车用发动机冷却系统研究进展

滕怀钰，刘佳鑫,2，邢梦龙，田腾飞

(1.华北理工大学机械工程学院，河北 唐山 063009；2.华中科技大学能源与动力工程学院，湖北 武汉 430074)

随着社会与科技的发展，人们对于汽车的需求量愈来愈大，这也就促使汽车发动机的强度不断上升。而冷却系统的优化可以使发动机的温度保持在合理的区间内，既可以避免因冷却不足造成的发动机过热现象，还可以防止因冷却过度造成的散热量过多等问题。

基于近年来国内外研究者对于发动机冷却系统的研究成果，本研究将从各类冷却系统分析方法及应用、多种方法综合应用以及新型冷却系统的开发与研究的角度分别进行论述，从而明确发动机冷却系统的发展趋势。

1 冷却系统研究方法及应用

1.1 试验分析法

试验分析法是针对在试验或者理论分析中出现的不合理的问题，设计一个甚至多个方案，对问题中所涉及冷却系统的部件的性能参数或者布置方式进行改进，必要时还可以通过加装其他部件协助冷却系统进行高效工作，从而达到优化的目的，有着较强的直接性和目的性，因此被国内外研究者广泛运用于冷却系统各部件的探究。除此之外，针对于冷却剂的研究，研究者们也通常使用试验分析法来对比不同冷却剂之间的优势与不足。试验分析法主要应用于性能参数的研究、布局方式的研究、加装部件的研究以及冷却剂的优化研究。

很多研究者应用该法对冷却系统中部件的性能参数进行了改进。要长东针对某重载汽车风扇的形式、叶片类型及数量进行改进，进行转速对比试验从而确定了该车冷却风扇的最优几何特征[1]。闫振通过增加某支架搬运车散热面积至合适大小，使发动机水温维持在80～94 ℃，随后经过分析计算最终确定了合适的散热面积[2]。张淼针对散热器内部结构进行研究，确定了冷却管数、管带数和实际散热面积的最佳值[3]。不同于前者，Haimin Shi利用四种不同的风扇罩结构对多风扇冷却模块的传热性能进行了测试，从而确定了多扇冷却模块的最佳叶冠结构，使得该冷却模块的整体性能得以提高，并利用试验验证了该方案的可行性[4]。Mahmoud Khaled则是利用59个热电偶，运用PIV和LDV等技术模拟冷却风扇运行时减速和热浸相的条件进行了探究，并最终将该方案应用于实际车辆冷却系统的改进[5]。针对散热器的选材问题，Raju Jadar等探讨了不同翅片材料对汽车散热器对流传热系数的影响，并通过试验分析得出使用纳米技术集成的散热片材料代替铝板可以增加对流换热效率的结论[6]。

布局方式的改进可以宏观调整各部件之间的相对位置，从而使冷却系统具有高效的工作环境。刘洁等通过调整冷却风扇与导风罩之间的相对位置，计算风扇噪声风速比，最终有效地降低了风扇的噪声风速比，同时提升了冷却风扇的性能[7]。梁晓林则是从特种车辆的低温、中温、高温3个散热器的布置方式出发，结合GT-Suite汽车仿真分析软件对不同的方案进行仿真研究，发现散热器左右并列式布置效果最佳[8]。

在某些情况下，冷却系统部件的结构参数和布局方式的改进具有一定难度，或者对于系统整体工作效率的提升不是很明显，因此部分国内外研究者在系统原装部件的基础上，采用加装部件的方法促使系统高效率工作。胡远忠等首先针对进气格栅的进风角度、上下进气格栅间的结构、散热器阻流板等进行分析研究，最终提出加装导流板来提升冷却系统效率[9]。钱尧一对其设计的3种采用绝热挡风板的方案运用CFX进行仿真分析，发现在保证散热器进风端冷却风温度低、流量大的前提下，选用竖直绝热挡风板最佳[10]。Roberto Cipollone等设计了一种滑动叶片旋转泵，将其应用于车辆发动机进行测试，并与原机械式冷却泵进行对比，发现其消耗的机械能有所降低[11]。Hadi Ghasemi Zavaragh 等在冷却剂进口到发动机的间隙建立了一个可根据流量调节的恒压空气注入机构，通过试验分析发现该方法可以使发动机部件快速加热，且可以使传热与冷却的能力增强[12]。

基于纳米流体技术的发展，GurpreetSingh Sokhal等制备了不同浓度的水基氧化铜纳米流体，并对不同输入参数下的传热和压降性能进行了试验研究并取得了良好的试验结果[13]。Dattatraya G.Subhedar，Beriache M’hamed和C.Selvam等均利用乙二醇-水的纳米流体冷却剂进行冷却系统传热效率优化试验[14-16]，不同的是，Dattatraya G.Subhedar和Beriache M’hamed等是利用乙二醇-水的纳米流体冷却剂与传统冷却剂进行试验分析对比，而C.Selvam等是针对乙二醇-水的纳米流体冷却剂，研究加入不同数量的石墨烯颗粒对其换热系数和压降等性能参数的影响。

从以上研究成果可以发现，试验分析法具有可以直接“对症下药”的优点，但是由于缺少对改进方案的定性分析，通常需要对多个改进方案进行分析对比才能得到最佳方案，工作量相对过多。

1.2 一维、三维及联合仿真法

仿真分析法主要包括一维仿真(Flowmaster,GT-Cool等)、三维仿真(Fluent,Fire等)及一维三维联合仿真。一维仿真虽然可以很快得到计算结果，但得不到精确的细节，对计算机硬件的要求不是很高；三维仿真则是需要高配置的计算机来应对庞大的计算量和众多的边界条件，但可以得到更多的仿真细节。如果将二者结合起来进行仿真研究，则可以大幅提升工作效率，该方法同样广泛使用于冷却系统各部件的研究。

黄文雪和刘峰均利用Flowmaster软件对汽车发动机冷却系统建立了一维仿真模型[17-18]。黄文雪通过一维仿真模型发现了冷却系统能力不足的问题所在，并设计改进方案解决了问题[17]。刘峰则是利用一维仿真模型进行2个冷却系统管路设计方案的对比分析，着重分析了冷却液流量分布的均衡性，确定了最终的改进方案[18]。惠昭晨与李朝阳同样运用了Flowmaster对冷却系统进行研究，通过对冷却水套进行一维建模并对其结构进行改进，从而提升了冷却水套的性能[19-20]。

不同于一维仿真，三维仿真需要大量的计算与边界条件，因此其仿真结果往往精确度比较高且适用范围更广。陈彬彬等通过利用Fluent等软件建立了风扇风道与风室的模型并进行了一系列分析，得到了风扇性能与其结构参数和安装位置的关系[21]。刘佳鑫等对于散热器模块提出了3种改进方案，并在建立了动力舱的三维模型的情况下对虚拟风洞进行仿真分析，从而完成了对改进方案的评估[22]。唐彪与王天宇在多学科优化平台Isight上利用Fluent流体分析软件针对冷却系统进行研究，王天宇搭配非支配排序遗传算法对冷却风扇进行了改进[23]，而唐彪另外集成了Mathlab，Pro/E等软件对冷却系统进行研究，运用近似模型与近似计算的理论代替三维仿真进行优化，最后用CFD仿真计算校核优化成果，计算量大大减少且提高了风扇的工作效率[24]。田海勇等则是首先绘制了风扇的散热特性曲线，提出了导风罩外形优化方案并讨论了风扇与散热器芯子的最优距离，随后应用Fluent软件进行仿真并对改进方案进行了分析论证[25]。

考虑到一维和三维仿真各自的缺点，通过联合仿真可以将二者有机地结合起来，使得仿真工作的效率与分析结果的精确率有所提高。江全军利用GT-Suite和CFD软件建立了某自卸车一维三维耦合模型，利用试验数据对仿真模型进行验证，发现模型能够很好地重现自卸车的工作状态，为冷却系统的进一步研究提供了一个良好的平台[26]。冉凯等首先建立一维模型和三维云图对冷却系统进行仿真分析，随后采用转鼓试验和实车行驶试验两种方案来验证一维三维联合仿真分析的有效性[27]。黄昌瑞等在确定了零件参数的基础上，利用了一维模拟及整机水套三维CFD模拟计算和试验验证的方法使该发动机冷却系统性能得到了改善[28]。Chunhui Zhang和Mesbah Uddin等在进行全车CFD模拟的基础上，分析了前格栅开孔尺寸和发动机气动装置对冷却阻力和散热器性能的影响，从而提出提升散热器整体性能的方案[29]。

从上述分析可知，一维三维数值模拟仿真技术已经日趋成熟，设计与开发人员可以首先将设计方案进行仿真分析，验证其合理性，随后针对性地进行下一步研究，在提升了工作效率的同时，增加了结果的精确性。

1.3 流固耦合仿真法

近年发展形成的流固耦合仿真法可以有效解决单独研究固体和流体流动时边界条件无法准确确定的问题。流固耦合分为顺序耦合与整体耦合。相比于顺序耦合，整体耦合则可以将缸内工作状态与燃烧室部件和水套建立耦合关系从而进行模拟分析。目前该方法多应用于冷却部件与冷却介质的研究[30]。

高翔等针对某8缸柴油机，加入进、排气进行气-液-固三相耦合分析，从而得到缸盖和水套的温度场，发现该结果与不考虑进、排气的试验数据不符，更接近于试验值，验证了流固耦合仿真计算的有效性和准确性[31]。

鉴于该方法的诸多优势，一部分研究者将其用于对冷却系统的改进研究中。张焕宇和李军等通过对冷却水套进行流固耦合仿真分析，针对缸盖、缸套的结构与参数进行改进，从而改善了缸盖、缸套的性能以及水套冷却液的流动性[32-33]。唐刚志则是针对发动机的气缸盖提出了3种改进方案，对该3种方案进行流固耦合仿真分析，最终得到了最优方案[34]。基于不影响泵送效率和提高传热效率的角度，Hardik V Patel对不同质量流量的基于水的CuO纳米流体流经散热器的情况进行传热评价，并基于试验结果优化了散热器的尺寸，达到了预期效果[35]。S.H.Habibian研究了加入不同体积的防冻剂对百叶窗和矩形涡发生器翅片性能的影响，并模拟了添加氧化铜和氧化铝纳米颗粒对旋转和矩形涡发生器传热的影响，结果表明加入防冻剂会降低传热效率，但是添加氧化铜和氧化铝纳米颗粒可以补偿防冻剂放热带来的负作用，且相对于纯水可以提高传热效率[36]。类似地，M.Hatami对于含有2种不同形状的氢基流体和4种不同形状的纳米颗粒，以4种不同的雷诺数纳米流体在扁管散热器中分别进行模拟，计算了不同形状纳米颗粒下纳米流体的导热系数，讨论了纳米颗粒体积分数对纳米颗粒努塞尔数的影响，为纳米流体的选择提供了依据[37]。

流固耦合传热仿真法是将流体与固体的传热过程融合成一个总的传热过程后求解，使流体与固体的外边界转化成内部耦合界面进行计算，从而使仿真结果更趋近于实际。

1.4 数学规划与智能控制法

相比于一维三维仿真法和流固耦合仿真法，数学规划与智能控制法是一种抽象性较强的分析方法。研究人员可通过数据控制、模糊控制、数学模型的建立甚至有向图等手段对冷却系统进行分析研究。由于该方法需要大量计算和分析，具有一定的抽象性与很强的数学思维，因此使用频率不是很高。

冉光政等基于系统内热部件的散热特点与系统调控机理，利用多目标数学规划与模糊智能控制相结合的方法，将发动机冷却系统抽象化为单变量多目标的数学规划问题，通过分析计算发现该控制策略具有良好的控制效果[38]。相似地，Tianwei(Thomas)Wang和John Wagner等则提出了一种基于李雅普诺夫的非线性控制策略，并通过分析研制了1台具有多散热器风扇、换热器、风洞、冷却液泵、三通阀和发动机热负荷的试验台，通过一系列试验发现该控制器在功耗来源及温度控制跟踪方面具有优越的性能，但是相对于传统的查表式控制器和继电器式控制器，在性能上仍旧存在着不足之处[39]。毛飞鸿针对一种液黏驱动的冷却风扇，对其外环风扇控制系统采取温差控制风扇目标转速的措施，然后采用PID和PID模糊控制算法进行仿真分析，验证了方案的可行性[40]。骆清国在建立冷却系统简化模型的基础上，运用有向图结合遗传算法的思想设计出冷却系统的改进方案，使冷却系统达到预期效果[41]。不同于前者，晁智强是建立了纯数学模型对冷却系统进行分析，通过对风扇马达排量、总工作容积等不同参数进行分析，从而得出各性能参数对风扇系统的影响规律，为改善该系统的性能提供一定的参考依据[42]。

通过上述分析可知，数学规划和智能控制法多数情况下是利用数据与理论结合，通过一系列分析与计算得出结果，因此，该类方法具有很强的抽象性，且对于研究者的数学能力要求较高，因此该方法在应用上缺乏一定的广泛性。除此之外，该法较一维三维仿真等方法相比还缺乏一定的直观性，由此，算法与数据控制法的使用范围具有一定的局限性。

1.5 滑动模态控制法

滑动模态控制是一类具有不连续性的非线性控制，区别于其他控制策略的是其系统具有不固定性，可以根据系统每段时间内不同的状态变化，使其按照预定的状态轨迹滑动。由于滑动模态控制可进行人为设计且具有较强的抗干扰性，因此该法具有响应迅速、无须系统在线辨识等优点。目前该方法流行于部分国外研究者对冷却系统的研究，在国内此类研究较为缺乏。

Saif S.Butt等对一种汽车发动机冷却系统的滑动模态控制模型进行研究，将冷却风扇的速度作为控制输入。为了估计燃烧过程中产生的未知热量和从管道到环境的热损失，Saif S.Butt等采用了一种具有增益调度的SMO算法。随后，Saif S.Butt等使该模型具有了匹配与不匹配的集总扰动特点，且为跟踪发动机出口温度而研制了一种基于自适应滑模控制的新型鲁棒跟踪控制器[43-44]。经过试验分析，最终发现在正常的驱动模式下，在部分启动、起停操作过程中，跟踪误差幅度很小，证明了滑模控制的有效性。

从目前状况来看，滑模控制这一方法在国内广泛应用于永磁同步电机和无人飞机等方面的研究。而对于汽车发动机冷却系统方面，该方法应用较少，因此国内研发人员需要对滑模控制在冷却系统研究中的应用作进一步的探索。

2 多种方法综合应用

前文列举了常见的冷却系统研究方法及代表性应用成果，但是这些方法的应用都具有一定的单一性，与此不同的是，在国内外某些对冷却系统的研究中则是结合了多种方法。

张明运用STAR-CCM+对某型号客车进行仿真分析研究，利用后处理模块输出可视化发动机舱内的流场、温度场情况，从而提出了“加装风扇导流罩+改造部分车体+加装导风罩”的改进方案[45]。而Jonghyuk Lim则是先对冷却风扇叶片的振动信号进行了试验测量，随后与反映实际系统振动特性的动态仿真模型相结合，并与散热器-冷却风扇试验的结果进行比较，从而验证了动态仿真模型的正确性，并在一定程度上减少散热器-冷却风扇质量不平衡引起的传递振动力[46]。王文坤则是将试验研究法与一维三维联合分析法有机结合，首先对风扇的结构、导流罩的深度、挡风板进行改造与加装，随后通过对一维三维耦合模型进行计算分析，确定了合适的风扇结构、导流罩深度和导流板的最佳安装位置[47]。不同于前者，Arya K.Haghighat等通过电动水泵、电风扇和加热的恒温器建立了冷却系统控制模型，与传统冷却系统对比发现该控制模型的燃油消耗、碳氢化合物和一氧化碳的排放量都有所降低[48]。相似地，David Chalet提出了一种先进的热管理模型并将其应用于汽车柴油机上，通过一系列的试验与计算，初步获得了冷启动NDFC循环过程中冷却剂温度的变化规律[49]。针对现阶段冷却系统体积更小、更节能、更高传热效率的需求，Akhilnandh Ramesh基于原有散热器的结构，采用一种标准的空气冷却散热片和管散热器开发出了一种紧凑的螺旋散热器，并运用ε-NTU局部元素的方法对其流动特性和热力性能进行分析，发现与理论值较为接近，该散热器具有较好的应用前景[50]。

对冷却系统进行多手段综合研究可以在一定程度上提升其工作性能，且能够保证多个部件的发展速度相对均衡。但是多角度同时优化在加大了工作量的同时，针对每个角度的研究就不会很深入，因而其发展速度比较缓慢。

3 新型冷却系统的开发与研究

在传统冷却系统研究方法较为成熟的基础上，部分研发人员尝试着在保证冷却系统性能有所提升的基础上，研发出新型的冷却系统。

单压电式风扇冷却系统的性能受工作频率、风扇振幅、风扇布置和功耗等因素的影响较大，针对这一问题，H.K.Ma等研究并利用压电力和磁力研制出了一种具有良好散热效果的多振动风扇冷却系统[51]。同样地，针对停放车辆的机舱在阳光下如何快速冷却的问题，Maan Al-Zareer研发出一款能够在60 s内冷却发动机舱室的便捷式冷却系统，通过对该冷却系统的三维传热传质模型进行分析与评价，验证了其有效性[52]。Yi Chen等则是基于“废物利用”的角度研发了一种氨蒸气驱动工作产生能量的冷却系统，其中内燃机的废气被用来在发电的次循环中产生过热的氨水蒸气供冷却系统工作使用。研究者通过多指标分析发现该新型冷却系统具有良好的经济效益[53]。不同于以上研发人员，R. Cipollone等基于有效分配车辆热需求的角度设计了一种具有两种电路的、在不同的温度下都可以运行的冷却系统。通过对该冷却系统进行试验研究发现，该冷却系统在发动机预热、燃油消耗和空气动力方面具有重要改进，经济性与实用性都大幅提高[54]。

但是，新型冷却系统并不能总是很好地发挥出最优性能，因而需要对其进行进一步的改进。Xiang Yin等基于系统模态变化的角度研发了一种泵压一体化式电子蒸发冷却系统，然而在系统运行模式改变的情况下，冷却温度会急剧升高。研究发现，合适的阀门顺序可以减少冷却温度的急剧变化，并在系统切换过程提高冷却性能，从而使问题得到解决[55]。

新型冷却系统的开发与研究都是基于提升发动机的经济效益、节能减排的思维，但是由于研究思路较新、研究时间较短、研究人员较少，对新型冷却系统相关研究还须进一步深入。

4 结论

a) 试验研究法的可行性很高，但是缺少对改进方案的定性分析和详细计算，因此无法精准研究；数学规划与智能控制法需要较强的数学计算能力，因此其分析过程相对来说较为抽象；滑动模态法较前一种方法更加“智能”一些，可以在不同状态下按照预定的轨迹滑动且可以通过人为设计进行分析，但是目前在冷却系统的研究领域该方法的应用较少;以上三种方法由于存在着各自的不足，因此使用范围都具有一定的局限性;

b) 由于建模的直观性与计算的准确性，因此一维三维分析仿真法与流固耦合仿真法是当前主流的研究方法，其中,国外研究人员目前对于流固耦合仿真法的应用更多一些;一维三维联合仿真分析法可以将单独的一维和三维仿真分析的优点有机地结合起来；而流固耦合传热仿真法可以解决流固下边界条件无法准确确定的问题，因此该两种方法效果更佳;

c) 多手段综合应用和新型冷却系统的开发与研究均为基于各种分析方法的基础上引申出的具有创新性的研究理论；其中，多手段综合应用可以将单类分析结合到一起,针对一个冷却系统进行多元化改进，且国外的研究方向较为先进，可以为我们提供更多的参考;但由于研究方法或部件的种类繁多，因此该方法的总体进展缓慢；而新型冷却系统则是在基本研究方法的基础上，结合创新性思维而研发出来的,但是需要相关研发人员对新型冷却系统进行更深入地分析;

d) 发动机冷却系统的研究趋势是研究人员将各类研究方法结合现实中各类环境下所遇到的具体问题，从而定制方案，改善冷却系统的工作性能，使发动机的运行更加经济、环保、节能。