摘    要   

更嚴(yán)格的聯(lián)邦排放法規(guī)和燃油經(jīng)濟(jì)性要求促使汽車行業(yè)向更復(fù)雜的車輛熱管理系統(tǒng)發(fā)展，以最佳地利用廢熱并最小化整體功耗。隨著所有新技術(shù)和要求的出現(xiàn)，如何正確設(shè)計、優(yōu)化和控制車輛熱和冷卻系統(tǒng)成為汽車工程師面臨的巨大挑戰(zhàn)。在這一背景下，基于模型的方法已經(jīng)成為設(shè)計新型熱管理系統(tǒng)架構(gòu)和評估最佳系統(tǒng)解決方案的關(guān)鍵步驟。本文將探討如何利用分析和經(jīng)驗數(shù)據(jù)開發(fā)基于模型的車輛熱系統(tǒng)仿真工具，并詳細(xì)說明這些工具是如何被應(yīng)用于新型熱管理系統(tǒng)架構(gòu)的評估與開發(fā)之中。

01  前    言 

車輛熱管理系統(tǒng)扮演著雙重關(guān)鍵角色：加熱與冷卻。設(shè)計一個高效的熱管理系統(tǒng)的目的在于精準(zhǔn)調(diào)控車輛的動力總成和傳動系統(tǒng)溫度，確保其運行在最佳狀態(tài)，以實現(xiàn)最高效率。加熱功能在車輛啟動初期或寒冷氣候條件下，它不僅確保了車內(nèi)的舒適度，還迅速提升了動力總成的溫度，有效降低了發(fā)動機(jī)與傳動系統(tǒng)因摩擦造成的能量損失。而冷卻功能在高溫環(huán)境下尤為顯著，尤其是在車輛拖曳拖車爬坡時，冷卻系統(tǒng)通過排除發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的過量熱量，防止了過熱、沸騰和流體溫度的劇烈波動，從而保護(hù)發(fā)動機(jī)不受損害，并延長了車輛的使用壽命。典型的車輛熱管理系統(tǒng)需要管理三種模式：寒冷條件下的加熱模式，當(dāng)流體溫度接近熱狀態(tài)時切換到冷卻模式，以及加熱和冷卻之間的過渡模式。因此，車輛熱管理系統(tǒng)的設(shè)計具有以下三個目標(biāo)：

• 能夠在高負(fù)荷和高環(huán)境溫度下進(jìn)行冷卻。

• 在寒冷環(huán)境中主動并迅速升溫，以獲得最佳的動力總成效率。

• 優(yōu)化熱控制，以實現(xiàn)最佳的氣動阻力，防止發(fā)動機(jī)爆震，提高油品耐用性，并在正常駕駛條件下最小化功耗。

02 車輛熱管理系統(tǒng)及其演變

傳統(tǒng)上，車輛冷卻系統(tǒng)只關(guān)注冷卻功能，系統(tǒng)被設(shè)計為使用如石蠟式恒溫器和ON/OFF類型的冷卻風(fēng)扇等設(shè)備對冷卻液溫度進(jìn)行反應(yīng)性或被動控制。燃油經(jīng)濟(jì)性通常不考慮或不是優(yōu)先考慮的?，F(xiàn)代熱管理系統(tǒng)可能包括各種新技術(shù)，如主動格柵百葉窗（AGS）、可變冷卻液流量控制裝置、變速控制冷卻風(fēng)扇、主動加熱裝置用于發(fā)動機(jī)油和傳動油，以及最優(yōu)的軟件控制策略，以最佳地利用廢熱并最小化整體功耗。隨著這些新設(shè)備和技術(shù)的出現(xiàn)，如何正確設(shè)計和控制車輛熱和冷卻系統(tǒng)成為汽車工程師面臨的巨大挑戰(zhàn)。圖1顯示了一個近期的車輛熱管理系統(tǒng)，適用于汽油或柴油發(fā)動機(jī)。根據(jù)動力總成或車輛架構(gòu)，它可能具有較少或更多的熱特性。新的熱特性包括但不限于：

主動格柵百葉窗（AGS）

AGS是一種前端格柵開口調(diào)節(jié)裝置，其葉片角度旋轉(zhuǎn)由步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行器激活，這將增加或減少拉力冷卻空氣流量，并增加或減少車輛阻力系數(shù)（Cd）。AGS可以是全開/全關(guān)狀態(tài)的裝置，或具有5到10個位置的可變開口。它可以覆蓋整個上格柵或下格柵，或僅覆蓋部分格柵。這一切都取決于車輛設(shè)計和阻力系數(shù)評估。AGS裝置及其對熱管理的影響已由El-Sharkawy詳細(xì)討論。

可變冷卻液控制閥

蠟式恒溫器多年來一直被廣泛用于冷卻系統(tǒng)，以控制冷卻液的流動和調(diào)節(jié)其溫度。這種裝置的缺點是響應(yīng)時間和滯后性。它對冷卻液溫度有被動或反應(yīng)性控制。近年來，熱系統(tǒng)開始使用冷卻液控制閥來主動控制冷卻液流動和溫度。已開發(fā)出用于生產(chǎn)用途的電磁驅(qū)動球閥或旋轉(zhuǎn)閥。

電動或可變水泵

傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)有一個機(jī)械水泵，通過皮帶和滑輪由發(fā)動機(jī)驅(qū)動，具有一定的速度比。泵速是發(fā)動機(jī)速度的函數(shù)。為了滿足高負(fù)荷-低轉(zhuǎn)速冷卻液流動要求，滑輪比必須大于1或高達(dá)1.3或1.5，這將在高速條件下消耗過多功率。近年來，為了滿足對冷卻液流量的精確控制和提升燃油效率的需求，市場上已經(jīng)推出了多種類型的可變水泵。這些水泵包括可調(diào)節(jié)流量的泵、可調(diào)整速度的泵，以及可切換工作模式的泵，它們都能夠根據(jù)實際需求調(diào)整工作狀態(tài)，從而有效降低能耗。以BorgWarner公司開發(fā)的雙模式水泵為例，據(jù)稱該產(chǎn)品能夠提升汽車的整體燃油經(jīng)濟(jì)性高達(dá)2.15%。

主動發(fā)動機(jī)機(jī)油熱裝置

鑒于低溫環(huán)境下發(fā)動機(jī)機(jī)油的粘度較高，發(fā)動機(jī)的摩擦力可能是其在完全熱態(tài)時的兩倍。因此，美國環(huán)保署（EPA）為配備主動發(fā)動機(jī)機(jī)油加熱系統(tǒng)的汽車提供了燃油經(jīng)濟(jì)性和二氧化碳排放的優(yōu)惠信用。通過在熱管理系統(tǒng)中集成發(fā)動機(jī)機(jī)油加熱器，可以迅速提升發(fā)動機(jī)機(jī)油的溫度，有效減少發(fā)動機(jī)的摩擦損失，進(jìn)而提高燃油效率并降低CO2排放。

主動傳動熱裝置

主動快速加熱傳動油也將有助于在寒冷環(huán)境條件下提高傳動效率。在40°C和80°C油溫下進(jìn)行的臺架測試顯示，在FTP城市駕駛速度和負(fù)載范圍內(nèi)，效率差異為2%至4%。可以在系統(tǒng)中放置一個傳動油加熱器，以提高傳動效率。Laboe 討論了主動傳動油加熱裝置在熱系統(tǒng)中對燃油經(jīng)濟(jì)性的改善。