汽車發動機艙管理技術開發研究

王俊豪，胡志剛

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

引言

一般小轎車、SUV和商用汽車車輛整體較為緊湊，發動機艙空間相對狹小，部件布置較為緊湊，使得其中空氣的流動變得緩慢，熱量和溫度提高較快。當發動機艙空氣流動性不好時，發動機所產生的熱量很難有效揮發，機艙溫度較高會影響到發動機空調系統、冷卻系統、潤滑系統等性能，進而影響到汽車正常運轉，使得駕駛員在行車中可能會面臨一定的安全隱患。

1 發動機熱管理的基本原理

為了解決發動機艙空氣溫度高、流動性不好的難題，有效提升汽車運轉中安全性，保證動力穩定輸出，汽車科研者提出了發動機熱管理的理念，注重采取新的方法和技術來保障發動機效率和傳動系統穩定運轉，以保障綜合性能的效率。一般來說，在發動機管理中需要注意冷卻系統、潤滑系統等，通過熱管理來減少汽車燃油消耗和污染氣體排放，提升發動機運轉質量和效率。

1.1 冷卻系統

發動機是汽車動力來源，為汽車提供前進中的動力和車載電子設備的能量，保障車輛平穩前行。在發動機工作時，燃油和空氣在發動機缸內燃燒后產生大量的熱，其中一部分被排氣所帶走，還有一部分會導致發動機內部各零件和潤滑系統溫度提升。根據相關研究統計，發動機燃燒放出的熱量有三個去向：三分之一熱量轉化為輸出功、三分之一熱量轉化為排氣、三分之一熱量被冷卻系統帶走。發動機的冷卻系統冷卻液降低發動機缸內溫度，讓汽車系統中各個部件溫度和機油溫度保持在適度范圍內，更好地保障發動機溫度平穩運轉。

一般來說，冷卻系統水泵分為機械驅動和電子泵。機械驅動方式中，發動機帶動皮帶輪直接驅動，冷卻強度由轉動速度直接決定，當發動機處于高速運轉狀態時，實際散熱需求與機械驅動散熱強度不匹配時會造成冷卻系統功率的消耗，同時，機械式冷卻系統會帶走大量有效功，影響到發動機運轉效率。

科技快速發展，傳統機械式驅動逐漸被電子泵、電子風扇等電子設備所代替，在冷卻系統的指引下，溫度傳感器把實時溫度傳遞給車內微機系統，由計算機來進行實時計算后控制水泵轉速，確保流卻介質流量在最佳范圍內，實現了精準化、智能化控制，達到了車輛運行的最優化狀態。采取電子方式控制的發動機，以合理控制策略、精準控制時間來降低汽車油耗，讓汽車發動機處于最佳運行狀態。

1.2 潤滑系統

潤滑系統是汽車整體系統的重要組成部分，潤滑系統工作質量好壞直接關乎到汽車運行中的質量，保證車輛發揮好最優性能。很多人眼中，汽車部件看起來較為光滑，但微觀情況下依然存在著一定粗糙度，當部件間存在相對運動時運動件間會存在一定摩擦力，而潤滑油則是保證部件順利運動的物質。潤滑系統任務是把足量的潤滑油供給到汽車整個系統各個部件，減少零件間因相對運動而產生的摩擦，降低零件損耗，保證發動機等核心部件順利運轉[1]。

潤滑系統工作時，汽車部件運轉帶動潤滑油形成油膜，減小摩擦力，降低振動影響，避免汽車運行中的潛在問題。在降低摩擦力的同時，潤滑系統另外一個功能就是通過循環來帶走因摩擦而產生的熱量，對發動機進行冷卻后來延長使用壽命。

在潤滑過程中，潤滑油溫度對性能有著較高影響，溫度過高時黏度有所下降，很難在機械部件表面形成油膜，經過高溫后會加速老化，縮短機油使用壽命。開發管理中要注意潤滑油的性質及臨界溫度，確保選擇合適品種的潤滑油。很多車型在研發中會采取與發動機缸體換熱或對機油底殼進行冷卻的方式來保障冷卻系統的平穩運行，提升潤滑油使用壽命。

綜合來看，潤滑系統的作用表現在潤滑、散熱等方面，系統如果不能正常運行必然會影響到發動機性能的表現，影響汽車正常運行。

1.3 熱管理的實驗與模擬方法

熱管理實驗是在實驗室環境下依據國家或企業的標準，根據汽車工況的不同來進行實驗，檢測得到制造的樣機數據來進行優化，為后續車輛流程化制造提供數據支撐和指導。整車熱試驗一般分為空調降溫實驗、整車熱平衡實驗、采暖除霧實驗等，通過實驗來做到車輛整體平衡。

以往汽車開發過程中，發動機艙熱管理一般采用實物實驗方法，導致實驗周期長，耗費大量人力和物資，數據不夠精準。近些年來，計算機模擬成為熱管理實驗的主流，軟件數值模擬在研究方面取得了很大進步，為熱管理開發及性能優化提供了新途徑。車輛開發的前期，研發人員利用模擬軟件STARCCM+來建立模型、輸入參數來模擬汽車外部流場、發動機艙內流場等情況，計算得到與真實數據相差不大的數值，直觀地避免設計中可能出現的缺陷。

僅有數值模擬并不夠，還要結合實驗數據來進行綜合分析。三維模擬計算得到的溫度和流動場如果得不到數據驗證和支持很難表明是否正確，結合不同條件下實驗數據來得到真實情況與數據模擬進行匹配，為車輛開發提供優化策略。

2 冷卻系統組成

冷卻系統是汽車系統的重要組成部分，一般是由散熱器、風扇、冷卻水泵等多個部件組成。

散熱器性能直接決定著出水溫度的高低，質量高低關乎著冷卻系統好壞，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，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，車商大多采用鋁材質作為芯體。從芯體結構形式來看，散熱器分為管片式、管帶式，兩種形式各有優勢，管帶式成本低，工藝簡單，但強度不如管片式且冷卻介質流阻較大，車輛散熱器往往采用管片式[2]。

冷卻風扇是汽車冷卻系統的一個重要部件，風扇正常工作能夠迅速降低發動機艙溫度，加快氣體流動速度，保障空調系統正常運轉。根據風扇方式一般分為機械風扇和電子風扇，機械式風扇會消耗發動機相當部分熱量，但其中有一種液壓驅動式風扇能夠避免上述缺陷，以液壓油為工作介質實現無極調速，具有可靠性高、安裝靈活、對發動機沖擊小等優勢，但也存在著成本高、結構復雜等問題，在實際中很少應用。目前，使用最多的一種風扇是電子驅動式風扇，由ECU所控制，理論上根據散熱需求來實現對風扇的無極控制，國內外研究者研究發現電子驅動風扇能耗非常小，但價格要比機械式驅動貴，整體應用范圍和車型較多。

冷卻水泵為冷卻液流動提供動力，保證冷卻回路中循環流動。根據驅動方式不同分為機械式和電子式。大多數車輛往往采取電子泵，動力是由直流電源提供，根據不同工況由ECU進行控制，更好地推動水泵轉動、開啟或關閉。電子泵運轉根據不同工況來進行實時控制和調節，有效控制冷卻液流動，避免冷卻系統過冷、過熱，減少不必要的功率消耗，提升控制效率和質量。

此外，冷卻系統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，需要根據實際發動機工況來進行控制。同時，電子器件變多趨勢，很多車載裝置需要散熱，整個汽車冷卻系統會變得越來越復雜，控制策略需要更加精準、精確，確保整個冷卻系統平穩運行。

3 汽車冷卻系統的仿真概括

發動機冷卻系統仿真模擬軟件成為了各個車企研發中的重點，需有效降低管理和實驗成本，提升研究效率和質量。目前，FLOWMASTER軟件廣泛應用于冷卻系統仿真之中，精準地分析熱管理系統，縮短整車設計實踐和費用。在軟件應用中，研究者需要建立模型，輸入參數，利用求解器來求解出模擬結果，再與實驗進行驗證和匹配[3]。

在仿真建模中，工程師要結合冷卻模塊，簡化真實冷卻系統，布置出關鍵部件來優化冷卻方案，滿足熱平衡實驗要求，結合模型參數來輸入運算數據，通過設置汽車工況來計算出模擬數值。在得到數值后，發現溫度較高部件或位置，調整參數設計來優化風扇轉速、冷卻液溫度等，讓整個汽車冷卻系統在優化后更好地工作。

4 整車熱平衡系統的實驗概述

發動機艙熱管理設計不僅需要數值模擬，還要有實驗來予以驗證，以實驗方式真實反映發動機艙溫度和流場分布情況，抓住引發溫度過熱的關鍵因素，為發動機整體布置做出指導。整車熱平衡實驗設計出不同工況、不同條件來觀察機油溫度、散熱器出水溫度等關鍵指標，找到整車熱評和性能，布置傳感器設計出實驗數據采集點得到數據，驗證模擬值是否符合要求。結合整車熱平衡實驗來為關鍵部件如散熱器、風扇等參數選型提供參考，幫助工程師來優化車輛設計，更好地達到設計要求。