论文：现代车用发动机冷却系统研究进展
摘要:简要分析了发动机冷却系统的发展现状、影响因素及存在的问题;介绍了目前国内外前沿的发动机冷却系统的设计理念和研究方法,如智能化电控冷却系统、精确冷却理念、分流式冷却、空气侧流动和发动机热管理研究等;展望了现代发动机冷却系统实现高效低耗的目标,指出采用电控冷却部件实现精确冷却和分流式冷却的有效整合是行之有效的手段,而整车热管理研究势必会成为全面提高冷却系统性能的主要方法。
关键词:汽车发动机;冷却系统;智能控制;发展趋势预测。
引言:随着现代车用发动机采用更加紧凑的设计和更大的单位体积功率,强化程度越来越高,发动机产生的热流密度也随之明显增大,目前几乎所有的发动机强化都面临着如何解决高功率密度下的冷却及热平衡问题,在满足不断提高的输出功率的同时,又要具有良好的经济性。此外,日益严格的排放标准也对冷却系统提出了新的要求。冷却系统工作性能的优劣,直接影响着动力系统的整体性能。开发高效可靠的冷却系统,已成为发动机进一步提高功率、改善经济性所必须突破的关键技术问题。因此,采用先进的冷却系统设计理念,对柴油机冷却系统进行深入研究具有十分重要的实际意义。
1.影响发动机冷却系统的因素以及目前存在的问题
水冷式发动机通常采用闭式强制循环冷却系统,主要由冷却水套、水泵、风扇、散热器、节温器、循环管路等组成。由于组成冷却系统部件众多且结构复杂,加上发动机运行工况的多样性,其影响因素也是多方面且错综复杂的。总体来说,影响冷却系统的主要因素主要有循环冷却水量、冷却空气流量、冷却水道结构和散热效率。
循环冷却水量和冷却空气流量主要由散热量决定。对于诸如发动机燃烧室等严重受热的零部件以及一些关键的区域,循环水量的控制就显得尤为重要,这不仅与水泵的特性、冷却水套结构密切相关,同时还与冷却水水温有关,因为冷却水高温沸腾产生的气泡阻力对循环水量有着显著的影响。空气流量主要与风扇直径、转速、叶片形状、流阻特性、水箱与风扇叶片相对位置以及机舱背压等因素有关。合理而有效的冷却水道结构能减少流动过程的涡流、节流等损失,提高关键区域流速的同时避免非关键区域的过度冷却,从而大大提高冷却效率。散热效率则主要与散热器、中冷器等主要散热部件有关,要求散热器具有足够的散热面积。以上几个因素并非孤立的,而是相互影响和相互制约的,需要综合考虑。目前,高功率密度的增压柴油机由于热负荷和热应力过高,依然存在关键区域冷却不足、零件热疲劳失效、过热产生裂纹等问题。发动机冷却系统冷却过度和冷却不足都会造成发动机可靠性下降,零部件磨损加剧,热量不平衡等问题,影响发动机的动力性和经济性。因此,现代发动机的冷却系统要求能满足各种工况下运转时的散热需要,保证关键区域具有足够的冷却,又要降低整机的散热量,减小对冷却系统的散热要求,提高能量利用率,使发动机具有良好的经济性。
2.现代发动机冷却系统研究现状及发展方向
由于冷却系统对发动机性能的影响日益显著,通过对冷却系统的不断改进来提高发动机性能已成为一种有效的手段。对柴油机冷却系统的研究有两个方面:一方面是以提高冷却效率为目的的系统本身的研究,包括系统各缸水流分布、各部件结构设计、冷却散热系统合理匹配、系统控制等,称为外冷却研究;另一方面是研究冷却系统关键零部件的热负荷及其可靠性,它更注重研究固—液耦合问题,称为内冷却研究。目前,发动机冷却系统的发展趋势主要有以下几个方面。
2.1冷却系统的智能化和可控化
目前,大部分发动机冷却系统仍属于传统的被动系统,只能有限地调节发动机和汽车的热分布状态。但随着电子技术和计算机技术的飞速发展,电控零部件技术成熟,冷却系统的智能化和自动化成为可能。
传统的冷却系统中采用机械驱动的冷却水泵和冷却风扇,冷却介质流量取决于发动机转速,而非发动机实际运行时冷却量需求,显然无法实现对发动机水温在全运行工况内的合理控制。此外,这些部件耗功严重,比如风扇消耗的功率可以达到发动机总功率输出的10%。采用电子驱动及控制的冷却水泵、风扇、节温器等部件,可以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,实现冷却系统部件的智能化和可控化,同时降低能耗,提高效率。
ElenaCortona等人开发出的电动冷却系统中,除了用电动冷却水泵取代传统机械冷却水泵,同时还用电控智能节温器取代传统的节温器,并开发出与这些电动部件相应的优化控制策略。通过台架试验对比研究发现,在冷机起动的情况下,新的冷却系统能够显著缩短暖机时间,大大提高暖机温度。另外,智能节温器对冷却液的良好控制允许冷却系统有较高的出水温度。在相同的配置和冷却要求下,电动水泵的能量消耗仅为机械水泵的16%,即使考虑到电能的转换效率只有机械能效率的一半,整个冷却系统的能量消耗仍可降低2/3左右,优势十分明显。HoonCho等人用电控冷却水泵取代传统机械水泵,利用试验和模拟对比分析发现,通过控制水泵转速并提高电控水泵效率,功率消耗降低量超过87%,若将水泵转速提高至最大值时,可降低散热器尺寸超过27%,对提升发动机性能和燃料经济性潜力很大。
ValeoEngineCooling公司较早开发出了一种可变速冷却风扇发动机,其风扇速度能根据冷却液温度和空气调节循环参数来调整,从而能够降低噪声和燃料消耗。国内郭新民等人对汽车智能化声明,这对于提高发动机的热效率等很有帮助。
2.2发动机冷却介质流动的合理组织
发动机的冷却介质主要包括水腔内冷却液和空气侧冷却空气。
2.2.1水腔内冷却水流动的组织
闭式强制循环冷却方式中,水腔内冷却水流动的组织是直接影响冷却效果的主要因素。改进发动机冷却水套结构,寻求适当的冷却水流量、压力以及合理的流场分布成为高强化发动机研究开发中不可缺少的重要环节。
CloughM.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%。尤其适用于机体内纵向流动的精确冷却,体现在冷却水套的结构设计与冷却液流速的设计中。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。由于抗爆性的改进和铝制气缸盖的广泛应用,因此相比柴油机而言,精确冷却更适合于汽油机。
CouetouseH.等人提出分流式冷却系统的设计,即气缸盖和气缸体有不同的冷却回路,使得气缸盖和气缸体具有不同的温度。发动机理想的工作状态是气缸盖温度低而气缸体温度高,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。研究表明,该系统可使两者温度相差约100℃,气缸体温度可高达150℃,而气缸盖温度可降低约50℃,减少摩擦损失,降低油耗。较高的气缸体温度使油耗降低4%～6%,在部分负荷时HC排放降低20%～35%。节气门全开时,气缸盖和气缸体温度设定值最大可调50℃和90℃,从整体上改善燃油消耗、功率输出和排放。
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要求。
2.2.2冷却液流动的研究
目前,对冷却液流动的研究手段主要为试验研究和计算机数值模拟研究。在试验研究方面,朱义伦等人采用激光多普勒测速仪(LDV)对发动机气缸盖冷却水流动进行测量,得到冷却水在平行于气缸盖与气缸体接合面的二维流场;王书义、屈盛官等人则利用流动显形法得到冷却水流动的二维流场,通过研究二维流场以改进水腔设计。由于冷却液流动的复杂性以及试验研究的局限性,加上计算机软硬件水平的极大发展,采用计算机数值模拟研究复杂结构水腔内流动特性逐渐成为一种重要而有效的研究手段,其中CFD分析技术和有限元(FEA)耦合分析技术被广泛应用于冷却液流动的研究。目前流行的大型CFD商业软件有FLU2ENT,STAR—CD,FIRE等,应用其进行发动机冷却水套分析的技术已日益成熟,也取得了不少成果。相对传统的分析技术,CFD分析技术具有研究简便、周期短、成本低、收效好等优点。
但由于模拟精度的问题,CFD模拟也存在某些缺陷,必要的试验研究还是必不可少的。研究表明,CFD软件对平均流速的预测效果非常好,但是对湍流强度的预测却往往低估近30%。要对产品进行更全面地分析,提高分析精度,进行流固耦合计算是必不可少的,为了精确预测固态金属温度场还要进行更深入地研究和改进。
2.2.3空气侧冷却空气流动的组织
冷却水从发动机机体带走的热量主要通过散热器排入大气中,增压发动机还需要利用冷却空气对增压空气进行中冷,因此,车辆迎风空气侧冷却空气流动的组织在很大程度上制约着冷却水冷却效果,同时也影响发动机的工作性能。
BernhardUhl等人利用自主开发的一维模拟软件对空气侧整体进行一维模拟,将得到的冷却液质量流量、散热器进口温度等结果作为边界条件,用自主开发的换热器分析程序与商业三维CFD软件进行耦合迭代计算,得到空气侧整体的三维流场速度分布和散热器表面局部流场的速度分布情况。同时还进行了空气侧台架试验和整车空气侧的风洞试验,在散热器两侧的表面嵌入均匀分布的压力传感器,对散热器表面局部压损进行测量,然后利用散热器本身的性能曲线换算得到其表面局部实际的速度分布情况。在较宽广的工况范围内,通过对比和整车风洞试验修正,模拟结果和试验结果吻合较好。研究发现,台架试验和风洞试验得到的结果基本相似,空气侧部件的几何特性以及各部件之间的空间布置对空气流速分布的影响十分显著。这种研究手段可以得到较精确的空气流动分布情况,但是没有对局部空间热流分布和表面温度分布情况进行研究。
由于空气侧部件空间安装分布对空气流动和温度分布影响显著,故关于空气侧部件空间布置的研究也较多,风扇是研究的焦点。针对传统的中冷器—散热器—风扇布置顺序的冷却模块(CRFM),Delphi汽车公司提出了新的中冷器—风扇—散热器布置顺序的冷却模块(CFRM)概念,即将风扇置于中冷器和散热器之间。在相同的运行条件下,CFRM能显著改善空气侧的温度分布,CFRM的空气流量较CRFM高16%。这是因为风扇置于散热器前,较低的进风温度保证了较高的空气密度,通过散热器的空气流量增大。当然,CFRM中风扇的耗功相应的也比CRFM稍大。但是,进一步的研究发现,在保证风扇提供相同的质量流量的前提下,CFRM所需的风扇转速要远远低于CRFM,风扇转速降低使得CFRM可以节约19%的风扇耗功,优势十分明显。
NgySrunAP等人甚至提出取消冷却风扇,在车厢加热器处加装风机的方案。通过对比研究发现,该方案在高车速时效果较好,因为高车速时风扇的存在对散热器的冷却风量有干扰;在中低速行驶和全负荷运行时,冷却效果不佳,但是可以通过车厢加热器和风机将散热器多余的热量带走,冷却性能与传统带风扇的冷却系统大致相同。车厢加热装置还安装了特殊设计的风门,实现冬季车厢取暖、夏季车厢换气以及前述附加散热的功能。该方案能降低成本达30%,质量减轻达30%,对不带空调的车辆,尤其是对以降低成本为目标的小型车辆意义重大。
2.3发动机热管理技术研究
对于单独的冷却系统主要研究的是发动机冷却部件的散热情况,而发动机热管理则涉及发动机全系统及整车。将冷却系统研究整合到发动机热管理中,能充分考虑冷却系统对整车性能的影响,将冷却系统的效率提高至最理想值,最大限度地发挥冷却系统的功用。
发动机热管理技术被列为美国21世纪商用车计划的关键技术之一,对提高整车性能潜力巨大。发动机热管理系统的目标是提高燃料经济性,降低排放,增加功率输出和车辆载重能力,降低气动阻力损失和车辆维护费用,提高可靠性以及车辆对环境的适应能力。主要从以下方面实现:采用计算机芯片控制发动机温度,应用强迫对流和核态沸腾传热相结合的冷却机制,使用先进有效的传热介质,增加换热量,采用更加轻巧的高导热率材料制造的换热器,对发动机机舱底部空气流动进行管理,进行余热储存,优化散热器及风扇的设计和布置,废热循环及再利用等。
计算模拟研究由于在时效性和成本上优势明显,已成为发动机热管理研究的主要手段。ChadLehner等人利用VECSS程序开发出了一套用于重载柴油机的热管理系统。该系统由一台计算机控制的可变速冷却水泵、一个位置可控制的自动调温器以及基于该模型的控制策略组成,利用可控制流动系数的反馈控制的散热器能实现对发动机局部固态温度和冷却液温度的优化控制。在较宽广的车辆运行工况范围内,该系统能使重载柴油机获得令人满意的和恒定的发动机温度,此外,通过系统模拟和试验证实,该系统能有效降低水泵和风扇的功率消耗。
AlanBerry和JoeSteiber等人利用车辆性能分析软件RAPTOR和商业软件FLOWMASTER2进行联合模拟,由RAPTOR计算出排热,并传输给FLOWMASTER2中的发动机冷却系统,计算出冷却液的循环温度并再次反馈给RAPTRO模型,从而精确地实现性能和燃料经济性的预测。近年来在发动机热管理方面的仿真研究较多,大部分是利用多个软件进行一维和三维耦合模拟计算分析。在三维模拟研究方面,用三维CFD计算冷却水套的对流换热系数及缸内近壁面平均气体温度和气体的对流换热系数,用ABAQUS/MSC,NAS2TRAN,Patran组成的有限元分析模块计算发动机固体结构中的温度分布,气—固—液互为边界条件,计算数据自动在这些软件之间进行互传直至计算达到收敛值。三维模拟既可以研究发动机动力部分的热变化情况,同时还可以对机舱底流及乘客舒适性进行精确模拟,能够得到整个车辆的局部温度及速度的详细信息。
实际模拟研究表明,通过耦合计算,可以得到一些关键区域的变化情况,从而提高了边界条件的利用效率,进而可以得到更加精确的计算结果。当然,在热管理系统的模拟研究中,模型的建立和验证离不开相关的试验研究。
需要指出的是,作为发动机热管理技术重要组成部分的发动机热平衡研究,实际上是对发动机稳态运行状态的热管理初始研究,即得到发动机热系统各部分的热流分布情况,主要包括冷却液热流、机油热流、排气热流,从而为进一步的冷却部件优化指明方向。目前,研究发动机热平衡的主要手段包括试验研究和模拟研究。试验研究虽然过程繁杂,需要测量冷却液流路、油路、气路相关部件处的温度和流量等数据,对测量仪器的要求较高,周期长、花费高,但是由于其真实可靠,是热平衡研究必不可少的研究手段,同时对整个发动机的热管理研究意义重大,依然得到研究人员的重视和应用。模拟研究由于优势明显,成为目前发动机热平衡研究的主要手段,同时也是发动机热管理仿真模拟研究的主要内容。
3.结束语
传统冷却系统存在的问题随着发动机整体性能的提高变得越来越突出,充分利用发动机现代设计技术寻求对冷却系统的冷却机理、控制和研究开发手段的改进是冷却系统发展的必然趋势。纵观目前现代发动机冷却系统的发展方向,从设计的有效性和实用性方面来看,冷却介质的流动优化是改善冷却系统的关键。使用电控冷却部件实现精确冷却和分流式冷却的合理整合,使得发动机在低温的气缸盖和高温的气缸体条件下运行,能最大程度满足逐渐提高的冷却系统性能要求,具有十分理想的应用前景;而冷却系统的智能化和可控性是冷却系统发展的目标。然而,要想真正完全发挥冷却系统的功用,将所有影响发动机冷却性能的环节整合起来,进行发动机热管理研究是必不可少的,其研究手段和方法势必会逐渐成为发动机冷却性能研究的主要方法,对全面提高发动机整体性能意义重大。
总之,只有对冷却系统各个环节进行深入地研究,多方面寻求提高冷却性能的有效途径,合理利用和发挥各个方法的潜在优势,才能实现冷却系统的高效化和低耗化,进而从整体上提高发动机的性能。
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