汽车热管理研究现状及新进展
摘要:热管理是一种综合技术,直接或间接影响了车辆的多种性能。车辆燃油经济性、排放及驾驶舒适性的提高对热管理技术发展提出了更高的要求。本文总结了国内外重型汽车当前的热管理发展现状,新型高效车辆热管理系统概念,基于仿真的汽车热管理系统,指出了这方面需要重点研究解决的问题。
关键词:热管理重型汽车仿真
Development Statuson Vehicle Thermal Management
Abstract:The thermal management is a synthetical technology that will directly or indirectly affect vehicle′ performances. The progress of vehicles’ fuel economy, emissions and drive comfort have had a higher demand on the development of thermal management technology.The development statuses of the thermal management for heavy- duty trucks are summarized in this paper,and some new thermal management concepts for high- efficiency vehicles are presented. The simulation for a vehicle thermal management system is described,and based on it,the problems that should be solved in thermal management investigation are highlighted.
Keywords:Thermal management,Heavy-dutytruck,Simulation
为了提高重型柴油汽车的燃料效率和减少排放,各个国家特别是发达国家都在积极研究各种柴油机技术及相关的燃料技术。由于汽车热管理对提高燃料经济性和减少排放有直接或间接的影响,因此有必要对其进行研究和改善。但是相对于发动机技术的发展,热管理技术发展相对落后。
热管理系统主要用于冷却和温度控制。例如,对发动机、润滑油、增压空气、燃料、电子装置以及EGR的冷却,对发动机舱及驾驶室的温度控制等。热管理系统由各个部件和传热流体组成。部件包括:换热器、风扇、冷却液泵、压缩机、节温器、传感器、执行器和各种管道及套管;传热流体包括:大气、冷却液、机油、润滑油、废气、燃料、制冷剂等。这些部件和流体必须协调工作以满足车辆散热和温度控制要求。
1 重型汽车热管理发展现状
汽车热管理系统基本结构在过去的40～50年里变化不大,有些部件(冷却液泵和节温器)的设计基本上没改变过。传统的节温器通常采用的是注蜡式节温器,它只能在一定的冷却液温度(80～85°C)内进行单点控制(节温器在85°C时开启,80°C时关闭),不能满足未来的冷却系统对冷却液流量精确控制的要求。研究表明,在25°C大气温度时,路上运行的负载车辆,其节温器打开(大循环)时间仅占总时间的10%[1]。另外,因为发动机制造商仅对节温器和冷却液泵有具体的要求,而汽车制造商对风扇和散热器有特殊的要求。所以,这种传统的彼此分开的热管理设计无法使系统最优化。热系统设计趋于保守。汽车的可靠性与耐久性是非常重要的,为了保证汽车在任何工况和恶劣气候条件下都能够稳定工作,汽车热管理系统通常都是根据极限运行工况(如标定功率工况)及环境(进风温度40°C)进行设计的,选用大尺寸、大散热量的换热器。但是大部分汽车特别是大型汽车很少遇到这种极限情形,所以往往导致热管理系统散热能力过剩。测试表明,发动机排量为10L、标定功率为225kW的汽车,其平均功率为185kW,功率系数(平均功率与标定功率的比值)为82%;发动机排量为15L、额定功率为375kW的汽车,其平均功率为185kW,功率系数为49%[1]。
由于汽车上使用的风扇和冷却液水泵都由发动机驱动,风量和冷却液流量与发动机转速成正比变化,无法对通过散热器的空气流量以及水温进行精确控制,从而难以使发动机在最佳的温度下工作,导致排放过高,燃料经济性和发动机性能变差。
克服空气阻力消耗了汽车相当大一部分可用功率,因此,降低空气阻力对汽车燃油经济性有重要影响。另外,发动机舱内流场及温度分布对热管理系统的性能具有十分关键的影响。
2 高性能热管理系统
整个车辆热管理系统可以分成3个主要部分:动力系统和排气系统传热,发动机舱内空气流动,驾驶室内传热。高性能热管理系统必须协调这3个部分工作以满足车辆两大主要运行区域:车辆暖机和暖机后发动机的运行环境。一方面要迅速暖机,以减少冷启动过程中的排放和机械损失;另一方面要在发动机稳态工况(尤其是部分负荷)下维持高温来优化发动机热力特性,提高燃料经济性、动力性以及发动机、机油寿命等[2]。下面就高性能热管理系统研究的最新技术做具体的介绍。
2.1电控水泵
传统水泵由曲轴通过V带或齿轮驱动,运行速度与发动机速度成正比。许多研究显示,传统水泵的泵水量仅在5%的时间内正确[1]。而电控水泵由电机驱动,可以对流量进行独立控制。电控水泵由于不用曲轴驱动,安装位置比较灵活,可以优化水泵水力特性设计,减少压力损失。由于电控水泵可以安装在发动机舱的任何地方,当远离缸体这一热源后,水泵可以用塑胶材料制成,减轻重量。同时,由于不用齿轮或者带轮带动,减少了V带及齿轮对水泵轴承的循环侧向负载力,降低了驱动损失[3]。另外,电控水泵根据发动机冷却要求而不是速度来供给冷却液流量,避免了部分负荷及高速情况下的过冷状态,减少了不必要的功率消耗。电控水泵也可以在发动机冷启动及暖机阶段只让一小部分流体通过,使发动机迅速达到正常温度。
当汽车高负荷运转停机后,由于曲轴驱动的水泵停止运行,这时会造成发动机缸体内温度过高,影响发动机寿命。采用电控水泵,在发动机停机后仍可以工作,就可以避免这个问题。
2.2电控阀
传统注蜡式节温器利用可熔蜡的膨胀收缩来控制节温器的开启和关闭。蜡在行程内不仅有相当大的偏差,而且有一定的时间延迟。电控阀的控制系统由传感器、伺服电机和发动机控制模块(ECM)组成,其精度由参数控制在最佳的范围内,控制参数不必是阀处的冷却液温度。电控阀的好处在于,它允许发动机设计者决定使用哪些部件温度作为重要的控制温度,来控制冷却液流量。这样的话,不再控制冷却液温度,而是关键的发动机部件温度。
传统的节温器阻力很大,当流体通过时有很高的压降。对于电控阀,可以仔细设计转向阀,引导流体从内部旁通管流入散热器。但是,这需要复杂的机械驱动控制或者简单的电驱动控制。当流量为200L/min时,这种阀结构可以使阀处的压降减少20kPa以上,相当于节省了70W的能量[1]。
2.3电控泵及电控阀系统
电控泵及电控阀与冷却系统相结合,可以充分实现每个部件的优势,使冷却系统达到最优。对于具有EGR冷却和废涡增压空气冷却(包括传统的散热器冷却和机油冷却)的可控冷却系统,可以对发动机和发动机进气温度进行全面的控制。通过控制进气温度来控制压缩温度,可以控制点火延时和NOx形成。在冷启动时,不对进气冷却可以减少HC排放。每个系统不受发动机转速和负荷的影响,而作为一个独立的模块与车辆匹配,如图1所示。
2.4强迫对流/核态沸腾混合冷却
所有的内燃机基本上都采用强迫对流传热方式。但是,由传热学知识可知,核态沸腾有温压小、换热强的特点,在各种传热方式中效率最高[4]。核态沸腾传热可以极大地提高传给流体的热量,从而降低壁温。在核态沸腾冷却中,冷却图1全面控制发动机热管理系统液在发动机流通管道中吸热汽化,然后在散热器中冷凝释放热量。这种传热模式有许多优点,但必须控制膜态沸腾和蒸干状态,避免由于膜态沸腾传热系数小造成的热点区和过热现象。可以调节冷却液流量来控制膜态沸腾的发生。在热负荷严重的情况下进行强迫对流/核态沸腾混合冷却,强迫对流处理95%的冷却要求,核态沸腾处理剩下的5%[5]。该传热方式的使用可以减小换热器、风扇和冷却液泵的尺寸,从而减少能量消耗。但是,为了控制临界热流密度,要注意缸盖冷却液通道的表面、几何形状、尺寸等参数的设计。
2.5高级传热流体
阿尔贡(Argonne)国家实验室正在研制一种导热纳米微粒来提高发动机冷却液及机油的导热特性。纳米流体是一种工程传热流体,通过在传统传热流体(水、乙二醇混合物和机油)中分散纳米金属微粒形成。测试结果显示,可提高40%的导热率[5]。其中,导热率为纳米材料和纳米微粒体积百分比的函数。
2.6紧凑型冷却系统CCS
对各换热器进行重新布置、设计,能够极大地影响汽车空气阻力、换热器的效率及汽车安全性。最近,关于冷却系统提出了一个新的概念:紧凑型冷却系统CCS(CompactCool2ingSystem)。跟传统的轴流式冷却系统相比,CCS系统为径流式系统(基于离心式风扇),热交换器(水散热器,中冷器及冷凝器)都布置在风扇附近(如图2所示)。与传统的轴流式系统相比,CCS系统每单位体积的性能提高了42%,噪音降低了6dB左右,同时径流式风扇功率消耗为轴流式风扇的70%,从而极大地节省了燃料消耗[6]。但是,由于发动机舱纵向空间限制,CCS系统存在着一个内在的缺点———装配困难。这种技术已逐渐受到国内外研究人员的重视,并正处于研发阶段。
2.7多用换热器
减少汽车前端的体积,可以降低汽车空气阻力、增加驾驶员的视野范围,从而提高驾驶安全性。因此,发动机冷却模块紧凑化是必然的发展趋势。但是,随着换热器尽可能的优化,换热器的装配仍然限制着换热器厚度的减少。最新提出的、具有创新性的机械式多用换热器,将车辆中的散热器和冷凝器连接成一个单一模块。假如能够巧妙设计来避免散热器和冷凝器之间的热过渡区,这种技术可以满足散热器和A/C回路冷凝器的性能要求;它也能够使该模块的气侧压降最小化,也能够极大减少装配空间及其制造费用。匹配这种多用换热器的车辆风洞实验表明:体积减少了将近30%,质量减少了5%～10%,热性能也得到了提高[7]。
2.8轻型高导热率材料散热器
奥克里奇国家实验室(ORNL-OakRidgeNationalLaboratory)开发出一种独特的石墨泡沫材料,可以极大提高传热系数。这种石墨泡沫材料密度为0.2～0.6g/cm3,导热率为40～187W/m.K。因为泡沫为蜂窝状的网形结构,接触表面积很大(>4m2/g),用石墨泡沫材料做成的散热器,其整体传热系数要比传统的散热器提高10倍以上[8]。因此,对于横截面积为48cm×69cm的汽车散热器,在具有相同的散热量的情况下,其尺寸可以减少到20cm×20cm。这样就可以减少散热器的体积、质量和费用,从而提高燃油效率。3基于仿真的汽车热管理系统由于车辆装配及式样方面的约束,限制了传统的冷却系统的性能。对冷却系统发展的要求使得必须对冷却系统进行有效的组织。同时,先进的汽车发动机热管理系统设计必须同时考虑发动机及冷却系统、润滑系统、空调系统以及发动机舱内外的相互影响,是一项巨大的系统工程。
随着计算技术的迅速发展而蓬勃兴起的计算流体力学(CFD)和计算传热学(NHT)为汽车发动机热管理的设计研究开辟了新的途径,仿真成为一种非常有效并具有潜力的手段,对热管理系统的成功开发与设计带来非常显著的作用。利用3D实体建模、有限元分析(FEA-FiniteElementAnalysis)、计算流体动力学以及工程数据库分析等工具软件,设计解决方案只需要几天而不是以前的几个星期,大大缩短了开发周期。
同传统的建造—实验方法相比,仿真具有可预先研究、无条件限制、信息丰富、成本低、周期短等一些显著特点。在AVL车辆热管理项目中,它采用了两种方式:1-D仿真系统和3-D仿真系统。在1-D仿真系统中,热管理各子系统(气体、冷却液、润滑油等管路)及各发动机热部件都以代码的形式存在,并且在车辆仿真代码控制下发生相互作用。这些控制代码也给子系统/部件提供负荷、运行条件以及气候条件等外部因素。3-D系统用来仿真气体一侧、发动机热部件和冷却液三者之间的耦合作用。在这种情形下,3-DCFD(FIRE)被连接到有限元程序(ABAQUS和NASTRAN)与热力学代码BOOST中。CFD代码也可用来研究驾驶室的热舒适性[9]。
汽车发动机热管理流动与传热仿真的数学模型为十分复杂的多维非线性偏微分方程组,在建模过程中将进行系统分解,即先暂时完全“切断”系统中各子系统(部件)间的状态关联,将热管理系统分解为若干相对简单的子系统,利用相应的基础理论,采用模块化建模方法,分别建立起各子系统的动力学模型,然后把这些局部模型综合起来,构成描述复杂热管理系统动力学过程的数学模型,开发出热管理仿真软件平台系统。发动机热管理仿真系统主要包括以下3部分:
1)热管理系统的关键部件/子系统仿真模型。
2)热管理流体网络集成仿真系统。以关键部件/子系统仿真模型为基础,考虑各部件/子系统之间的流动与传热耦合效应,对各部件/子系统进行集成综合,建立热管理流体网络系统的复杂动力学过程的物理数学模型,在FLOWMASTER(FM2)软件平台的基础上进行二次开发,建立热管理流体网络仿真系统。
3)发动机舱内外流动与传热仿真系统。
4结论
通过以上分析,笔者认为热管理系统研究重点在以下几个方面:
1)轻型高导热率材料散热器的研究。
2)紧凑型冷却系统的研究。
3)换热器系统集成化的研究。
4)电子技术在节温器、风扇及水泵控制等方面的综合应用。5)基于仿真的热管理系统的研究与开发。
汽车的热管理是一个非常重要但是很大程度上被忽略的技术领域,它影响了车辆的许多性能,包括:发动机性能,燃料经济性,安全与可靠性,空气动力性,驾驶员/乘客舒适性,材料选择,排放,维护以及部件寿命等,所有这些都要求更新发动机及车辆的热管理系统。新概念及新技术的实行面临着费用、复杂性及可靠性等困难。随着电子技术、计算机技术的发展,热管理技术会朝智能化方向发展,以满足社会对燃料经济性及排放控制的要求。
本文来源：互联网 版权归原作者所有，转载仅供学习交流，如有不适请联系我们，谢谢。
标签： 点击： 评论: