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0 引言
汽车发动机燃料燃烧产生的热转换是一种高效的能量，这些能量一部分被传递到发动机的冷却介质中，另一些则是通过废气中的热传递和抵消了摩擦力的损耗。该文根据内燃机热能特性、不同损耗和不同的能量分布来研究燃料总热量的利用情况。在整个车辆中，发动机的冷却和机油与周围温 度之间的关系保持平稳的现象就是所谓的“汽车热平衡”
。为了保证汽车发动机的热平衡，一般期望有效功占据的比重较大，这样能改善发动机的热效率。从汽车的角度来看，一般期望能够在最短时间内使发动机的冷却和润滑油与外界的温差保持在一个合适的温度区间内。
汽车热平衡是汽车热管理的重要内容，也是汽车重要的性能开发项目。如果热量不均衡，会导致冷却水的温度不能保持在一个较高水平，则会引起发动机的热保护，造成发动机的热阻，或者即使冷却水的温度是稳定的，但发动机的冷却液没有处于良好的工作温度，则会造成发动机的油耗和排放率均较差[1]。
1 汽车热平衡问题的根源
车辆发动机冷却液所承载的能源转换的简化图如图1所示。发动机水箱的冷却液体会从发动机中吸取热量，并通过散热回到发动机。在散热装置中，热的冷却液经过散热片和冷气流进入热量交换。一方面，当冷却液从发动机中排出后，由于其所带的热能不足，无法迅速排出，因此其温度会不断升高，无法得到控制。即使从发动机中排出的冷却水能够携带大量的热，但是在散热器中的热交换很差，导致冷却液被风吸走得更多，更多的热会回到发动机中，导致发动机的冷却温度不断上升。总之，如果不能通过高效的冷却液体将发动机的热带走并将其充分输送至大气中，则会产生大量的冷却液体，进而导致车辆无法达到热平衡。
2 发动机热平衡试验方法
发动机的热平衡测试分为台架测试和整车道路测试2种。在发动机台架上进行试验时，边界条件比较好控制，测试和运行更方便。但整车道路测试对汽车的性能要求很高，必须保证发动机在最大转矩和最 大功率的情况下进行。通常使
用牵引模式，在前后车辆之间选取适当的档位来控制样车始终保持最大的转矩，并要求车速不超过20km/h ，续航里程大约5km 。在此条件下，该文对发动机冷却液温度、中冷后进气温度等各参数的变化进行了监测。发动机各个系统的传感器的测量点如图2所示。
在发动机的制冷系统中，温度是决定其工作效率的重要因素。如果发动机制冷系统冷却液温度太低，很可能会导致排气性能下降，零件磨损加重，输出功率下降，进而降低发动机的使用寿命。但是温度过高也会导致引擎的损耗，可靠性降低。该文对某公司研制的昊龙T 2808x 4自卸车进行了试验，其动力装置为玉柴YC 6L 290-42。
该试验是在29.2℃的平均环境温度下进行热平衡研究的，当发动机处于最大扭矩状态（1500r/min ）时，发动机冷却液温度的变化趋势如图3所示。
汽车发动机热平衡分析与优化
王 浩1 钱奇峰2 傅杨程2
（1.浙江宁巍机械科技有限公司，浙江 诸暨 311835；2.浙江永成机械有限公司，浙江 诸暨 311835）
摘 要：汽车热平衡是车辆的热控技术和性能研究中的一个关键问题。当热平衡不理想时，冷却液的温度不能保持恒定，持续升高，就会引发发动机的热保护而限扭，即使达到稳定，也会因为冷却液不在正常的工作状态，造成燃油消耗和尾气排放不佳。该文从汽车热平衡的根本原因入手，对发动机进行了全面的研究，采用了水路和气路两种方式进行了热平衡的分析，达到了预期的目标。并已完成了台架的气蚀和可靠性测试。关键词：热平衡；汽车发动机；热保护 中图分类号：TK 411 文献标志码：A
图2 发动机各系统传感器上的测量点
中冷前压力中冷前温度中冷后温度中冷后压力
出水温度
进水温度
排气背压
进气温度进气阻力图1 冷却液热量传递简图
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图3 发动机冷却液温度变化趋势
冷却水温度（°C ）
进水温度出水温度
行驶公里数（km）
1009080706050400
1
2
3
4
5
按照热力学的基本原理，即能量守恒，在发动机起动期间，电池堆、部件、管路和冷却介质等都要经过一定的时间才能达到一定的温度。该文对蓄电池组和发动机进行了热力学建模，得出如下结论：1）在最后一台发动机关机后，蓄电池中的水分被清洗一空，也即在起动前没有出现任何初期的水汽和冰冻现象。2）除了小循环回路以外，其他管路、部件和冷却水的轻度分流都会对回路散热产生不利作用[2]。
模型及输入参数具体如下。
当汽车发动机在0℃时起动时，需要充分利用发动机组件和从外界环境到零点的冷却液体顺利启动所需要的能源。低温起动所需的能源如公式（1）所示。
Q =∑C I M I ∆T （1）式中：C I 为发动机各组件、冷却液比热容，J/（kg ·K）；
M I 为发动机各组件、冷却液质量，kg；
ΔT 为停止加热的温度和启动环境温度之差，℃。
此计算模式对发动机加热所需要的热进行了估算，其中包括3个主要部件：集流板、双极板和小循环系统，而不包括节温器、水泵等部件和管道的加热。用于进行模拟的模型输入参数见表1。
从表1的各个参数出发，利用公式可以求出护风罩、双极板和冷却液在PTC 停止受热时所需要的热和总热。
3 试验测试方案3.1 测试台架
该文对2种不同类型的发动机进行了热平衡试验，采
用了-35℃的冷却液体
（50%乙二醇）。环境测试盒（TH 6-15D ）
、电子节温器、充气水槽、泵、PTC 加热炉、氢气循环泵、氢气系统、空压机、空气滤清器、风量表、湿度传感器、升压DCDC 、电压收集调节器等[3]。汽车预热器
3.2 测试方案
在-35℃、-30℃、-5℃条件下，进行了2次热平衡试验，记录了从低温冷起动到10℃的数据。
3.3 试验热量供给
电堆加载后自身产热如公式（2）所示。Q gen =∫（1.25-V cell ）/V cell ·P cell ·d T cell （2）
式中：
P cell 为电池堆输出功率，kW ；V cell 为为电堆池平均电压，kg；
T cell 为电池堆开始加载到PTC 停止加热的时间，s。
利用PTC 对冷却剂进行加热，由此使电堆预热，向电堆供应如公式（3）所示的热。
Q PTC =∫P PTC dt
（3）式中：
Q PTC 为PTC 的功率，kJ ；P PTC 为PTC 加热量，kW ；t 为PTC 从加热到加热结束的时间间隔，s。
从试验记录中可以看出，以上2个公式的计算值之和就是该系统在低温起动过程中发动机的真实温度。
3.4 护风罩匹配
护风罩的作用是确保风扇产生的风量集中流经散热器，以提高风扇效率。护风罩对低速大功率风扇效率的提高特别显著。风扇与护风罩的径向间隙越小，风扇的效率越高。但间隙过小，车辆在行驶中的振动会使风扇与护风罩之间产生干涉。风扇与护风罩之间的径向间隙一般控制在5mm~25mm 。风扇与护风罩的轴向位置在护风罩内一般为风扇径向投影宽度的2/3，而余下的1/3在护风罩外，以增加导流，减少背压。风扇直径大小应和散热器的形状相协调，条件允许时可增大风扇的直径，降低风扇转速，以达到降低功率消耗和噪声的目的。安装护风罩时必须注意护风罩与散热器之间不得有缝隙，应采用橡胶或泡沫塑料垫加以密封，以保证冷却效率不会下降。
4 结果对比与分析
实际热量和计算热量的偏差的表达公式：偏差=（实际热量-算出热量）/真实热量/100%。实际热量和计算热量的偏差见表2。
从表2可以看出，2个试验台上的8个试验中实测的
表1 模型计算输入参数
参数
数值/备注
数值/备注
发动机代号
A B 环境温度（低温）/℃
-35，-30
-30，-5电热器（PTC）停止加热温度/℃
1010护风罩质量/kg
0.872 1.66护风罩比热容/（J/kg ℃）390390双极板导热系数/（W/m·K）1515双极板比热容/（J/kg·K）
710710双极板总重/kg
42.3634.92冷却液导热系数/（W/m·K）0.33
0.33
冷却液比热容/（J/kg·K）
按PTC停止加热的温度和低温启动环境温度平均值计
算：3118.6~3160
按PTC停止加热的温度和低温启动环境温度平均值计算：
3118.6~3160
冷却液体积/L 4.24 4.24冷却液密度/（kg/m 3）
取临界温度和PT停止加热温度平均值：1102~1100
取临界温度和PTC停止加热温度平均值：1102~1100
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温度和模型的计算误差只有6%左右，这表明该方法的精度很高，完全可以应用到低温度下的制冷设备的选择和控制。
产生这种误差的原因如下：1）PTC 的输出功速率资料有误差。2）对堆热容量进行预估时，没有分析堆体端板、节温器、水泵及管路等向外部辐射的情况[4]。
5 热平衡分析过程中的注意事项
为了保证曲轴箱内气体的温度处于最大值，发动机曲轴箱通风装置以及进气歧管的温度必须低于发动机各系统热平衡的温度。因此空气预热器以及主燃油滤清器的温度应控制在规定的温度范围内。对整个发动机的冷却器而言，其冷却液温度应该保持在200℃~300℃。如果发动机中存在积碳，则可以利用消声器来消除发动机中产生的过多积碳。对汽缸盖的散热部分，则必须设置有效温度监控装置，保证发动机循环中汽缸内有足够多的空气供给涡轮转动，使其转动并产生一定程度的温度上升。
5.1 对曲轴箱通风装置的选择与设计
对轿车而言，其动力系统是由发动机、变速箱以及空调等几部分组成的。而发动机产生的热量主要来源于发动机的曲轴箱，曲轴箱对热量具有一定的传导作用，因此在热平衡分析中需要对发动机的曲轴
箱进行研究，确定其传热系数和换热性能，进而来决定通风装置的结构与设计。选择发动机曲轴箱通风装置时，根据其实际用途及要求，确定其传热系数为90W/m ²~100W/m ²以及其换热性能为200W/m ²~250W/m ²两个指标。进行汽车发动机曲轴箱通风装置的结构与设计时主要根据其结构形式和外形来确定，一般情况下包括主通风孔（包括进风口）和副通风孔两种形式及其特征形式，而副通风孔则可由曲轴箱通风装置所产生的空气量以及曲轴箱进气侧所产生的汽化传热系数来决定。
5.2 对发动机进气道应进行散热优化
对发动机进气道的热作用而言，由于进气道的流道是
处于发动机正中间的，因此它的热量传输效率比较高。发动机进气道的空气流量和进气压力等因素都会对其热传递效率产生一定的影响，如果这个气缸进风口空气流道处于发动机正中间，进风口的空气流道处于发动机两侧，而排风口的空气流道处于发动机正偏中心，则其进气量和出气口压力也会相对较高。当发动机进风口设置在发动机正偏中心时，会使进气口气流沿发动机两侧循环流动并产生
一系列的气流和热气流。如果进气口设置在发动机两侧，则容易出现发动机进气道气流偏移以及空气中烟尘含量过高等现象。因此对进气口位置进行选择时应注意进气道附近是否有大直径的散热孔、进气口数量是否多以及如何设置通风孔等[5]。
发动机进气口的形状和尺寸，进气道、节气门和进气道的几何形状与尺寸都会对进气量产生影响。如果进气道太长，则进气量小；如果进气道设计得过长（超过进气空间），就会导致气流在发动机内的流动速度降低，气流阻力增大，进而引发发动机功率下降。所以对进气道进行合理的设计是提高发动机功率的关键。通常情况下，发动机进气口都是设置在发动机前部的。为了使它的长度尽量小而又不影响其空气流量，应考虑将其尽量靠近空气进口，并在这个位置上布置进气道。此外，为了避免因空气进口距离较短造成空气流量不足带来的发动机性能下降问题，还应考虑在进气道前缘设计一个导流片来引导气流在此形成环流结构。最后还要注意对进气道上布置的其他部件进行合理设计及选择，使整个汽油机系统能保持良好的工作状态。
6 结语
为了更好地实现低温起动的精确控制，给我建立了一个数学模型，将该模型与试验结果进行了比较，得出的结果与模拟结果的偏差小于6%，这表明该模型对温度变化的预测精度是非常高的。该模式可应用于发动机辅助热启动时的温度预测、指导系统设计、低温启动的控制方案和选择。
参考文献
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[2]林瑞，蒋正华，任应时，等.低温工况下燃料电池性能衰减及策略优化[J].同济大学学报，2018，46（5）：658-666.
[3]都京，王宇鹏，马秋玉，等.车用燃料电池发动机冷启动方法综述[J].汽车文摘，2019（1）：37-41.
[4]汪飞杰.燃料电池发动机-20℃冷启动研究[J].新能源汽车，2017（8）：3-6.
[5]张迪，吴凯，陈中楠，等.PEM 燃料电池冷启动热平衡研究[J].电源技术，2019，43（7）：1151-1153，1160.
表2 测试实际能量和计算能量比较
试验组环境温度/℃
发动机代号升温所需总热量理论值/kJ
升温到10℃时电池堆发热和PTC输出热量总值/kJ
偏差/％1-35 YC6L290-422092.782193.25 4.582-35 YC6L290-422092.782218.09 5.653-35 YC6L290-422092.782127.61 1.644-35 YC6L290-422092.781985.94-5.38 5-30YC6L290-421860.25
1905.6 2.356-30YC6L290-421673.541781.53 6.067-30YC6L290-421673.541766.99 5.298
-5
YC6L290-42
629.52
661.21
4.79
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