楊春浩，劉瑞林，陳陸洋，張眾杰，焦宇飛

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車用發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡研究進(jìn)展與展望

楊春浩1，劉瑞林2，陳陸洋2，張眾杰2，焦宇飛2

（1.海軍工程大學(xué)，武漢 430033；2.軍事交通學(xué)院，天津 300161）

以發(fā)動(dòng)機(jī)熱量分配、熱負(fù)荷及冷卻系統(tǒng)智能控制為切入點(diǎn)，綜述了車用發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡研究的現(xiàn)狀，并探討了進(jìn)一步的發(fā)展方向。指出針對(duì)我國(guó)特殊的高原環(huán)境，進(jìn)行極端工作環(huán)境下熱量分配變化規(guī)律的研究、發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡模擬試驗(yàn)技術(shù)研究、開展高原環(huán)境柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)智能控制研究，以最優(yōu)化匹配散熱需求是未來發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡研究的方向。

車用發(fā)動(dòng)機(jī)；熱平衡；熱量分配；熱負(fù)荷；冷卻系統(tǒng)智能控制

提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，減少污染物排放一直是發(fā)動(dòng)機(jī)研究的兩個(gè)重要方向[1]，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡研究，優(yōu)化熱量分配，是提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率、改善經(jīng)濟(jì)性和可靠性的重要技術(shù)手段之一[2]。車用發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡研究旨在通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量分配、熱負(fù)荷、冷卻系統(tǒng)散熱等過程的分析，優(yōu)化子系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配，在保證動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性的同時(shí)，最大程度地改善熱量分配，減少有害物排放，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率[3]。研究表明，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡研究，優(yōu)化熱量分配，可提升熱效率8.5%[4]，降低30%的NO排放量[5]，減少發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱時(shí)間80%以上[6]。

文中以發(fā)動(dòng)機(jī)熱量分配、熱負(fù)荷及冷卻系統(tǒng)智能控制為切入點(diǎn)，綜述了國(guó)內(nèi)外車用發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。

1 車用發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡研究現(xiàn)狀

熱平衡研究旨在基于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程熱量傳遞和分配情況的探究，以降低高溫部件熱負(fù)荷，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率[7]。隨著內(nèi)燃機(jī)強(qiáng)化程度的不斷提高，其零部件的熱負(fù)荷也隨之增加，因此對(duì)零部件熱負(fù)荷和可靠性的分析有著重要意義。冷卻水帶走熱量占燃料放熱總量的20%~30%，從循環(huán)熱效率的角度出發(fā)，希望盡量減少冷卻系統(tǒng)散熱量，但零部件熱負(fù)荷與其可靠性對(duì)冷卻系統(tǒng)散熱量產(chǎn)生限制，這就要求盡可能優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)，減少傳熱損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。因此熱量分配、熱負(fù)荷、冷卻系統(tǒng)智能控制是發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡研究的重點(diǎn)。

1.1 熱量分配研究

進(jìn)行熱量分配研究，分析并改善燃油燃燒后各子熱量的分配情況，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。研究方向主要集中在穩(wěn)態(tài)工況，隨著研究深入，為增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)特性，提高車輛極端環(huán)境適應(yīng)性，在過渡工況下控制各系統(tǒng)溫度盡快達(dá)到最佳工作狀態(tài)、優(yōu)化極端工作環(huán)境下熱量分配的研究需求逐漸提高[8]。

1.1.1 穩(wěn)態(tài)熱量

目前，大多數(shù)研究集中在穩(wěn)態(tài)工況，試驗(yàn)基于熱平衡方程[9]：

式中：Qt為燃料完全燃燒產(chǎn)生的熱量，kW；Qe為轉(zhuǎn)化為有效功的熱量，kW；Qw為傳入冷卻介質(zhì)的熱量，kW；Qo為機(jī)油帶走的熱量，kW；Qr為損失到排氣中的熱量，kW；Qres為余項(xiàng)損失，kW。研究的一般過程是基于發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡試驗(yàn)，測(cè)量燃料燃燒各子熱量分配，確定發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升的研究方向，如圖1所示[7]。

20世紀(jì)30年代[10]，國(guó)外學(xué)者及機(jī)構(gòu)開始對(duì)汽油機(jī)的熱平衡進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)研究，目前研究主要集中在燃用混合燃料、采用陶瓷隔熱等技術(shù)后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱量分配及排放的影響[11-13]。Yuksel[14]進(jìn)行了摻氫汽油對(duì)四沖程V4發(fā)動(dòng)機(jī)熱量分配影響的研究，Taymaz[15]使用陶瓷襯套以優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)熱量分配，發(fā)現(xiàn)陶瓷隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)中冷卻水帶走的熱量減少，排氣帶走的熱量相應(yīng)增加。Pang等人[4]開發(fā)了一套可變調(diào)節(jié)的柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)以更合理地分配發(fā)動(dòng)機(jī)熱量，應(yīng)用該系統(tǒng)NO的排放量最高降低30%。Gharehghani[5]在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相比于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用天然氣并使用渦輪增壓系統(tǒng)，熱效率提高8.5%。

在發(fā)動(dòng)機(jī)熱量分配研究中，國(guó)內(nèi)學(xué)者也開展了大量的研究工作，并通過燃用摻混燃料以優(yōu)化熱量分配，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率[16]。韓冰[17]基于TY1100型柴油機(jī)熱量分配試驗(yàn)，總結(jié)了柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)對(duì)熱量分配的影響規(guī)律。以此為基礎(chǔ)，姚波[18-19]研究了柴油與碳酸二甲酯（DMC）混合燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱量分配的影響，發(fā)現(xiàn)15%～20%為DMC的最優(yōu)摻混比例，此時(shí)熱效率提高3%。

1.1.2 瞬態(tài)熱量

在發(fā)動(dòng)機(jī)過渡工況中，需要控制冷卻系統(tǒng)散熱量，使各系統(tǒng)溫度盡快達(dá)到最佳工作狀態(tài)，因此過渡工況的熱平衡試驗(yàn)也是發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù)的研究重點(diǎn)[20]。

在過渡工況中，以暖機(jī)工況為主要研究對(duì)象，與穩(wěn)定工況熱平衡試驗(yàn)不同，暖機(jī)過程需要測(cè)量機(jī)體內(nèi)能變化速度。發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡方程為[1,4]：

式中：b為機(jī)體吸收熱量，kW；u為機(jī)體散熱量，kW。劉忠民[1]進(jìn)行了暖機(jī)工況熱平衡試驗(yàn)，認(rèn)為機(jī)體吸熱量隨機(jī)體溫度升高而迅速降低，當(dāng)機(jī)體吸熱量趨近于0時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)接近熱平衡狀態(tài)。建立了發(fā)動(dòng)機(jī)集總參數(shù)模型，并提出了瞬態(tài)工況下熱平衡方程，其可對(duì)暖機(jī)工況下機(jī)體熱狀態(tài)進(jìn)行分析，為相應(yīng)工況發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻策略研究提供依據(jù)。

1.1.3 特殊環(huán)境條件熱量

車用發(fā)動(dòng)機(jī)工作在一些極端環(huán)境下（高原，高寒，高溫），由于其氣壓、溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)較正常工作環(huán)境有較大差異，通常會(huì)出現(xiàn)冷卻水易開鍋、冷卻系統(tǒng)性能下降、機(jī)體易過熱等問題[21]。如高原環(huán)境下，隨著海拔的升高，大氣壓力降低，空氣密度降低，空氣側(cè)換熱系數(shù)、散熱器外流阻力特性、風(fēng)扇特性參數(shù)（空氣流量、壓升、轉(zhuǎn)速）較平原發(fā)生很大變化[22-23]。面對(duì)極端環(huán)境，發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡性能受到綜合因素影響，運(yùn)用傳統(tǒng)熱平衡研究方法及系統(tǒng)模型顯然已不適用，所以進(jìn)行特殊工作環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡性能的研究對(duì)車輛技術(shù)的發(fā)展具有突出意義。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡技術(shù)的研究主要集中在平原環(huán)境，針對(duì)高原環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)熱量分配的研究較少，且缺乏從燃燒機(jī)理入手對(duì)高原環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)熱量分配問題的研究。殷琳[24]基于工程機(jī)械高原及沙漠環(huán)境適應(yīng)性研究，優(yōu)化其冷卻系統(tǒng)配置,提高了工程機(jī)械的工作性能。鄭智[25]、任曉江[26]基于柴油機(jī)高海拔熱平衡試驗(yàn)臺(tái)（見圖2），研究了不同海拔對(duì)熱量分配的影響，發(fā)現(xiàn)海拔5000 m時(shí)，轉(zhuǎn)化為有效功的熱量下降15.6%，排氣帶走的熱量下降20.6%，余項(xiàng)損失上升35%。

1,4電動(dòng)蝶閥；2進(jìn)氣穩(wěn)壓箱；3真空泵；5排氣穩(wěn)壓箱；6熱交換器；7空氣流量計(jì)；8壓氣機(jī)；9渦輪機(jī)；10,11,13,19,21溫度傳感器；12中冷恒溫裝置；14發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)；l5測(cè)功機(jī)；16柴油機(jī)；17電控節(jié)溫器；18、24冷卻液流量計(jì)；20電控變頻水泵；22冷卻液恒溫裝置；23燃燒分析儀；a進(jìn)排氣模擬系統(tǒng)；b冷卻液恒溫系統(tǒng)；c冷卻液流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)

目前針對(duì)高原環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)熱量分配計(jì)算存在一定缺陷，高原環(huán)境下，氣壓變低、空氣密度減小、氧氣含量減少，如保持原有供油量，一部分燃料不能完全燃燒，應(yīng)用以往的熱平衡方程計(jì)算熱量分配，將有過多的熱量被歸入余項(xiàng)損失中，計(jì)算準(zhǔn)確性降低。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷

表征熱負(fù)荷大小的主要參數(shù)是關(guān)鍵零部件溫度、熱流量及熱應(yīng)力。發(fā)動(dòng)機(jī)部件在高溫下強(qiáng)度降低，溫度過高會(huì)使零部件熱裂或局部燒熔，破環(huán)零部件間的正常間隙，產(chǎn)生拉缸，溫差過大導(dǎo)致熱應(yīng)力過大，零部件產(chǎn)生熱疲勞裂紋[27]。隨著大功率柴油機(jī)向高功率密度方向發(fā)展，柴油機(jī)零部件工作環(huán)境更加惡劣，熱負(fù)荷研究對(duì)于保證柴油機(jī)可靠性、提高經(jīng)濟(jì)性具有重要意義，因此在熱平衡研究中，發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷研究也是重要一環(huán)。

國(guó)外學(xué)者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷的研究主要集中在平原環(huán)境下受熱部件熱負(fù)荷評(píng)價(jià)，及采用高新技術(shù)控制發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷。Shojaefard[28]基于有限元對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋熱量分布進(jìn)行了研究。Silva[29]根據(jù)活塞的疲勞破壞情況，運(yùn)用有限元對(duì)活塞不同部位進(jìn)行了熱應(yīng)力分析。Najafabadi[30]進(jìn)行活塞冷卻噴嘴技術(shù)對(duì)活塞熱負(fù)荷影響的研究，結(jié)果表明，活塞頂部溫度的平均值可以降低約70 K。

相較于國(guó)外，國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)及學(xué)者在評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷的同時(shí)，將目光更多地聚焦在優(yōu)化子系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配以降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷、提高燃油經(jīng)濟(jì)性方面[31-33]。駱清國(guó)[34]基于GT-POWER對(duì)缸內(nèi)熱流分布及高溫部件的溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析，缸內(nèi)高溫部件最高溫度對(duì)比見表1，可見排氣門頭部溫度在最大扭矩工況時(shí)可達(dá)813 K。

表1 缸內(nèi)高溫部件最高溫度對(duì)比

汪茂海[35]利用Flow-Master仿真軟件將冷卻風(fēng)扇由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸驅(qū)動(dòng)改為電控液壓驅(qū)動(dòng)，各換熱器由水冷改為風(fēng)冷。結(jié)果表明，新的熱管理系統(tǒng)有效解決了原車高原過熱問題，并在海拔3700，4500 m下減少燃油消耗率6 g/(kW·h)。王憲成[36]進(jìn)行了噴油參數(shù)對(duì)高原環(huán)境柴油機(jī)熱負(fù)荷影響的研究，發(fā)現(xiàn)在海拔4000 ｍ時(shí)，相較于平原環(huán)境，提前供油提前角4 ℃A，活塞表面溫度、渦前排溫分別下降15，30 ℃。

目前，大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷研究采用試驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方法，可在廣泛的氣候條件和發(fā)動(dòng)機(jī)工況范圍內(nèi)對(duì)其性能進(jìn)行研究，但對(duì)于一些仿真結(jié)果相差不大的情況，原機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、模型的準(zhǔn)確性顯得尤為重要。

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)智能控制研究

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)工作效率直接影響高溫部件的熱負(fù)荷、整機(jī)的熱量分配和能量利用。傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸通過皮帶機(jī)械式驅(qū)動(dòng)，不能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)變工況冷卻散熱需求實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，冷卻系統(tǒng)智能控制研究主要包括冷卻系統(tǒng)部件的電控化和冷卻系統(tǒng)控制策略研究[37]。

1.3.1 冷卻系統(tǒng)部件電控化

電機(jī)或液壓驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)扇、水泵、節(jié)溫器研究是目前冷卻系統(tǒng)部件電控化研究的主流方向，部件的電控化可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱需求，更準(zhǔn)確、迅速地提供冷卻介質(zhì)流量，降低了能耗，提高了效率。

國(guó)外在冷卻系統(tǒng)部件電控化研究方面，電控化冷卻風(fēng)扇與節(jié)溫器的應(yīng)用研究已逐漸進(jìn)入產(chǎn)品化階段，相比于風(fēng)扇與節(jié)溫器而言，水泵的可控化研究起步較晚，主流電控水泵由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于其功耗完全依賴于蓄電池或發(fā)電機(jī)，開發(fā)成本高，目前未形成廣泛的應(yīng)用。Ricardo 公司和Daimler Chrysler 公司基于脈寬調(diào)制（PWM）方式開發(fā)的42 V-14 V 雙電壓系統(tǒng)[38]，實(shí)現(xiàn)了電子風(fēng)扇的無機(jī)調(diào)速，提高了電能轉(zhuǎn)換效率，增強(qiáng)了冷卻系統(tǒng)散熱強(qiáng)度。博格華納公司[39]在結(jié)合機(jī)械泵與電控泵優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種雙模式冷卻泵(DMCP)，可節(jié)油2%。一汽大眾寶來APF冷卻系統(tǒng)采用了多回路電控節(jié)溫器[40]，其將節(jié)溫器與冷卻液分配法蘭結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了大小循環(huán)中冷卻液流量的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)控制。

國(guó)內(nèi)方面，冷卻系統(tǒng)部件電控化研究起步晚，且主要集中在冷卻風(fēng)扇電控化研究。郭新民[41]開發(fā)了冷卻風(fēng)扇自動(dòng)控制裝置，安裝于載貨汽車開展試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)相比機(jī)械式冷卻系統(tǒng)，電控化冷卻風(fēng)扇降低燃油消耗率7%。

1.3.2 冷卻系統(tǒng)控制策略

電控化冷卻系統(tǒng)部件，優(yōu)化了冷卻系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的同時(shí)提高了系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的可控性，為冷卻系統(tǒng)控制策略研究奠定了基礎(chǔ)[42]。冷卻系統(tǒng)控制策略智能化，可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱需求合理分配冷卻流量，縮短起動(dòng)預(yù)熱時(shí)間，減少熱損失，使發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳的工作狀態(tài)[43-44]。

為提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率、滿足愈加嚴(yán)格的排放法規(guī)[45-46]，國(guó)外學(xué)者開展了以智能控制為最終目標(biāo)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)控制策略研究[47-48]，提高了冷卻系統(tǒng)響應(yīng)速度及準(zhǔn)確率。Salah[47]建立了由電控風(fēng)扇、電控水泵、電控三通閥組成的試驗(yàn)系統(tǒng)，基于蒸汽熱交換器模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程產(chǎn)生的熱量，發(fā)現(xiàn)該熱管理系統(tǒng)可在3 min內(nèi)達(dá)到冷卻液目標(biāo)溫度，追蹤誤差在0.3%以內(nèi)。

國(guó)內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)研究正向智能化方向轉(zhuǎn)變，但還處于起步階段。劉楠[6]綜述了冷卻系統(tǒng)部件及其集成電子控制的工作原理，如圖3所示，分析了冷卻系統(tǒng)部件及其控制策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。認(rèn)為冷卻系統(tǒng)智能化可實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化匹配，減少發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱時(shí)間80%以上，節(jié)油7%左右。

1微控單元ECU；2 冷卻水溫度傳感器；3散熱器；4風(fēng)罩；5電控風(fēng)扇；6電源；7電控水泵

綜上所述，進(jìn)行車用發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡研究，通過優(yōu)化熱量分配、冷卻系統(tǒng)智能化控制等手段可提升熱效率8.5%，降低30%的NO排放量，減少發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱時(shí)間80%以上。國(guó)外針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡研究開展較早，技術(shù)領(lǐng)先，尤其在冷卻系統(tǒng)智能控制方面，已有市場(chǎng)化的智能控制冷卻系統(tǒng)應(yīng)用案例。由于試驗(yàn)條件制約、技術(shù)和市場(chǎng)需求以及研制成本高等原因，國(guó)內(nèi)針對(duì)冷卻系統(tǒng)零部件尤其是可控風(fēng)扇的研究較多，而在冷卻系統(tǒng)集成化、控制系統(tǒng)及控制策略開發(fā)等方面處于劣勢(shì)。國(guó)內(nèi)外大部分發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡研究針對(duì)平原常溫環(huán)境，由于我國(guó)特殊的地理環(huán)境，對(duì)高原環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡研究需求遠(yuǎn)超國(guó)外，國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)高海拔熱平衡研究起步較晚，且可借鑒成果較少，研究方興未艾。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡研究發(fā)展趨勢(shì)

目前車用發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡研究主要向兩個(gè)方向發(fā)展：高原環(huán)境條件下發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡研究；冷卻系統(tǒng)集成控制。

2.1 高原環(huán)境條件下發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡研究

國(guó)外關(guān)于車用發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡研究一般在海拔3000 m以下[26]，我國(guó)青藏高原平均海拔超過4000 ｍ，總面積達(dá)240萬km2，約占國(guó)土面積的1/4[49]，對(duì)高原環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡研究需求遠(yuǎn)超國(guó)外。

針對(duì)高原環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)熱量分配計(jì)算存在一定缺陷，且缺少對(duì)受熱部件熱應(yīng)力的分析。高原環(huán)境下氣壓變低，空氣密度減小，氧氣含量減少，如保持原有供油量，一部分燃料不能完全燃燒，應(yīng)用以往的熱平衡方程計(jì)算熱量分配，將有過多的熱量被歸入余項(xiàng)損失中，計(jì)算準(zhǔn)確性降低。應(yīng)以冷卻系統(tǒng)流動(dòng)與傳熱為切入點(diǎn)，從燃料燃燒后熱量的傳遞及冷卻系統(tǒng)流動(dòng)、傳熱變化機(jī)理入手，深入研究高原環(huán)境下熱量分配變化規(guī)律。高原環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)受熱部件溫差大，熱應(yīng)力大，易產(chǎn)生熱疲勞裂紋。為評(píng)價(jià)并控制發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡模擬試驗(yàn)技術(shù)研究是未來研究的重點(diǎn)。

2.2 冷卻系統(tǒng)集成控制

智能化的冷卻系統(tǒng)在保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠性的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度的精確控制，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。國(guó)內(nèi)針對(duì)冷卻系統(tǒng)零部件尤其是可控風(fēng)扇的研究較多，而在冷卻系統(tǒng)集成化控制及控制策略開發(fā)等方面處于劣勢(shì)。對(duì)于極端工作環(huán)境，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)智能控制研究還停留在試驗(yàn)研究階段。如高原環(huán)境下，缸內(nèi)燃料燃燒惡化，發(fā)動(dòng)機(jī)易“開鍋”，冷卻系統(tǒng)散熱能力下降，燃燒過程不明確。

因此，以發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)集成控制為最終目標(biāo)，運(yùn)用一維與三維聯(lián)合模擬[50]的方法，開展高海拔對(duì)冷卻系統(tǒng)流動(dòng)與傳熱過程影響及柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)高海拔變流量控制的相關(guān)研究是發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡研究的發(fā)展趨勢(shì)。

3 結(jié)語

1）進(jìn)行車用發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡研究，改善熱量分配，降低熱負(fù)荷，優(yōu)化子系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配，可提升熱效率8.5%，NO排放量降低30%，減少發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱時(shí)間80%以上。

2）高原環(huán)境下，氣壓、溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)較平原有所差異，應(yīng)以冷卻系統(tǒng)流動(dòng)與傳熱為切入點(diǎn)，從燃料燃燒后熱量的傳遞及冷卻系統(tǒng)流動(dòng)、傳熱變化機(jī)理入手，深入開展高原環(huán)境下熱量分配變化規(guī)律研究。

3）高原環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)受熱部件溫差大，熱應(yīng)力大，易產(chǎn)生熱疲勞裂紋，為評(píng)價(jià)并控制發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡模擬試驗(yàn)技術(shù)研究是未來研究的重點(diǎn)。

4）發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)工作效率直接影響高溫部件的熱負(fù)荷和發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。以發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)集成控制為最終目標(biāo)，開展高原環(huán)境柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)智能控制研究以最優(yōu)化匹配散熱需求是未來發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡研究的方向。

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Research Progress and Prospect on Thermal Balance of Vehicle Engine

YANG Chun-hao1, LIU Rui-lin2, CHEN Lu-yang2, ZHANG Zhong-jie2, JIAO Yu-fei2

(1.Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2.University of Military Transportation, Tianjin 300161, China)

With heat distribution and heat load of engine as well as intelligent control of cooling system as the starting point, this paper summarized the current situation of thermal balance research of vehicle engine and discussed the further development direction. It pointed out that for the special plateau environment in China, we should focus on the mechanism of heat distribution change in extreme working environment, research on engine thermal balance simulation test technology, and carry out the intelligent control of the cooling system of the plateau environment diesel engine to optimize the matching heat dissipation requirement in the thermal balance research of engine.

vehicle engine; thermal balance; heat distribution; heat load; intelligent control of the cooling system

10.7643/ issn.1672-9242.2017.10.012

TJ810.3+1

A

1672-9242(2017)10-0063-06

2017-07-20；

2017-08-30

楊春浩（1990—），男，黑龍江齊齊哈爾人，博士，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理的研究。