车用柴油机冷却系统研究进展与展望

杨春浩，刘瑞林，，张众杰，焦宇飞，陆辰起

(1.海军工程大学 动力工程学院，武汉 430033； 2.陆军军事交通学院 军用车辆系，天津 300161)

柴油机以其低油耗、高热效率的特点，在动力工程领域有着广泛的应用，其工作实质上是一个能量转化、热量传递的过程。随着柴油机强化程度提高，功率密度的增大，排放法规的日益严格，其热效率的提升需求对柴油机热管理技术提出了更高要求[1]。柴油机热管理技术旨在从流动传热特性入手，通过控制冷却系统参数以优化热平衡性能，实现柴油机热效率的提升、动力性和经济性的改善以及污染物排放的控制[2]。所以要实现热管理技术的提升，对柴油机冷却系统多参数多目标协同控制研究是重中之重。同时，柴油机作为我军机动作战装备的支点，其冷却系统性能很大程度上决定了车辆装备在各种作战环境条件下的使用性能、支援能力和保障能力。

从冷却系统的工作过程及机理到冷却系统控制，最后进行冷却系统评价这一工作流程出发，目前，针对冷却系统流动与传热特性，主要进行了冷却系统流动与传热基础理论研究、冷却系统多参数多目标协同控制理论研究以及冷却系统评价理论研究。

1 冷却系统流动与传热基础理论研究

1.1 冷却系统流动传热特性对受热部件热负荷影响

柴油机燃料燃烧后热量以导热、对流传热以及辐射传热的方式在受热部件及周围环境间传递，柴油机不同部件传热情况如表1所示。

表1 柴油机不同部件传热情况

因柴油机气缸为严格密闭系统，通过实验研究不易准确了解燃烧室内流动传热情况，数值仿真研究是目前主流研究手段，基于此，各专家学者首先对燃烧室内传热数学模型进行了研究。目前，缸内传热数学模型的发展经历了3个历程，主要分为纯经验模型阶段、半经验模型阶段以及加入湍流子模型阶段。纯经验模型于1920年至1960年兴起，模型的建立以试验数据为支撑，主要以平均活塞速度、缸内气体参数(缸压、缸内温度)表征缸内传热系数半经验模型于1960年至1980年间出现，该类模型以相似原理和量纲分析为基础，相较于纯经验模型更具理论依据，其中，以Woschni传热模型最具代表性(如式(1)所示)，可以通过对活塞直径、活塞运动速度、缸内气体参数等系数的调整来表征柴油机不同阶段的气流运动，被国内外科研工作者广泛使用。

(1)

式中：P为气缸内气体压力(MPa)；T为气缸内气体温度(K)；D为气缸直径(m)；Cm为活塞平均速度(m/s)；P1、V1、T1分别为压缩始点时的气缸内工质压力(MPa)、容积(m3)、温度(K)；Vs为气缸工作容积(m3)；P0为发动机倒拖时气缸内压力(MPa)；C1、C2分别为气流速度系数、燃烧室形状系数。

上述传热模型的建立都是以燃烧室内所有表面对流换热系数一致作为基础假设，但实际上缸内存在湍流流动的同时，各局部(缸壁、燃气等)之间同样存在大量非稳态传热状态。因此，1980年后下个阶段在原模型的基础上加入了湍流子模型，使其对缸内传热情况进行了更加细致的描述。但就流体力学与传热学研究领域而言，缸内气体湍流运动联合缸内传热问题较为复杂，致使目前大多此类模型仍然不能广泛应用，并不具备一定的通用性

2017年，张博文[3]以经典Woschni传热模型为基础，分析了海拔高度对传热模型的影响，并修正了Woschni公式中的温度指数项，一定程度上提高了变海拔条件下燃烧室内传热模型的精度。如图1所示为缸内传热模型的发展历程。

图1 燃烧室内传热数学模型发展历程

总体而言，燃烧室内传热数学模型3个阶段的发展，为柴油机热管理领域的深入研究提供了有力的工具保障。基于对传热数学模型的深入了解，各专家学者开始进行了冷却液与受热部件间的流-固耦合分析，得到冷却系统内部温度场、流场和应力场，为冷却系统设计提供理论支撑。

流-固耦合主要分为顺序耦合与直接耦合，顺序耦合是以研究对象的物理场(流体场)仿真结果为边界条件，实现对另一个物理场(固体场)的仿真模拟；直接耦合是以流体场和固体场为一耦合整体，直接进行模拟仿真。N Kato[4]于1995年，首先提出顺序耦合理念，并以其为研究手段进行了缸盖的流动、传热及热变形情况研究。M H Shojaefard[5]以第三类边界条件施加于缸盖表面，得到缸盖的温度和热应力场，并以热固耦合分析了解到，受热应力影响，缸盖鼻梁区应力较为集中。

由于国内计算机技术等一系列的原因，发动机的流-固耦合传热研究进展比较缓慢。白敏丽[6]于2005年，率先应用顺序耦合仿真手段，得到了冷却水套水腔内部流场数据(流体速度、压力)。俞小莉等[7]创建了包括机体在内的发动机传热耦合系统三维有限元模型(如图2[7]所示)，并得到耦合系统温度场云图，更好地为柴油机流动与传热仿真研究奠定了理论基础。

1.2 冷却介质参数对冷却系统流动与传热特性影响

传统机械式冷却系统由发动机曲轴驱动，不同工作环境、同一发动机转速下，冷却介质参数(冷却水泵流量、冷却液温度、冷却空气流量)相对固定，不能根据发动机散热需求进行冷却强度的调节，易出现“过冷”、“过热”现象[8-10]，不同海拔下冷却系统散热量MAP如图3[2]所示。

图2 发动机流固耦合系统三维有限元模型

图3 不同海拔全工况冷却系统散热量MAP

1.2.1冷却空气参数

发动机冷却系统中冷却液经散热器，将热量以对流传热的方式传递给冷却空气，冷却空气控制参数(冷却空气流量)的合理控制，可以精准控制散热器与冷却空气间的散热强度，使冷却液在不同环境工况下更加稳定的保持在目标温度。实现冷却空气控制参数的精准控制主要以智能冷却风扇(主要为电机驱动冷却风扇、液压驱动冷却风扇)为依托，使风扇转速与发动机转速解耦，且在停机后，风扇依然能继续工作，防止“热浸”现象发生[11-12]。

冷却空气流量的合理控制能够充分利用迎面风的冷却能力，在适度控制柴油机冷却传热的同时，减少了发动机对冷却系统的能量输出，降低了发动机的寄生损失。Ricardo公司和Daimler Chrysler公司[13]联合开发了42 V-14 V双电压系统(如图4[13]所示)，其PWM控制方式提高电能转换效率的同时，也使电子风扇实现了无级调速。P Frick[14]研究了液压驱动风扇，并将其应用于车用发动机上，试验表明，相较于机械式冷却风扇，该系统在不同工况下可更合理的控制冷却空气流量，使冷却系统的冷却能力明显提高。

国内方面，针对机械式冷却风扇存在的冷却强度不足、寄生损失大的问题，郭新民等[15]开展了液压风扇在车辆冷却系统方面的应用研究，所开发新型冷却系统中，冷却水箱由液压风扇冷却，液压油散热器与水箱分开布置并采用电子风扇，结果显示，相比采用传统冷却系统的原机，怠速工况平均节油10.6%、中速工况约为13.2%、高速工况达20.2%，在预热阶段节油率达18%。余海洋[16]基于AMEsim仿真模型，设计了电动冷却风扇智能控制系统，结果表明，在暖机阶段，通过对冷却空气流量的合理控制，冷却液温度在100 s内达到目标值并趋于稳定，同时相较于机械式冷却风扇，该电动冷却风扇实现发动机综合油耗降低0.3 L/100 km。

图4 42 V-24 V双电压系统

随着周围环境(大气压力、空气密度和环境温度)的改变，冷却液理化性质、冷却空气散热能力等边界条件发生改变，致使冷却系统的环境适应能力降低，其中以高原环境下冷却系统的环境适应性最为突出[17-21]。一方面随海拔升高，冷却液沸点明显降低；另一方面随海拔升高，空气密度降低，雷诺数减小，环境与散热器之间的换热系数改变，同时冷却风扇质量流量减少，虽然车辆行驶过程中，迎面风会对散热器的散热起到一定增益作用，但相同风扇转速下，散热器的理论最小散热能力降低，发动机易出现冷却过度和开锅现象[22-23]。

国外发达国家所处地域的海拔一般在3 000 m以下，对高海拔环境下冷却系统环境适应性研究需求较小，缺少此类研究。

对于高原环境下，散热器散热边界条件、燃烧室内传热边界条件改变对冷却系统传热特性影响问题，国内研究还处于初级阶段，主要研究方向为从高原环境下冷却系统的传热特性入手，以冷却系统智能化为手段，进行了由边界条件改变引起的高原发动机热平衡性能变化研究，但并未针对边界条件变化问题实现冷却系统的精准冷却。文献[22]中针对6 V 150增压中冷电控柴油机，研究了整机热量分布随海拔变化的规律，发现冷却液散热量在柴油机各转速下，随海拔升高而增大，当海拔大于3 000 m，开始出现略微下降趋势，但在4 500 m时，由于功率下降，最大冷却水散热量增大15%。

葛蕴珊团队[23]针对不同海拔(0 m、1 600 m、3 300 m、4 500 m)中低速、中等负荷条件下发动机热效率进行了实地试验。结果表明，随海拔升高，发动机热效率降低，在低速小负荷工况下尤为明显，并认为是由于随海拔升高，燃烧滞后，膨胀比降低，空燃比下降，低速时涡轮增压器效率降低，燃油喷雾恶化，以及发动机热负荷升高对外界热辐射散热增强，导致高空区域有效热效率的恶化。

1.2.2冷却液参数

随着发动机功率被不断强化和提高，导致发动机部件处于更加恶劣的工作环境，关键部件的热负荷水平被大幅度提高，因此，需运用更加高效的冷却方式来解决发动机内的散热问题。对流传热的热流密度可由牛顿冷却定律[24-25]计算：

q=hΔt

(2)

式中:q为传热热流密度(W/m2)；h为对流传热系数(W/(m2·K))； Δt为传热介质温差(K)。

可知，在壁面和冷却液温度保持不变的情况下，增加冷却液对流换热系数是加强受热部件与冷却液之间换热能力的有效方法。针对冷却液换热能力优化，纳米流体因其较好的导热性能引起了人们广泛关注。Leong[26]研究了发动机以纳米流体作为冷却液时的传热性能，研究发现，加入一定量的铜纳米颗粒，可使乙二醇冷却液传热性能显著增强。Sidik[27]从组成、制备、功效三方面对纳米流体在柴油机冷却系统中的使用情况进行了综述，并得出结论，纳米流体可有效增强冷却系统的导热能力，但是系统内压降限制了其效率，基于此，大多数研究者认为低体积分数(<1%)的纳米流体可以保持冷却系统的最佳冷却性能。

钟勋[28]进行了纳米流体、水和乙二醇作为冷却介质的传热特性研究，并将其应用于柴油机机油散热器，结果表明，相较于水和乙二醇，纳米流体的换热能力分别提升了4.6%和19.0%，如图5、图6[28]所示为不同体积分数氧化铝有机纳米流体的沸点与热导率。

图5 不同体积分数氧化铝纳米流体的沸点

图6 不同体积分数氧化铝纳米流体的导热率

冷却液参数(冷却液流量、冷却液温度)的合理控制，可以实现提高发动机热效率的同时，降低冷却系统寄生损失[29-30]。同冷却空气控制参数的调节相似，冷却液参数合理控制的实现也是以智能化的冷却系统部件(电动冷却水泵、电子节温器等)为依托得以实现，且冷却系统内冷却液的合理分配，可使散热器体积进一步减小，这在发动机舱设计越来越紧凑的今天，优势显而易见[31]。

Cho等[32]用电控冷却水泵代替传统机械式水泵，发现在不同工况下更合理的控制冷却液流量，可降低散热器体积超过27%，寄生损失可减少87%。一汽大众[33]设计的APF型电子控制冷却系统，其多回路电子节温器(见图7[33])，可更好的强化冷却系统静态调节特性。而后又在多回路电动节温器的基础上进行了技术革新[34]，实现了进气节气门加热、暖风水箱、机油冷却器等多回路流量控制(见图8[34])。

图7 多回路电控节温器

图8 发动机冷起动时冷却液流量分布

从电动式和液压式两种智能冷却系统调节冷却系统控制参数的能力来看，两种柴油机冷却系统分别有其合适的应用场合，具体性能见表2所示。

表2 两种冷却系统优缺点

2 智能冷却系统协同控制方法研究

目前，针对冷却系统的控制参数主要为冷却液流量、冷却液温度和冷却空气流量，控制目标为柴油机预热时间、热效率、热负荷、排放、寄生损失，各单位及专家学者以冷却系统的智能控制为契机，进行了冷却系统单一参数多目标或多参数多目标协同控制研究。

如要合理控制冷却系统协同控制参数，控制策略开发是重中之重。传统发动机冷却系统，控制策略简单，控制精度较低，不能根据发动机工况和外界环境进行适当有效冷却，且发动机停机后的热浸现象无法解决，效率低、功耗大、污染严重。随着电子技术的不断发展，电动、液压驱动冷却系统部件的协同控制及控制策略研究，已成为未来冷却系统控制策略发展的必然趋势。

关于先进冷却系统的控制策略研究，国外专家学者一般以电动冷却系统部件或液压驱动冷却系统部件为基础，研究目标为通过对不同工况下冷却液流量、冷却液温度、冷却空气流量的准确、快速控制，实现冷却强度的精准调节，以增强冷却系统传热特性，缩短启动时间，提高热效率。Setlur[35]开发了基于Lyapunov的非线性控制器，以非线性控制算法调节冷却液温度(冷却系统由电动阀门、机械式水泵和风扇组成)，实现对冷却液温度的调节(如图9[35]所示)，该控制策略可以减小调节过程中的温度波动，发动机预热时间减小42%。

博格华纳公司[36]提出了双模式冷却泵(DMCP)控制策略(其框图如图10[36]所示)，可通过不同工况下冷却液温度和流量的判定，选择不同冷却水泵的运行；在冷起动时，采用“零泵速”控制策略，即在暖机或冷起动过程中，水泵不转或以500 r/min的小转速运行，以保证能够快速暖机。经UDDS循环测试表明，应用双模式冷却水泵后，辅助功率降低63.2%，燃油消耗量减少2.15%。

图9 简化的汽车散热系统

图10 双模式冷却液水泵控制策略

国内方面，近年来科研团队也以减少发动机冷起动时间、实现发动机冷却强度的快速、精准调节为目标，进行了冷却系统控制策略的相关研究。骆清国[37]开发了冷却系统采用高、低温双循环回路控制策略，使柴油机机体与增压空气实现了独立冷却。尹洪涛[38]在此基础上进行了预置MAP与模糊控制相结合的控制策略研究，控制系统框图如图11[38]所示，该控制策略可有效减小柴油机变工况下冷却系统温度波动(<1 ℃)。

图11 高、低温双循环冷却系统控制系统框图

俞小莉团队[39]基于模糊控制原理，设计了电动三通比例阀控制策略，实现对发动机冷却液大、小循环流量的精准控制，如图12[39]所示为模糊推理输出MAP。结果显示，该策略对发动机冷却液温度的控制更加精确，并且具有较好的动态调节特性，发动机寄生损失明显降低。

图12 模糊推理输出MAP

3 冷却系统性能评价方法研究

冷却系统的性能的合理评价直接关系到其运行的稳定性、发动机性能以及厂家的经济效益，国内外学者主要以冷却介质流量、温度作为评估依据。Juan[40]通过空气流量，进行了散热器-风扇间的定位分析；Khaled等[41]以冷却空气温度为判据实现了冷却风扇转速的合理调节。国内方面，张毅等[42]、秦四成等[43]、毕小平等[44]先后对多个散热器位置排布规律、散热器间距等进行研究，并取得了一定成果。

产品正向设计与选型的时效性，对快速选取冷却风扇、水泵和散热器，实现对冷却系统设计匹配提出更高要求。所以在产品设计选型过程中，尽可能快速实现匹配评价并指明优选方向，也是学者、厂家日益关注的问题。

(3)

(4)

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4 结论

本文对车用柴油机冷却系统研究进行了全面综述。大量文献表明，针对冷却系统流动与传热的数学模型、数值模拟以及冷却介质参数对其性能影响等基础理论研究成果较为丰富，并且纳米流体技术、智能冷却系统技术可有效缩短发动机预热时间、提高热效率、降低热负荷、减少污染物排放和冷却系统寄生损失。但就目前的研究而言，仍存在以下问题：

1) 不同环境、不同发动机配置下不同纳米流体中最佳纳米粒子的含量还不能确定。

2) 缺少最佳冷却系统控制参数变海拔匹配标定研究。目前，在高原环境条件下冷却系统控制参数对冷却系统传热特性影响研究方面，还停留在规律性分析上，没有针对冷却系统控制参数与柴油机不同海拔不同工况的最佳匹配得出定量结论。

3) 缺少高海拔冷却系统多参数多目标协同优化及控制策略研究。目前针对高原冷却系统控制研究，主要集中在单一参数(冷却空气流量、冷却液温度、冷却液流量)的控制上，且大多采用PID控制，控制精度不高，变海拔、变工况下控制效果较差，应以冷却系统部件智能化控制为契机，开展变海拔(变雷诺数)全工况多参数(冷却液流量、冷却液温度、冷却空气流量)多目标(柴油机预热时间、热效率、热负荷、排放、寄生损失)协同优化及控制策略研究。