汽車熱管理研究現狀及新進展
摘要:熱管理是一種綜合技術,直接或間接影響了車輛的多種性能。車輛燃油經濟性、排放及駕駛舒適性的提高對熱管理技術發展提出了更高的要求。本文總結了國內外重型汽車當前的熱管理發展現狀,新型高效車輛熱管理系統概念,基于仿真的汽車熱管理系統,指出了這方面需要重點研究解決的問題。
關鍵詞:熱管理重型汽車仿真
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
為了提高重型柴油汽車的燃料效率和減少排放,各個國家特別是發達國家都在積極研究各種柴油機技術及相關的燃料技術。由于汽車熱管理對提高燃料經濟性和減少排放有直接或間接的影響,因此有必要對其進行研究和改善。但是相對于發動機技術的發展,熱管理技術發展相對落后。
熱管理系統主要用于冷卻和溫度控制。例如,對發動機、潤滑油、增壓空氣、燃料、電子裝置以及EGR的冷卻,對發動機艙及駕駛室的溫度控制等。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:大氣、冷卻液、機油、潤滑油、廢氣、燃料、制冷劑等。這些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 重型汽車熱管理發展現狀
汽車熱管理系統基本結構在過去的40～50年里變化不大,有些部件(冷卻液泵和節溫器)的設計基本上沒改變過。傳統的節溫器通常采用的是注蠟式節溫器,它只能在一定的冷卻液溫度(80～85°C)內進行單點控制(節溫器在85°C時開啟,80°C時關閉),不能滿足未來的冷卻系統對冷卻液流量精確控制的要求。研究表明,在25°C大氣溫度時,路上運行的負載車輛,其節溫器打開(大循環)時間僅占總時間的10%[1]。另外,因為發動機制造商僅對節溫器和冷卻液泵有具體的要求,而汽車制造商對風扇和散熱器有特殊的要求。所以,這種傳統的彼此分開的熱管理設計無法使系統最優化。熱系統設計趨于保守。汽車的可靠性與耐久性是非常重要的,為了保證汽車在任何工況和惡劣氣候條件下都能夠穩定工作,汽車熱管理系統通常都是根據極限運行工況(如標定功率工況)及環境(進風溫度40°C)進行設計的,選用大尺寸、大散熱量的換熱器。但是大部分汽車特別是大型汽車很少遇到這種極限情形,所以往往導致熱管理系統散熱能力過剩。測試表明,發動機排量為10L、標定功率為225kW的汽車,其平均功率為185kW,功率系數(平均功率與標定功率的比值)為82%;發動機排量為15L、額定功率為375kW的汽車,其平均功率為185kW,功率系數為49%[1]。
由于汽車上使用的風扇和冷卻液水泵都由發動機驅動,風量和冷卻液流量與發動機轉速成正比變化,無法對通過散熱器的空氣流量以及水溫進行精確控制,從而難以使發動機在最佳的溫度下工作,導致排放過高,燃料經濟性和發動機性能變差。
克服空氣阻力消耗了汽車相當大一部分可用功率,因此,降低空氣阻力對汽車燃油經濟性有重要影響。另外,發動機艙內流場及溫度分布對熱管理系統的性能具有十分關鍵的影響。
2 高性能熱管理系統
整個車輛熱管理系統可以分成3個主要部分:動力系統和排氣系統傳熱,發動機艙內空氣流動,駕駛室內傳熱。高性能熱管理系統必須協調這3個部分工作以滿足車輛兩大主要運行區域:車輛暖機和暖機后發動機的運行環境。一方面要迅速暖機,以減少冷啟動過程中的排放和機械損失;另一方面要在發動機穩態工況(尤其是部分負荷)下維持高溫來優化發動機熱力特性,提高燃料經濟性、動力性以及發動機、機油壽命等[2]。下面就高性能熱管理系統研究的最新技術做具體的介紹。
2.1電控水泵
傳統水泵由曲軸通過V帶或齒輪驅動,運行速度與發動機速度成正比。許多研究顯示,傳統水泵的泵水量僅在5%的時間內正確[1]。而電控水泵由電機驅動,可以對流量進行獨立控制。電控水泵由于不用曲軸驅動,安裝位置比較靈活,可以優化水泵水力特性設計,減少壓力損失。由于電控水泵可以安裝在發動機艙的任何地方,當遠離缸體這一熱源后,水泵可以用塑膠材料制成,減輕重量。同時,由于不用齒輪或者帶輪帶動,減少了V帶及齒輪對水泵軸承的循環側向負載力,降低了驅動損失[3]。另外,電控水泵根據發動機冷卻要求而不是速度來供給冷卻液流量,避免了部分負荷及高速情況下的過冷狀態,減少了不必要的功率消耗。電控水泵也可以在發動機冷啟動及暖機階段只讓一小部分流體通過,使發動機迅速達到正常溫度。
當汽車高負荷運轉停機后,由于曲軸驅動的水泵停止運行,這時會造成發動機缸體內溫度過高,影響發動機壽命。采用電控水泵,在發動機停機后仍可以工作,就可以避免這個問題。
2.2電控閥
傳統注蠟式節溫器利用可熔蠟的膨脹收縮來控制節溫器的開啟和關閉。蠟在行程內不僅有相當大的偏差,而且有一定的時間延遲。電控閥的控制系統由傳感器、伺服電機和發動機控制模塊(ECM)組成,其精度由參數控制在最佳的范圍內,控制參數不必是閥處的冷卻液溫度。電控閥的好處在于,它允許發動機設計者決定使用哪些部件溫度作為重要的控制溫度,來控制冷卻液流量。這樣的話,不再控制冷卻液溫度,而是關鍵的發動機部件溫度。
傳統的節溫器阻力很大,當流體通過時有很高的壓降。對于電控閥,可以仔細設計轉向閥,引導流體從內部旁通管流入散熱器。但是,這需要復雜的機械驅動控制或者簡單的電驅動控制。當流量為200L/min時,這種閥結構可以使閥處的壓降減少20kPa以上,相當于節省了70W的能量[1]。
2.3電控泵及電控閥系統
電控泵及電控閥與冷卻系統相結合,可以充分實現每個部件的優勢,使冷卻系統達到最優。對于具有EGR冷卻和廢渦增壓空氣冷卻(包括傳統的散熱器冷卻和機油冷卻)的可控冷卻系統,可以對發動機和發動機進氣溫度進行全面的控制。通過控制進氣溫度來控制壓縮溫度,可以控制點火延時和NOx形成。在冷啟動時,不對進氣冷卻可以減少HC排放。每個系統不受發動機轉速和負荷的影響,而作為一個獨立的模塊與車輛匹配,如圖1所示。
2.4強迫對流/核態沸騰混合冷卻
所有的內燃機基本上都采用強迫對流傳熱方式。但是,由傳熱學知識可知,核態沸騰有溫壓小、換熱強的特點,在各種傳熱方式中效率最高[4]。核態沸騰傳熱可以極大地提高傳給流體的熱量,從而降低壁溫。在核態沸騰冷卻中,冷卻圖1全面控制發動機熱管理系統液在發動機流通管道中吸熱汽化,然后在散熱器中冷凝釋放熱量。這種傳熱模式有許多優點,但必須控制膜態沸騰和蒸干狀態,避免由于膜態沸騰傳熱系數小造成的熱點區和過熱現象。可以調節冷卻液流量來控制膜態沸騰的發生。在熱負荷嚴重的情況下進行強迫對流/核態沸騰混合冷卻,強迫對流處理95%的冷卻要求,核態沸騰處理剩下的5%[5]。該傳熱方式的使用可以減小換熱器、風扇和冷卻液泵的尺寸,從而減少能量消耗。但是,為了控制臨界熱流密度,要注意缸蓋冷卻液通道的表面、幾何形狀、尺寸等參數的設計。
2.5高級傳熱流體
阿爾貢(Argonne)國家實驗室正在研制一種導熱納米微粒來提高發動機冷卻液及機油的導熱特性。納米流體是一種工程傳熱流體,通過在傳統傳熱流體(水、乙二醇混合物和機油)中分散納米金屬微粒形成。測試結果顯示,可提高40%的導熱率[5]。其中,導熱率為納米材料和納米微粒體積百分比的函數。
2.6緊湊型冷卻系統CCS
對各換熱器進行重新布置、設計,能夠極大地影響汽車空氣阻力、換熱器的效率及汽車安全性。最近,關于冷卻系統提出了一個新的概念:緊湊型冷卻系統CCS(CompactCool2ingSystem)。跟傳統的軸流式冷卻系統相比,CCS系統為徑流式系統(基于離心式風扇),熱交換器(水散熱器,中冷器及冷凝器)都布置在風扇附近(如圖2所示)。與傳統的軸流式系統相比,CCS系統每單位體積的性能提高了42%,噪音降低了6dB左右,同時徑流式風扇功率消耗為軸流式風扇的70%,從而極大地節省了燃料消耗[6]。但是,由于發動機艙縱向空間限制,CCS系統存在著一個內在的缺點———裝配困難。這種技術已逐漸受到國內外研究人員的重視,并正處于研發階段。
2.7多用換熱器
減少汽車前端的體積,可以降低汽車空氣阻力、增加駕駛員的視野范圍,從而提高駕駛安全性。因此,發動機冷卻模塊緊湊化是必然的發展趨勢。但是,隨著換熱器盡可能的優化,換熱器的裝配仍然限制著換熱器厚度的減少。最新提出的、具有創新性的機械式多用換熱器,將車輛中的散熱器和冷凝器連接成一個單一模塊。假如能夠巧妙設計來避免散熱器和冷凝器之間的熱過渡區,這種技術可以滿足散熱器和A/C回路冷凝器的性能要求;它也能夠使該模塊的氣側壓降最小化,也能夠極大減少裝配空間及其制造費用。匹配這種多用換熱器的車輛風洞實驗表明:體積減少了將近30%,質量減少了5%～10%,熱性能也得到了提高[7]。
2.8輕型高導熱率材料散熱器
奧克里奇國家實驗室(ORNL-OakRidgeNationalLaboratory)開發出一種獨特的石墨泡沫材料,可以極大提高傳熱系數。這種石墨泡沫材料密度為0.2～0.6g/cm3,導熱率為40～187W/m.K。因為泡沫為蜂窩狀的網形結構,接觸表面積很大(>4m2/g),用石墨泡沫材料做成的散熱器,其整體傳熱系數要比傳統的散熱器提高10倍以上[8]。因此,對于橫截面積為48cm×69cm的汽車散熱器,在具有相同的散熱量的情況下,其尺寸可以減少到20cm×20cm。這樣就可以減少散熱器的體積、質量和費用,從而提高燃油效率。3基于仿真的汽車熱管理系統由于車輛裝配及式樣方面的約束,限制了傳統的冷卻系統的性能。對冷卻系統發展的要求使得必須對冷卻系統進行有效的組織。同時,先進的汽車發動機熱管理系統設計必須同時考慮發動機及冷卻系統、潤滑系統、空調系統以及發動機艙內外的相互影響,是一項巨大的系統工程。
隨著計算技術的迅速發展而蓬勃興起的計算流體力學(CFD)和計算傳熱學(NHT)為汽車發動機熱管理的設計研究開辟了新的途徑,仿真成為一種非常有效并具有潛力的手段,對熱管理系統的成功開發與設計帶來非常顯著的作用。利用3D實體建模、有限元分析(FEA-FiniteElementAnalysis)、計算流體動力學以及工程數據庫分析等工具軟件,設計解決方案只需要幾天而不是以前的幾個星期,大大縮短了開發周期。
同傳統的建造—實驗方法相比,仿真具有可預先研究、無條件限制、信息豐富、成本低、周期短等一些顯著特點。在AVL車輛熱管理項目中,它采用了兩種方式:1-D仿真系統和3-D仿真系統。在1-D仿真系統中,熱管理各子系統(氣體、冷卻液、潤滑油等管路)及各發動機熱部件都以代碼的形式存在,并且在車輛仿真代碼控制下發生相互作用。這些控制代碼也給子系統/部件提供負荷、運行條件以及氣候條件等外部因素。3-D系統用來仿真氣體一側、發動機熱部件和冷卻液三者之間的耦合作用。在這種情形下,3-DCFD(FIRE)被連接到有限元程序(ABAQUS和NASTRAN)與熱力學代碼BOOST中。CFD代碼也可用來研究駕駛室的熱舒適性[9]。
汽車發動機熱管理流動與傳熱仿真的數學模型為十分復雜的多維非線性偏微分方程組,在建模過程中將進行系統分解,即先暫時完全“切斷”系統中各子系統(部件)間的狀態關聯,將熱管理系統分解為若干相對簡單的子系統,利用相應的基礎理論,采用模塊化建模方法,分別建立起各子系統的動力學模型,然后把這些局部模型綜合起來,構成描述復雜熱管理系統動力學過程的數學模型,開發出熱管理仿真軟件平臺系統。發動機熱管理仿真系統主要包括以下3部分:
1)熱管理系統的關鍵部件/子系統仿真模型。
2)熱管理流體網絡集成仿真系統。以關鍵部件/子系統仿真模型為基礎,考慮各部件/子系統之間的流動與傳熱耦合效應,對各部件/子系統進行集成綜合,建立熱管理流體網絡系統的復雜動力學過程的物理數學模型,在FLOWMASTER(FM2)軟件平臺的基礎上進行二次開發,建立熱管理流體網絡仿真系統。
3)發動機艙內外流動與傳熱仿真系統。
4結論
通過以上分析,筆者認為熱管理系統研究重點在以下幾個方面:
1)輕型高導熱率材料散熱器的研究。
2)緊湊型冷卻系統的研究。
3)換熱器系統集成化的研究。
4)電子技術在節溫器、風扇及水泵控制等方面的綜合應用。5)基于仿真的熱管理系統的研究與開發。
汽車的熱管理是一個非常重要但是很大程度上被忽略的技術領域,它影響了車輛的許多性能,包括:發動機性能,燃料經濟性,安全與可靠性,空氣動力性,駕駛員/乘客舒適性,材料選擇,排放,維護以及部件壽命等,所有這些都要求更新發動機及車輛的熱管理系統。新概念及新技術的實行面臨著費用、復雜性及可靠性等困難。隨著電子技術、計算機技術的發展,熱管理技術會朝智能化方向發展,以滿足社會對燃料經濟性及排放控制的要求。
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