng)云圖，更好地為柴油機(jī)流動(dòng)與傳熱仿真研究奠定了理論基礎(chǔ)。

1.2 冷卻介質(zhì)參數(shù)對(duì)冷卻系統(tǒng)流動(dòng)與傳熱特性影響

傳統(tǒng)機(jī)械式冷卻系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸驅(qū)動(dòng)，不同工作環(huán)境、同一發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，冷卻介質(zhì)參數(shù)(冷卻水泵流量、冷卻液溫度、冷卻空氣流量)相對(duì)固定，不能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱需求進(jìn)行冷卻強(qiáng)度的調(diào)節(jié)，易出現(xiàn)“過(guò)冷”、“過(guò)熱”現(xiàn)象[8-10]，不同海拔下冷卻系統(tǒng)散熱量MAP如圖3[2]所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)流固耦合系統(tǒng)三維有限元模型

圖3 不同海拔全工況冷卻系統(tǒng)散熱量MAP

1.2.1冷卻空氣參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中冷卻液經(jīng)散熱器，將熱量以對(duì)流傳熱的方式傳遞給冷卻空氣，冷卻空氣控制參數(shù)(冷卻空氣流量)的合理控制，可以精準(zhǔn)控制散熱器與冷卻空氣間的散熱強(qiáng)度，使冷卻液在不同環(huán)境工況下更加穩(wěn)定的保持在目標(biāo)溫度。實(shí)現(xiàn)冷卻空氣控制參數(shù)的精準(zhǔn)控制主要以智能冷卻風(fēng)扇(主要為電機(jī)驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)扇、液壓驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)扇)為依托，使風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速解耦，且在停機(jī)后，風(fēng)扇依然能繼續(xù)工作，防止“熱浸”現(xiàn)象發(fā)生[11-12]。

冷卻空氣流量的合理控制能夠充分利用迎面風(fēng)的冷卻能力，在適度控制柴油機(jī)冷卻傳熱的同時(shí)，減少了發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)冷卻系統(tǒng)的能量輸出，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的寄生損失。Ricardo公司和Daimler Chrysler公司[13]聯(lián)合開(kāi)發(fā)了42 V-14 V雙電壓系統(tǒng)(如圖4[13]所示)，其PWM控制方式提高電能轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)，也使電子風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)了無(wú)級(jí)調(diào)速。P Frick[14]研究了液壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，并將其應(yīng)用于車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)上，試驗(yàn)表明，相較于機(jī)械式冷卻風(fēng)扇，該系統(tǒng)在不同工況下可更合理的控制冷卻空氣流量，使冷卻系統(tǒng)的冷卻能力明顯提高。

國(guó)內(nèi)方面，針對(duì)機(jī)械式冷卻風(fēng)扇存在的冷卻強(qiáng)度不足、寄生損失大的問(wèn)題，郭新民等[15]開(kāi)展了液壓風(fēng)扇在車(chē)輛冷卻系統(tǒng)方面的應(yīng)用研究，所開(kāi)發(fā)新型冷卻系統(tǒng)中，冷卻水箱由液壓風(fēng)扇冷卻，液壓油散熱器與水箱分開(kāi)布置并采用電子風(fēng)扇，結(jié)果顯示，相比采用傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的原機(jī)，怠速工況平均節(jié)油10.6%、中速工況約為13.2%、高速工況達(dá)20.2%，在預(yù)熱階段節(jié)油率達(dá)18%。余海洋[16]基于AMEsim仿真模型，設(shè)計(jì)了電動(dòng)冷卻風(fēng)扇智能控制系統(tǒng)，結(jié)果表明，在暖機(jī)階段，通過(guò)對(duì)冷卻空氣流量的合理控制，冷卻液溫度在100 s內(nèi)達(dá)到目標(biāo)值并趨于穩(wěn)定，同時(shí)相較于機(jī)械式冷卻風(fēng)扇，該電動(dòng)冷卻風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)綜合油耗降低0.3 L/100 km。

圖4 42 V-24 V雙電壓系統(tǒng)

隨著周?chē)h(huán)境(大氣壓力、空氣密度和環(huán)境溫度)的改變，冷卻液理化性質(zhì)、冷卻空氣散熱能力等邊界條件發(fā)生改變，致使冷卻系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力降低，其中以高原環(huán)境下冷卻系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性最為突出[17-21]。一方面隨海拔升高，冷卻液沸點(diǎn)明顯降低；另一方面隨海拔升高，空氣密度降低，雷諾數(shù)減小，環(huán)境與散熱器之間的換熱系數(shù)改變，同時(shí)冷卻風(fēng)扇質(zhì)量流量減少，雖然車(chē)輛行駛過(guò)程中，迎面風(fēng)會(huì)對(duì)散熱器的散熱起到一定增益作用，但相同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下，散熱器的理論最小散熱能力降低，發(fā)動(dòng)機(jī)易出現(xiàn)冷卻過(guò)度和開(kāi)鍋現(xiàn)象[22-23]。

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家所處地域的海拔一般在3 000 m以下，對(duì)高海拔環(huán)境下冷卻系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性研究需求較小，缺少此類(lèi)研究。

對(duì)于高原環(huán)境下，散熱器散熱邊界條件、燃燒室內(nèi)傳熱邊界條件改變對(duì)冷卻系統(tǒng)傳熱特性影響問(wèn)題，國(guó)內(nèi)研究還處于初級(jí)階段，主要研究方向?yàn)閺母咴h(huán)境下冷卻系統(tǒng)的傳熱特性入手，以冷卻系統(tǒng)智能化為手段，進(jìn)行了由邊界條件改變引起的高原發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡性能變化研究，但并未針對(duì)邊界條件變化問(wèn)題實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)的精準(zhǔn)冷卻。文獻(xiàn)[22]中針對(duì)6 V 150增壓中冷電控柴油機(jī)，研究了整機(jī)熱量分布隨海拔變化的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)冷卻液散熱量在柴油機(jī)各轉(zhuǎn)速下，隨海拔升高而增大，當(dāng)海拔大于3 000 m，開(kāi)始出現(xiàn)略微下降趨勢(shì)，但在4 500 m時(shí)，由于功率下降，最大冷卻水散熱量增大15%。

葛蘊(yùn)珊團(tuán)隊(duì)[23]針對(duì)不同海拔(0 m、1 600 m、3 300 m、4 500 m)中低速、中等負(fù)荷條件下發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率進(jìn)行了實(shí)地試驗(yàn)。結(jié)果表明，隨海拔升高，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率降低，在低速小負(fù)荷工況下尤為明顯，并認(rèn)為是由于隨海拔升高，燃燒滯后，膨脹比降低，空燃比下降，低速時(shí)渦輪增壓器效率降低，燃油噴霧惡化，以及發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷升高對(duì)外界熱輻射散熱增強(qiáng)，導(dǎo)致高空區(qū)域有效熱效率的惡化。

1.2.2冷卻液參數(shù)

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率被不斷強(qiáng)化和提高，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)部件處于更加惡劣的工作環(huán)境，關(guān)鍵部件的熱負(fù)荷水平被大幅度提高，因此，需運(yùn)用更加高效的冷卻方式來(lái)解決發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的散熱問(wèn)題。對(duì)流傳熱的熱流密度可由牛頓冷卻定律[24-25]計(jì)算：

q=hΔt

(2)

式中:q為傳熱熱流密度(W/m2)；h為對(duì)流傳熱系數(shù)(W/(m2·K))； Δt為傳熱介質(zhì)溫差(K)。

可知，在壁面和冷卻液溫度保持不變的情況下，增加冷卻液對(duì)流換熱系數(shù)是加強(qiáng)受熱部件與冷卻液之間換熱能力的有效方法。針對(duì)冷卻液換熱能力優(yōu)化，納米流體因其較好的導(dǎo)熱性能引起了人們廣泛關(guān)注。Leong[26]研究了發(fā)動(dòng)機(jī)以納米流體作為冷卻液時(shí)的傳熱性能，研究發(fā)現(xiàn)，加入一定量的銅納米顆粒，可使乙二醇冷卻液傳熱性能顯著增強(qiáng)。Sidik[27]從組成、制備、功效三方面對(duì)納米流體在柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)中的使用情況進(jìn)行了綜述，并得出結(jié)論，納米流體可有效增強(qiáng)冷卻系統(tǒng)的導(dǎo)熱能力，但是系統(tǒng)內(nèi)壓降限制了其效率，基于此，大多數(shù)研究者認(rèn)為低體積分?jǐn)?shù)(<1%)的納米流體可以保持冷卻系統(tǒng)的最佳冷卻性能。

鐘勛[28]進(jìn)行了納米流體、水和乙二醇作為冷卻介質(zhì)的傳熱特性研究，并將其應(yīng)用于柴油機(jī)機(jī)油散熱器，結(jié)果表明，相較于水和乙二醇，納米流體的換熱能力分別提升了4.6%和19.0%，如圖5、圖6[28]所示為不同體積分?jǐn)?shù)氧化鋁有機(jī)納米流體的沸點(diǎn)與熱導(dǎo)率。

圖5 不同體積分?jǐn)?shù)氧化鋁納米流體的沸點(diǎn)

圖6 不同體積分?jǐn)?shù)氧化鋁納米流體的導(dǎo)熱率

冷卻液參數(shù)(冷卻液流量、冷卻液溫度)的合理控制，可以實(shí)現(xiàn)提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的同時(shí)，降低冷卻系統(tǒng)寄生損失[29-30]。同冷卻空氣控制參數(shù)的調(diào)節(jié)相似，冷卻液參數(shù)合理控制的實(shí)現(xiàn)也是以智能化的冷卻系統(tǒng)部件(電動(dòng)冷卻水泵、電子節(jié)溫器等)為依托得以實(shí)現(xiàn)，且冷卻系統(tǒng)內(nèi)冷卻液的合理分配，可使散熱器體積進(jìn)一步減小，這在發(fā)動(dòng)機(jī)艙設(shè)計(jì)越來(lái)越緊湊的今天，優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)[31]。

Cho等[32]用電控冷卻水泵代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械式水泵，發(fā)現(xiàn)在不同工況下更合理的控制冷卻液流量，可降低散熱器體積超過(guò)27%，寄生損失可減少87%。一汽大眾[33]設(shè)計(jì)的APF型電子控制冷卻系統(tǒng)，其多回路電子節(jié)溫器(見(jiàn)圖7[33])，可更好的強(qiáng)化冷卻系統(tǒng)靜態(tài)調(diào)節(jié)特性。而后又在多回路電動(dòng)節(jié)溫器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了技術(shù)革新[34]，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)氣節(jié)氣門(mén)加熱、暖風(fēng)水箱、機(jī)油冷卻器等多回路流量控制(見(jiàn)圖8[34])。

圖7 多回路電控節(jié)溫器

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)冷卻液流量分布

從電動(dòng)式和液壓式兩種智能冷卻系統(tǒng)調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)控制參數(shù)的能力來(lái)看，兩種柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)分別有其合適的應(yīng)用場(chǎng)合，具體性能見(jiàn)表2所示。

表2 兩種冷卻系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

2 智能冷卻系統(tǒng)協(xié)同控制方法研究

目前，針對(duì)冷卻系統(tǒng)的控制參數(shù)主要為冷卻液流量、冷卻液溫度和冷卻空氣流量，控制目標(biāo)為柴油機(jī)預(yù)熱時(shí)間、熱效率、熱負(fù)荷、排放、寄生損失，各單位及專(zhuān)家學(xué)者以冷卻系統(tǒng)的智能控制為契機(jī)，進(jìn)行了冷卻系統(tǒng)單一參數(shù)多目標(biāo)或多參數(shù)多目標(biāo)協(xié)同控制研究。

如要合理控制冷卻系統(tǒng)協(xié)同控制參數(shù)，控制策略開(kāi)發(fā)是重中之重。傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，控制策略簡(jiǎn)單，控制精度較低，不能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況和外界環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)有效冷卻，且發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后的熱浸現(xiàn)象無(wú)法解決，效率低、功耗大、污染嚴(yán)重。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)部件的協(xié)同控制及控制策略研究，已成為未來(lái)冷卻系統(tǒng)控制策略發(fā)展的必然趨勢(shì)。

關(guān)于先進(jìn)冷卻系統(tǒng)的控制策略研究，國(guó)外專(zhuān)家學(xué)者一般以電動(dòng)冷卻系統(tǒng)部件或液壓驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)部件為基礎(chǔ)，研究目標(biāo)為通過(guò)對(duì)不同工況下冷卻液流量、冷卻液溫度、冷卻空氣流量的準(zhǔn)確、快速控制，實(shí)現(xiàn)冷卻強(qiáng)度的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，以增強(qiáng)冷卻系統(tǒng)傳熱特性，縮短啟動(dòng)時(shí)間，提高熱效率。Setlur[35]開(kāi)發(fā)了基于Lyapunov的非線性控制器，以非線性控制算法調(diào)節(jié)冷卻液溫度(冷卻系統(tǒng)由電動(dòng)閥門(mén)、機(jī)械式水泵和風(fēng)扇組成)，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻液溫度的調(diào)節(jié)(如圖9[35]所示)，該控制策略可以減小調(diào)節(jié)過(guò)程中的溫度波動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱時(shí)間減小42%。

博格華納公司[36]提出了雙模式冷卻泵(DMCP)控制策略(其框圖如圖10[36]所示)，可通過(guò)不同工況下冷卻液溫度和流量的判定，選擇不同冷卻水泵的運(yùn)行；在冷起動(dòng)時(shí)，采用“零泵速”控制策略，即在暖機(jī)或冷起動(dòng)過(guò)程中，水泵不轉(zhuǎn)或以500 r/min的小轉(zhuǎn)速運(yùn)行，以保證能夠快速暖機(jī)。經(jīng)UDDS循環(huán)測(cè)試表明，應(yīng)用雙模式冷卻水泵后，輔助功率降低63.2%，燃油消耗量減少2.15%。

圖9 簡(jiǎn)化的汽車(chē)散熱系統(tǒng)

圖10 雙模式冷卻液水泵控制策略

國(guó)內(nèi)方面，近年來(lái)科研團(tuán)隊(duì)也以減少發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)間、實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻強(qiáng)度的快速、精準(zhǔn)調(diào)節(jié)為目標(biāo)，進(jìn)行了冷卻系統(tǒng)控制策略的相關(guān)研究。駱清國(guó)[37]開(kāi)發(fā)了冷卻系統(tǒng)采用高、低溫雙循環(huán)回路控制策略，使柴油機(jī)機(jī)體與增壓空氣實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立冷卻。尹洪濤[38]在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了預(yù)置MAP與模糊控制相結(jié)合的控制策略研究，控制系統(tǒng)框圖如圖11[38]所示，該控制策略可有效減小柴油機(jī)變工況下冷卻系統(tǒng)溫度波動(dòng)(<1 ℃)。

圖11 高、低溫雙循環(huán)冷卻系統(tǒng)控制系統(tǒng)框圖

俞小莉團(tuán)隊(duì)[39]基于模糊控制原理，設(shè)計(jì)了電動(dòng)三通比例閥控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液大、小循環(huán)流量的精準(zhǔn)控制，如圖12[39]所示為模糊推理輸出MAP。結(jié)果顯示，該策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度的控制更加精確，并且具有較好的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性，發(fā)動(dòng)機(jī)寄生損失明顯降低。

圖12 模糊推理輸出MAP

3 冷卻系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)方法研究

冷卻系統(tǒng)的性能的合理評(píng)價(jià)直接關(guān)系到其運(yùn)行的穩(wěn)定性、發(fā)動(dòng)機(jī)性能以及廠家的經(jīng)濟(jì)效益，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要以冷卻介質(zhì)流量、溫度作為評(píng)估依據(jù)。Juan[40]通過(guò)空氣流量，進(jìn)行了散熱器-風(fēng)扇間的定位分析；Khaled等[41]以冷卻空氣溫度為判據(jù)實(shí)現(xiàn)了冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的合理調(diào)節(jié)。國(guó)內(nèi)方面，張毅等[42]、秦四成等[43]、畢小平等[44]先后對(duì)多個(gè)散熱器位置排布規(guī)律、散熱器間距等進(jìn)行研究，并取得了一定成果。

產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)與選型的時(shí)效性，對(duì)快速選取冷卻風(fēng)扇、水泵和散熱器，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)匹配提出更高要求。所以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)選型過(guò)程中，盡可能快速實(shí)現(xiàn)匹配評(píng)價(jià)并指明優(yōu)選方向，也是學(xué)者、廠家日益關(guān)注的問(wèn)題。

(3)

(4)

(5)

4 結(jié)論

本文對(duì)車(chē)用柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)研究進(jìn)行了全面綜述。大量文獻(xiàn)表明，針對(duì)冷卻系統(tǒng)流動(dòng)與傳熱的數(shù)學(xué)模型、數(shù)值模擬以及冷卻介質(zhì)參數(shù)對(duì)其性能影響等基礎(chǔ)理論研究成果較為豐富，并且納米流體技術(shù)、智能冷卻系統(tǒng)技術(shù)可有效縮短發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱時(shí)間、提高熱效率、降低熱負(fù)荷、減少污染物排放和冷卻系統(tǒng)寄生損失。但就目前的研究而言，仍存在以下問(wèn)題：

1) 不同環(huán)境、不同發(fā)動(dòng)機(jī)配置下不同納米流體中最佳納米粒子的含量還不能確定。

2) 缺少最佳冷卻系統(tǒng)控制參數(shù)變海拔匹配標(biāo)定研究。目前，在高原環(huán)境條件下冷卻系統(tǒng)控制參數(shù)對(duì)冷卻系統(tǒng)傳熱特性影響研究方面，還停留在規(guī)律性分析上，沒(méi)有針對(duì)冷卻系統(tǒng)控制參數(shù)與柴油機(jī)不同海拔不同工況的最佳匹配得出定量結(jié)論。

3) 缺少高海拔冷卻系統(tǒng)多參數(shù)多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化及控制策略研究。目前針對(duì)高原冷卻系統(tǒng)控制研究，主要集中在單一參數(shù)(冷卻空氣流量、冷卻液溫度、冷卻液流量)的控制上，且大多采用PID控制，控制精度不高，變海拔、變工況下控制效果較差，應(yīng)以冷卻系統(tǒng)部件智能化控制為契機(jī)，開(kāi)展變海拔(變雷諾數(shù))全工況多參數(shù)(冷卻液流量、冷卻液溫度、冷卻空氣流量)多目標(biāo)(柴油機(jī)預(yù)熱時(shí)間、熱效率、熱負(fù)荷、排放、寄生損失)協(xié)同優(yōu)化及控制策略研究。