2.5 冷却及热管理

2.5.1 设计策略与原则

现代汽车发动机的冷却系统几乎都采用强制循环水冷系统，即利用水泵提高入口冷却液的压力，强制冷却液在发动机中循环流动。强制循环水冷系统由水泵（电子水泵）、散热器、冷却风扇、调温器（电子调温器、热管理模块）、补液壶、缸体水套、缸盖水套（燃烧室水套、排气道水套）、附属装置（暖通芯体、机油冷却器、变速器油冷却器、EGR冷却器、增压器等）及相应连接管路组成。

冷却系统的基本功用是确保发动机在所有工况下都能够在舒适的温度（通常冷却液温度控制在90~105°C）下高效工作。冷却系统既要防止夏季发动机过热，也要防止冬季发动机过冷。在冷态下的发动机起动之后，冷却系统还要保证发动机迅速升温，尽快达到正常的工作温度。

由于汽车发动机工况时刻处于变化之中，导致发动机并非每时每刻都处于最佳冷却状态，因此对冷却系统的深入研究、设计优化是发动机设计的永恒课题。

大量研究表明，冷却液带走的热量占燃料燃烧释放总能量的20%～30%，是发动机能量主要的“消耗者”之一。冷却系统设计考虑的节能基本途径如下：

1）根据整机工况，调节冷却液流量，降低热损失。

2）通过自己吸收的废热量再作用辅助其他系统以实现节能减排。

3）通过冷却液温度调节装置将冷却液温度迅速提升，同时在冬季寒冷环境维持机体温度，减少运动副摩擦损失。

为了提升冷却系统对节能减排的贡献，需要对与冷却系统相关的各系统进行深入分析，以梳理出各系统对冷却系统的具体功能需求。

发动机总成各系统对冷却系统的设计需求分述如下：

缸体及曲柄连杆机构/缸盖及配气机构：确保冷机时，曲柄配气能够快速升温，热量不被冷却系统带走；达到一定温度后，冷却液带走部分热量，保持在适当的温度范围内；大负荷时，需要冷却液带走尽可能多的热量，降低机体温度。

进气系统：确保低温环境节气门体不结冰，并对EGR冷却器加热以减少冷凝水的形成；热机时，保证EGR气体温度在合理范围。

排气系统：确保极热时，保护涡轮增压器（TC）不过热。

润滑系统：确保冷机时，机油能快速升温，热机及大负荷时，机油能够保持在合理的温度范围。

曲轴箱通风系统：确保极寒环境曲轴箱通风系统管路不结冰，保证曲轴箱通风系统正常功能。

整车相关系统、零部件对冷却系统的设计需求有：

暖通和空调系统：确保冬天等低温环境下，冷却系统（暖通芯体）快速升温，满足快速除霜、除雾和乘员舱取暖需求；夏天，空调不会因冷却液温度过高而被频繁切断。

散热器：确保低温环境时，冷却液温度波动小；高温环境时，通过散热器带走的热量适当。

结合各系统的需求，冷却系统的设计需要实现表2-9列出的设计目标。

从以上设计目标可以看出，要同时达成冷却系统所有的设计目标是困难的，在设计冷却系统时，应综合考虑性能、可靠性、工艺、维修等要求，充分利用CAE工具，平衡各系统需求、优化冷却系统设计。CAE分析工作首先通过计算流体动力学（CFD）仿真分析对冷却水套进行优化，主要从水套流量分配、关键区域换热系数、水套流阻等维度，评价冷却水套流道和进出口设计在平衡各系统需求方面的效果；其次开展缸体缸盖流固耦合温度场分析，确保燃烧室温度不超过限值，同时为缸体缸盖有限元分析提供热边界条件。

在设计现代高效率、大功率发动机时，越来越注重冷却系统对发动机的“辅助节能”需求。

2.5.2 基于属性需求的设计

随着内燃机功率的不断强化，以及对排放和经济性的要求不断提高，现代车用发动机对冷却系统的要求越加苛刻。为了使发动机在任何工况和环境下都能在最佳的温度下工作，同时又能尽量减少冷却系统消耗的功率，现代车用发动机采用了新的冷却系统设计理念和工作部件，取得了比较明显的效果。

图2-46是长安某机型冷却系统在采用不同的技术方案时，对冷机状态下燃烧室金属温度温升的贡献分析情况。从分析可以看出，采用冷却系统零流量的技术方案对燃烧室固体温升贡献最高。目前实现冷却系统完全零流量的方式主要有两种：一种是采用电子水泵技术；另一种是在水泵出口（或入口）位置安装控制阀，使冷却液在水泵内空转，冷却液不流经水套。

先看看传统传动带驱动水泵冷却系统存在的问题。传动带驱动水泵是发动机普遍采用的方式，只要发动机运转，水泵就在传动带驱动下工作，水泵的泵水量只能根据发动机的转速变化，不能根据冷却液温度条件控制冷却液的流量。大量研究表明，传动带驱动的传统水泵的泵水量仅在5%的时间内是正确的，存在大比例过度冷却的情况。泵水量的控制不准确，传动带驱动水泵消耗过多的机械功，造成了不必要的机械损失，影响了整机热效率的提升。为了提升整机热效率，保证发动机在最佳的温度下工作，精准地控制冷却液的流量，现在的设计趋势是采用电子水泵，电子水泵可以实现其转速与发动机转速解耦，使得冷却液流量能根据工况按需调整。当发动机低温冷起动时，电子水泵关闭，实现零流量；当发动机低温低负荷运行时，电子水泵低转速运转，保持发动机在较高冷却液温度下运行；当发动机在高温高负荷运行时，电子水泵高转速运转，将发动机产生的热量尽可能多地带入散热器进行散热降温。预估电子水泵可以减少燃油消耗2%～3%。在采用电子水泵时，需要关注其容量的确定，大容量的电子水泵在满负荷运行时电流较大，对发动机的相关零件如发电机、蓄电池、线束等提出了更高的需求。因此，降低电子水泵的额定功率日益迫切，同时降低冷却系统缸体、缸盖水套及附件流阻也越来越重要。

如图2-47a所示，传统的缸体缸盖冷却液分布方式都是冷却液先进入缸体水套，然后通过各缸之间的上水孔流入缸盖，再经由缸盖上的出水孔进入调温器座，冷却液流经路径较长，流阻较大。为了降低缸体、缸盖水套流阻，现代汽车发动机基本采用图2-47b所示的分流式水套。冷却液分别进入缸体、缸盖水套后，在调温器座处汇集。因冷却液流经路径缩短，且在总流量一致的情况下，流经缸盖的流量减少，大大降低了流阻。

为了提高充气效率，一定程度上减少爆燃的倾向，降低曲柄连杆机构的摩擦，以求更好地发挥出发动机的性能，需要保持缸体的温度比缸盖的温度稍高，一般要求高10～15°C。通常是缸盖水套中的冷却液温度上升较快，而缸体水套内的冷却液温度上升较慢，为了实现缸体温度快速升温并比缸盖温度稍高的目的，在采用分流式冷却方式时，一般会增加布置一个调温器单独控制缸体水套流量。在环境温度较低的情况下冷起动时，通过调温器使得缸体水套实现零流量，缸套金属温度快速上升，降低了活塞组的摩擦，实现降油耗的目的。

众所周知，调温器是发动机中调节和控制冷却液各支路流量分配占比的重要部件。目前广泛使用的机械蜡式调温器具有结构简单、可靠性好等优点，但其只能根据调温器蜡包处冷却液的温度进行开闭动作，由于响应速度慢导致冷却液的温度变化范围大，不利于减少摩擦、降低油耗。为了保证发动机在高温大负荷下工作时的可靠性，一般机械蜡式调温器的开启温度设计得较低，这导致发动机在绝大部分工况下热平衡温度较低，不利于减少摩擦、降低油耗。为了根据发动机工况更好地控制冷却液温度，越来越多的发动机开始使用热管理控制模块（TMM）来取代机械蜡式调温器。TMM通过直流电动机与感应式位置传感器构成的驱动机构来工作，根据工况需求，ECU发出PWM信号驱动直流电动机转动，从而转动蜗杆和蜗轮使转阀到目标转角，实现对冷却液流量的精确控制。目前，大众、丰田、通用等OEM最新机型几乎标配TMM，研究表明，TMM可以有效地改善燃油消耗和排放，并提高乘客舒适度及延长发动机的使用寿命。但是，热管理控制模块因结构复杂，技术应用范围并不广。表2-10对热管理控制模块、蜡式调温器、电子调温器性能进行了对比。

大量研究表明，发动机排气带走的热量占燃油热量的30%以上，如何有效地利用排气热量，关系到发动机油耗的降低程度。当前的高功率发动机大多将排气歧管集成于气缸盖内，这对发动机冷却系统来说就增加了一个热源，排气歧管内的高温废气能直接与缸盖水套进行热交换，冷起动时能实现更快地暖机，使发动机更快地进入高效的工作状态，减少内部构件的摩擦，从而达到降低排放、节省油耗的目的。另一方面，排气歧管内的高温废气与缸盖水套的热交换也能够降低排气温度，也就能降低涡轮增压发动机中涡轮增压器的进气温度，因此可以采用相比之前更高的涡轮增压度，从而提升发动机的动力性。与此同时，由于集成式气缸盖排气歧管缩短了与涡轮增压器的气路长度，理论上可让涡轮增压器取得更快的响应速度，提升动力响应。集成式气缸盖排气歧管由于排气路径的缩短，还能加快三元催化器的起燃速度，降低发动机排放。

由于集成式气缸盖排气歧管也起到了简化发动机总成零部件数量的作用，从而能让发动机减轻3～5kg的重量，这些减轻的重量位于发动机顶部，对于整车的重心降低是有所裨益的。

在采用集成排气歧管这项技术时，某涡轮增压发动机的进气温度与发动机出水温度变得强相关，如图2-48所示，发动机出水温度对进气温度的反应很敏感，进气温度的升高会导致发动机冷却液温度的升高，如果采取推迟发动机点火提前角的措施，使得排气温度升高，又引起涡轮增压器的热辐射等导致进气温度的升高，进而产生冷却液温度升高的恶性循环。因此，需要采取措施严格控制进气温度，其温度目标需要严格按要求达成。