王俊豪，胡志刚

（1.四川省成都市西华大学，四川 成都 610039；2.四川省绵阳南山中学，四川 绵阳 621000）

引言

一般小轿车、SUV和商用汽车车辆整体较为紧凑，发动机舱空间相对狭小，部件布置较为紧凑，使得其中空气的流动变得缓慢，热量和温度提高较快。当发动机舱空气流动性不好时，发动机所产生的热量很难有效挥发，机舱温度较高会影响到发动机空调系统、冷却系统、润滑系统等性能，进而影响到汽车正常运转，使得驾驶员在行车中可能会面临一定的安全隐患。

1 发动机热管理的基本原理

为了解决发动机舱空气温度高、流动性不好的难题，有效提升汽车运转中安全性，保证动力稳定输出，汽车科研者提出了发动机热管理的理念，注重采取新的方法和技术来保障发动机效率和传动系统稳定运转，以保障综合性能的效率。一般来说，在发动机管理中需要注意冷却系统、润滑系统等，通过热管理来减少汽车燃油消耗和污染气体排放，提升发动机运转质量和效率。

1.1 冷却系统

发动机是汽车动力来源，为汽车提供前进中的动力和车载电子设备的能量，保障车辆平稳前行。在发动机工作时，燃油和空气在发动机缸内燃烧后产生大量的热，其中一部分被排气所带走，还有一部分会导致发动机内部各零件和润滑系统温度提升。根据相关研究统计，发动机燃烧放出的热量有三个去向：三分之一热量转化为输出功、三分之一热量转化为排气、三分之一热量被冷却系统带走。发动机的冷却系统冷却液降低发动机缸内温度，让汽车系统中各个部件温度和机油温度保持在适度范围内，更好地保障发动机温度平稳运转。

一般来说，冷却系统水泵分为机械驱动和电子泵。机械驱动方式中，发动机带动皮带轮直接驱动，冷却强度由转动速度直接决定，当发动机处于高速运转状态时，实际散热需求与机械驱动散热强度不匹配时会造成冷却系统功率的消耗，同时，机械式冷却系统会带走大量有效功，影响到发动机运转效率。

科技快速发展，传统机械式驱动逐渐被电子泵、电子风扇等电子设备所代替，在冷却系统的指引下，温度传感器把实时温度传递给车内微机系统，由计算机来进行实时计算后控制水泵转速，确保流却介质流量在最佳范围内，实现了精准化、智能化控制，达到了车辆运行的最优化状态。采取电子方式控制的发动机，以合理控制策略、精准控制时间来降低汽车油耗，让汽车发动机处于最佳运行状态。

1.2 润滑系统

润滑系统是汽车整体系统的重要组成部分，润滑系统工作质量好坏直接关乎到汽车运行中的质量，保证车辆发挥好最优性能。很多人眼中，汽车部件看起来较为光滑，但微观情况下依然存在着一定粗糙度，当部件间存在相对运动时运动件间会存在一定摩擦力，而润滑油则是保证部件顺利运动的物质。润滑系统任务是把足量的润滑油供给到汽车整个系统各个部件，减少零件间因相对运动而产生的摩擦，降低零件损耗，保证发动机等核心部件顺利运转[1]。

润滑系统工作时，汽车部件运转带动润滑油形成油膜，减小摩擦力，降低振动影响，避免汽车运行中的潜在问题。在降低摩擦力的同时，润滑系统另外一个功能就是通过循环来带走因摩擦而产生的热量，对发动机进行冷却后来延长使用寿命。

在润滑过程中，润滑油温度对性能有着较高影响，温度过高时黏度有所下降，很难在机械部件表面形成油膜，经过高温后会加速老化，缩短机油使用寿命。开发管理中要注意润滑油的性质及临界温度，确保选择合适品种的润滑油。很多车型在研发中会采取与发动机缸体换热或对机油底壳进行冷却的方式来保障冷却系统的平稳运行，提升润滑油使用寿命。

综合来看，润滑系统的作用表现在润滑、散热等方面，系统如果不能正常运行必然会影响到发动机性能的表现，影响汽车正常运行。

1.3 热管理的实验与模拟方法

热管理实验是在实验室环境下依据国家或企业的标准，根据汽车工况的不同来进行实验，检测得到制造的样机数据来进行优化，为后续车辆流程化制造提供数据支撑和指导。整车热试验一般分为空调降温实验、整车热平衡实验、采暖除雾实验等，通过实验来做到车辆整体平衡。

以往汽车开发过程中，发动机舱热管理一般采用实物实验方法，导致实验周期长，耗费大量人力和物资，数据不够精准。近些年来，计算机模拟成为热管理实验的主流，软件数值模拟在研究方面取得了很大进步，为热管理开发及性能优化提供了新途径。车辆开发的前期，研发人员利用模拟软件STARCCM+来建立模型、输入参数来模拟汽车外部流场、发动机舱内流场等情况，计算得到与真实数据相差不大的数值，直观地避免设计中可能出现的缺陷。

仅有数值模拟并不够，还要结合实验数据来进行综合分析。三维模拟计算得到的温度和流动场如果得不到数据验证和支持很难表明是否正确，结合不同条件下实验数据来得到真实情况与数据模拟进行匹配，为车辆开发提供优化策略。

2 冷却系统组成

冷却系统是汽车系统的重要组成部分，一般是由散热器、风扇、冷却水泵等多个部件组成。

散热器性能直接决定着出水温度的高低，质量高低关乎着冷却系统好坏，因此必须予以高度重视。散热器芯体材料分为铜芯和铝芯两种材质，但是铜芯制作工艺影响到散热性能，不如铝芯散热器好，加之铜材料成本高，车商大多采用铝材质作为芯体。从芯体结构形式来看，散热器分为管片式、管带式，两种形式各有优势，管带式成本低，工艺简单，但强度不如管片式且冷却介质流阻较大，车辆散热器往往采用管片式[2]。

冷却风扇是汽车冷却系统的一个重要部件，风扇正常工作能够迅速降低发动机舱温度，加快气体流动速度，保障空调系统正常运转。根据风扇方式一般分为机械风扇和电子风扇，机械式风扇会消耗发动机相当部分热量，但其中有一种液压驱动式风扇能够避免上述缺陷，以液压油为工作介质实现无极调速，具有可靠性高、安装灵活、对发动机冲击小等优势，但也存在着成本高、结构复杂等问题，在实际中很少应用。目前，使用最多的一种风扇是电子驱动式风扇，由ECU所控制，理论上根据散热需求来实现对风扇的无极控制，国内外研究者研究发现电子驱动风扇能耗非常小，但价格要比机械式驱动贵，整体应用范围和车型较多。

冷却水泵为冷却液流动提供动力，保证冷却回路中循环流动。根据驱动方式不同分为机械式和电子式。大多数车辆往往采取电子泵，动力是由直流电源提供，根据不同工况由ECU进行控制，更好地推动水泵转动、开启或关闭。电子泵运转根据不同工况来进行实时控制和调节，有效控制冷却液流动，避免冷却系统过冷、过热，减少不必要的功率消耗，提升控制效率和质量。

此外，冷却系统的性能并不是单一部件间集合，而是所有部件集合在一起后的综合性能，需要根据实际发动机工况来进行控制。同时，电子器件变多趋势，很多车载装置需要散热，整个汽车冷却系统会变得越来越复杂，控制策略需要更加精准、精确，确保整个冷却系统平稳运行。

3 汽车冷却系统的仿真概括

发动机冷却系统仿真模拟软件成为了各个车企研发中的重点，需有效降低管理和实验成本，提升研究效率和质量。目前，FLOWMASTER软件广泛应用于冷却系统仿真之中，精准地分析热管理系统，缩短整车设计实践和费用。在软件应用中，研究者需要建立模型，输入参数，利用求解器来求解出模拟结果，再与实验进行验证和匹配[3]。

在仿真建模中，工程师要结合冷却模块，简化真实冷却系统，布置出关键部件来优化冷却方案，满足热平衡实验要求，结合模型参数来输入运算数据，通过设置汽车工况来计算出模拟数值。在得到数值后，发现温度较高部件或位置，调整参数设计来优化风扇转速、冷却液温度等，让整个汽车冷却系统在优化后更好地工作。

4 整车热平衡系统的实验概述

发动机舱热管理设计不仅需要数值模拟，还要有实验来予以验证，以实验方式真实反映发动机舱温度和流场分布情况，抓住引发温度过热的关键因素，为发动机整体布置做出指导。整车热平衡实验设计出不同工况、不同条件来观察机油温度、散热器出水温度等关键指标，找到整车热评和性能，布置传感器设计出实验数据采集点得到数据，验证模拟值是否符合要求。结合整车热平衡实验来为关键部件如散热器、风扇等参数选型提供参考，帮助工程师来优化车辆设计，更好地达到设计要求。