发动机热管理技术
乔靖-2015520071
自从汽车产生以来，排放以及燃油经济性有关先进科学技术陆续应用到了内燃机上，汽车性能得到了明显的改善。在内燃机燃烧系统、气体热交换系统以及发动机控制系统的发展与改进方面都花费了大量的精力，为了提高发动机的性能，研究人员都在发动机及其动力总成上花费了很大的精力，收获却越来越小，成本越来越高。幸运的是，现代工业已经发现并探索出了“最后的领地”—发动机热管理。
1.发动机热管理系统概述
发动机热管理（ETMS, Engine Thermal Management System）是从系统整体角度，集成控制发动机的燃烧、增压与进排气、冷却系统和发动机舱等的传热，提高循环效率，减低热负荷，控制发动机部件高低温极限、温度分布及其规律变化，在提高发动机的冷却能力的同事，保持发动机良好的动力性、经济性、排放性能和可靠性。
应用发动机热管理系统技术，可以有效的将发动机中所涉及到的传热系统当作一个大的综合
系统进行考虑并得到发动机各个热流系统的精确的边界参数，从而对各个热流系统的温度进行精确的控制，可以保证关键部件和系统安全高效运行，控制和优化热量传递过程，减小冷却系统的尺寸和功率消耗，合理利用热能，降低废热排放，提高能源利用效率，减少环境污染。发动机热管理与传统发动机的冷却系统有着显著区别。从发动机冷却到发动机热管理，不仅是技术上的进步，更是管理、设计思想的突破。发动机热管理技术已成为发动机节能、降低排放、提高动力性、可靠性及发动机寿命的重要措施。
2.发动机热管理的研究现状
国外大公司对动力系统主要部件及热管理部件如散热器、中冷器的研究已经相当成熟，系统匹配已经综合考虑整车动力性、经济性、排放、乘坐舒适性、可靠性等，并做到了智能化管理。并且国外整车公司于发动机公司都在做这方面的工作。而在国内将发动机热管理当作一个系统来进行考虑的比较少，这方面的工作基本局限于大学，整车企业和发动机企业只是刚开始，基本停留在冷却系统研究的初级阶段。主要还是对各子系统单独考虑，并在此基础上进行一些优化。整车和发动机企业缺乏合作研究，只是各自进行匹配，进行的工作也是基于冷却角度，不是热管理的角度，一般以要求发动机冷却系不过热为目的；只
注重部件开发，不重视系统的匹配。没有能够意识到热管理系统对整车性能的影响，进而无法最合理的分配发动机所产出的能量，减少能量的无效损耗，将更多能量集中供给客车行驶；同时更好的控制发动机工作环境，延长发动机使用寿命。
3.发动机热管理系统优化
3.1热管理系统智能化控制
风扇  传统的冷却系统中采用机械驱动的冷却风扇，风扇由发动机曲轴通过皮带驱动，冷却风量取决于发动机转速并与发动机的转速成正比，而非发动机实际运行时冷却量，无法对通过散热器的空气流量进行精确控制，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。除此以外传统冷却风扇冷却调节的灵敏度不高，功率损失也很大，耗功严重，比如风扇消耗的功率可以达到发动机总功率输出的10%。为了解决这个问题就出现了自控电动风扇，电控风扇的转速能够根据冷却液温度和空气调节循环参数来调节，通过传感器和计算机芯片根据实际的发动机温度控制运行，提供最佳的冷却介质流量和风扇转速，综合调节冷却能力，减少了在低温时发动机的传热损失、功率损失、和过度磨损，抑制了发动机过热的发生，降低了噪声和燃料消耗。冷却风扇由传统控
制方式转化为智能控制方式，散热风扇的冷却能力随着发动机散热的需要而自动精确地调节，提高了发动机的预热速度，有效的防止水温过热或过冷，使其始终保持最佳工作温度，而且避免了能源的大量浪费，其中减少风扇功率消耗90%，节省燃油10%。另外，为提高冷却风扇的效率，用塑料翼形风扇取代圆弧形直叶片冷却风扇；采用翼形断面塑料和流线型风罩，在风扇气流入口形成流线形气流，可提高风扇的液力效率。综合各项措施最终使电动风扇的效率达到85%。
水泵  传统的机械驱动式冷却水泵由曲轴通过V带或齿轮驱动，运行速度与发动机转速成正比，冷却介质流量取决于发动机转速。许多研究显示，传统水泵水量仅在5%的时间内正确，无法对通过散热器的冷却介质的流量进行精确控制，从而难以使发动机在最佳的温度下工作，导致燃料经济性和发动机性能不佳。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，可以优化水泵水利特性设计，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。电控水泵根据发动机冷却要求而不是速度来供给冷却流量，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。国内郭新民等对装载机冷却系统控制装置进行了研究，利用单片机根据冷却水温度的变化调节电磁比例溢流阀的溢流量以实现
冷却水泵转速的自动调节。结果表明，低温预热时，该控制装饰可使预热时间减少50%，提高了暖机速度，预热阶段节约燃油43%。1999年Valeo公司提出了在发动机配置新型电子调节系统，来改善发动机的冷却性能。它实现了水泵和缸里的分离，泵的流量和通风装置都通过发动机的ECU来进行调整和控制，便于水泵的安装，而且远离缸体这一热源后，水泵可以用塑料制成，既降低了成本，又减轻了水泵的重量，达到了水泵的转速随水温的变化而变化，进一步降低了传热损失和机械损失，降低了污染和油耗的目的。Stepanoff曾提出高效离心水泵和轴流水泵的设计理论，通过改变叶轮形状、提高表面光洁度，能使发动机冷却水泵的效率提高到75%。日本尼桑公司基于这一理论制造出了一种水泵，通过减小会泵的结构尺寸，该公司又通过增加叶片数目、改进叶片曲线设计，使水泵最大效率达到了75%。
节温器  节温器功用是根据冷却水温度的高低自动调节进入散热器的水量，改变水的循环范围，以调节冷却系的散热能力，保证发动机在合适的温度范围内工作。节温器是内燃机冷却系统中控制冷却液流动路径的关键零部件，但是目前绝大多数的节温器都采用石蜡作为感温介质，其存在“相应延迟”和“滞回特性”，无法满足冷却系统精确控制的要求，致使发动机的燃油消耗增加，使用寿命缩短。为了进一步的提高发动机的冷却效率，电控节温器应
发动机预热运而生。电控节温器的控制系统有传感器、电机和控制模块组成，可以根据冷却液温度或者发动机部件温度来控制冷却液流量。当发动机运转时，控制单元根据传感器信号得出的计算值对温度调节单元加载电压，通过对加载电压大小的控制来控制石蜡的溶解速度，进而有效精确快速的控制大小循环的开度，使发动机各个部件始终处于最佳的温度范围，以提高燃油的燃烧效率，增加进气量，减少磨损，延长发动机的使用寿命。1997年，美国Oakland大学的X-ZHOU和B.CAHLON等人引入带迟滞的延时差分方程来描述节温器在发动机冷却系统工作过程中的动态特性，并且给出了该模型数值解的算法。2002〜2006年，美国Clemson大学John R.Wagner等人开展了发动机冷却系统智能节温器的研究。他们釆用伺服电机驱动齿轮和螺杆，然后再将螺杆的旋转运动转化成活塞（阀芯）的伸缩运动，从而实现对冷却液大小循环通道的切换。2009年，T.Mitchell等人比较了在暖机工况下4种不同类型的节温器布置方式对发动机冷却系统性能的影响。他们在釆用石蜡节温器、电动两通阀、电动三通阀和不安装节温器4种情况下分别进行了发动机暖机实验。他们的研究认为：釆用电动三通阀这种形式，在发动机暖机时间和燃油经济性方面的性能最好。2004年，清华大学罗建曦，张扬军等人分析了节温器对发动机动态性能的 影响，他们指出：节温器的非线性动态特性与系统延迟效应相互作用，导致发动机热系统动态特性复杂。当节
温器延迟时间短、温度偏移量小、节温器振荡弱时, 发动机进口温度波动小，稳定所需时间短，调节效果好。
3.2热管理系统部件优化
冷却水套 冷却液流量、压力以及合理的流场分布都直接影响发动机的冷却效果。发动机通过水套将热传递给了冷却系统，水套设计是否合理是关系到发动机冷却效果的最关键因素。合理的水套结构首先要保证水套壁厚的均匀性，壁面由于水套壁面厚度的不合理分布所造成的发动机某些区域热应力过大的情况发生；其次，要保证水套型腔的合理性，使得冷却液在水套中能够正常流动，不会出现流动的死角，造成发动机某些部位过热；除此之外要保证发动机各个部位的分水量要合理，发动机各气缸燃烧室的壁面温度尽量一致。改进发动机冷却水套结构，寻求合适的流场分布，可以改善发动机的热负荷和热应力，防止发动机部件损坏，提高发动机零部件的使用寿命、发动机功率及燃油经济性。Couetouse H.等人在1984年提出了分流式系统的设计，即汽缸盖和汽缸体有不同的冷却回路，适合气缸盖和汽缸体具有不同的温度。这是由于较低的气缸盖温度有利于进气和改善排放，而较高的气缸体温度则有利于降低摩擦损失，改善燃油经济性。分流式冷却水套系统的优势在
于使发动机各部分在最优的温度设定点工作，达到较高的冷却效率。实验结果表明，将流向气缸盖的冷却液温度降为50℃，而流向气缸体的冷却液温度为80℃，可使压缩比从9提高到12，能够实现部分负荷状态节油5%、怠速节油7%、满负荷时的功率输出提高10%的目标。Clough M.J.早在1992年提出了“精确冷却”的概念，即利用最少的冷却以达到最佳的温度分配。精确冷却系统的设计关键在于确定冷却水套的尺寸，选择匹配的冷却水泵，保证系统的散热能力能够满足发动机低速大负荷时关键区域工作温度的需求。研究表明，采用精确冷却系统，在发动机整个工作转速范围，冷却液流量可下降40%。精确冷却的潜在优势在于加快暖机速度、减少热应力和热量损失。降低摩擦系数和冷却水泵功率消耗，提高平均有效压力和抗爆性。Clough对四气门汽油机的气缸体和气缸盖进行改造，实现精确冷却，使得水套容积减少64%，水泵功率消耗减少54%,暖机时间也减少18%。无论是精确冷却系统还是分流式冷却系统，都要求对发动机冷却水套进行必要的改进以优化冷却液流动。从设计和使用角度看，分流式冷却和精确冷却相结合具有很好的发展前景，有利于形成理想的发动机温度分布，满足发动机对未来冷却系统的需求。
3.3热管理系统材料多元化
目前，热管理系统材料比较单一，散热器材料通常为铜、铝及、铝合金，冷却介质主要是水和乙二醇混合物。传统散热器的设计方法已经趋近极限，因此急需一种全新高效的冷却理念来实现冷却性能的改善。
3.3.1 纳米流体
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。阿尔贡（Argonne）国家实验室正在研制一种纳米微粒来提高发动机冷却液及机油的导热特性。测试结果显示，可提高40%的导热率。Leong等采用纳米流体作为发动机的冷却液研究发现，总传热系数和传热率比仅用基液乙二醇有较大提高，在散热器空气侧和冷却液侧的雷诺数分别为6000和5000时，加入2%的铜纳米粒子使散热器传热增强了3.8%,由此可估计空散热器的空气迎风面积减少18.7%。与此同时，纳米流体在发动机冷却系统的应用可以将重型汽车的冷却系统的尺寸和重量减小10%，因此发动机的燃烧效率将会提高5%。采用纳米流体还可以使用承受较高温度的冷却液，减少热损失。这种高温散热器的应用将散热器的尺寸减小30%，由此可以减小空气流动阻力、减少冷却液的流动损失以及驱动风扇的损失，可以节省约10%的油耗。图4给出了不同纳米流体（金属微粒和氧化物微粒）导热率比值k/k。（k。为乙二醇导热率）和纳米微粒体积比的关系。
3.3.2 石墨泡沫材料
    奥克里奇国家实验室（ORNL-0ak Ridge National Laboratory）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40-187/m.K。因为泡沫为蜂窝状的网状结构，接触表面很大（>4㎡/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。
Klett等用石墨泡沫材料做成一个22.9cm x 17.78cm x 15.27cm的换热器（散热器），安装在588kW的V8赛车发动机上，替代原有的68.6cm x  48.3cm x 7.6cm 散热器。在车速为290km/h,水温99.4℃的稳定工况条件下，冷却水流量仅为57.5L/min，风扇空气流量仅是原来的2.3%。其整体传热系数要比传统的散热器提高10倍以上。因此对于横截面积为48cm x 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 x 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。