汽車的熱管理系統(tǒng)及其模塊

       長期以來人們一直孤立地考慮汽車駕駛室的空調(diào)系統(tǒng)和發(fā)動機的溫控系統(tǒng)。但是，隨著電子控制技術(shù)的發(fā)展，Behr公司已經(jīng)開始綜合考慮發(fā)動機以外的所有熱流和物流問題。這種被稱作熱管理的觀點，將有力地推動技術(shù)革新。采用新改進的模塊和系統(tǒng)很快將會在很多方面出現(xiàn)可觀的改善，比如在乘客的舒適性、安全性，系統(tǒng)和模塊與車輛的一體化以及對生態(tài)的保護方面。

1 通過熱管理進行革新

1.1 舒適性和安全性

       在這方面最重要的技術(shù)革新是空調(diào)分成四個區(qū)域，舒適度可以調(diào)節(jié)，同時降低室內(nèi)噪音。由于空調(diào)分成四個區(qū)域，所以后排的乘客可以視個人需要調(diào)節(jié)溫度、空氣流量及空氣分布情況，因此除了貨車、小貨車及多功能機動車等車廂較大的車型，一般車型的車廂后部無須再單獨安裝空調(diào)器。由于有傳感器測量日照強度、空氣質(zhì)量、空氣溫度和速度，因此在舒適度方面可以實現(xiàn)恒溫的舒適環(huán)境，并且不受車外陽光強度、有害物質(zhì)的濃度和溫度以及乘客散發(fā)的濕度影響(圖1)。因為采用新型通風(fēng)裝置和風(fēng)扇電動機支架，改進空調(diào)的導(dǎo)風(fēng)裝置，及采用吸音材料，所以車內(nèi)噪聲控制達到了新標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 生態(tài)保護

       這方面的革新是采用CO2。一制冷裝置(圖2)、電子壓冷卻廢氣再循環(huán)裝置、恒溫器以及電子控制的VISCO離合器。通過上述技術(shù)革新直接和間接地減少了溫室效應(yīng)，還比普通制冷裝置制冷能力高。通過采用廢氣冷卻再循環(huán)(圖3)能夠達到歐洲柴油機技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)EUR0狐和EUROIV。使用特性曲線恒溫器可以在部分負(fù)荷時提高制冷劑溫度，降低能耗，減少排放。

1.3 與車輛的一體化

       小型多功能空調(diào)器配有新型導(dǎo)風(fēng)部件，即所謂的百葉窗式導(dǎo)風(fēng)片。這種空調(diào)還配有空氣混合模件，在空氣動力學(xué)方面進行優(yōu)化，因而節(jié)省空間，使儀表盤在結(jié)構(gòu)上有更大的空間(圖4)。另外，還由于制冷劑冷卻器和冷凝器是一個整體而節(jié)省了空間(圖5)。也因此而簡化了復(fù)雜的安裝程序，組件也可以在結(jié)構(gòu)上進行優(yōu)化。同時，小型多功能冷卻模塊也對于中型和重型汽車非常重要，因為這些車的冷卻模塊在結(jié)構(gòu)上還有很重要的作用。通過進行有限元模擬可實現(xiàn)新的結(jié)構(gòu)和固定方法，結(jié)果明顯提高了耐久性能。通過重新設(shè)計傳熱器的安裝位置還節(jié)省了安裝空間(圖6)。

2 系統(tǒng)的構(gòu)成

       在系統(tǒng)構(gòu)成中最重要的是物理系統(tǒng)和它的子系統(tǒng)的優(yōu)化改進，以便在系統(tǒng)中創(chuàng)造一種相互協(xié)調(diào)作用。在這方面涉及到空氣調(diào)節(jié)和發(fā)動機冷卻這兩個系統(tǒng)。空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)由空調(diào)器／通風(fēng)裝置、制冷劑循環(huán)系統(tǒng)、制冷裝置、操作面及調(diào)節(jié)裝置等子系統(tǒng)組成。對發(fā)動機進行冷卻的子系統(tǒng)有：冷卻模塊／冷卻空氣導(dǎo)向裝置、制冷劑循環(huán)系統(tǒng)、增壓空氣、廢氣、傳動油和機油等。

       汽車的空調(diào)系統(tǒng)由制冷裝置、空調(diào)器、冷卻回路等組成。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)由三個方面組成：第一是熱動力方面：從制冷器到冷卻模塊，再到整個系統(tǒng)；第二是空氣動力方面：從通風(fēng)裝置到通風(fēng)裝置外殼，到冷卻模塊，再到整個系統(tǒng)；第三是電器／電子控制方面：從通風(fēng)裝置發(fā)動機和水泵到整個系統(tǒng)。

       在系統(tǒng)開發(fā)過程中有一個重要的觀點，即在汽車制造商和系統(tǒng)供應(yīng)商之間要建立一種過程聯(lián)網(wǎng)，也就是在CAE模具、集體設(shè)計和決定過程之間的聯(lián)網(wǎng)。只有這樣才能利用這種系統(tǒng)構(gòu)成的優(yōu)勢，因為這樣做首先就提高了接口的復(fù)雜程度，在過程聯(lián)網(wǎng)中模擬具有很重要的作用。

2.1 在空氣調(diào)節(jié)方面系統(tǒng)所具有的優(yōu)勢

       統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)、開發(fā)研制空調(diào)系統(tǒng)以實現(xiàn)總體優(yōu)化能降低能耗、減少排放，因為這樣能夠提高整個系統(tǒng)的效率，同時空壓機、通風(fēng)裝置和通風(fēng)裝置發(fā)動機只有在需要時才接通工作。當(dāng)有可能出現(xiàn)臨界負(fù)載時，還可以在保證乘客的舒適性和降低能耗及排放兩者之間作選擇。

       通過整體優(yōu)化可提高乘客的舒適度，使調(diào)節(jié)軟件和系統(tǒng)硬件相互協(xié)調(diào)可以更好地調(diào)節(jié)溫度、空氣速度和空氣濕度；對各個組件進行最佳設(shè)置又將縮短冷卻和預(yù)熱時間；將通風(fēng)這一子系統(tǒng)內(nèi)的壓差降低到最小，可以降低噪聲，而且使人在感覺上有明顯的改善；使硬件與調(diào)節(jié)裝置提前相互協(xié)調(diào)可以在結(jié)構(gòu)上更符合人體工程學(xué)。此外，如果在安排各個組件時考慮到整個系統(tǒng)的最佳狀態(tài)，將避免參數(shù)選擇過大，因而節(jié)省成本。

2.2 在發(fā)動機冷卻方面系統(tǒng)所具有的優(yōu)勢

       通過在局部負(fù)載時提高、在滿負(fù)載時降低冷卻劑的溫度可以降低能耗和排放。這兩者均可通過缸蓋和缸套中不同的溫度來實現(xiàn)，因而改善燃燒和摩擦。通過優(yōu)化子系統(tǒng)的功率消耗情況，特別是優(yōu)化通風(fēng)裝置及水泵的功率消耗可以降低附加損耗。通過改善冷啟動發(fā)動機的預(yù)熱性能(比如通過使用百葉窗)，可選擇是為車廂升溫，還是為發(fā)動機預(yù)熱，能夠進一步改善負(fù)載循環(huán)情況。如果按照整個系統(tǒng)的最佳狀態(tài)來確定各個組件的技術(shù)參數(shù)，在發(fā)動機冷卻方面能夠明顯地節(jié)省空間，減小質(zhì)量，因而又降低成本。

3 大的集成模塊的構(gòu)成

       這里研究的是指在一個較大的組件中創(chuàng)造一種協(xié)調(diào)作用。這種協(xié)調(diào)原則上表現(xiàn)為，使一個組件承擔(dān)過去由多個組件承擔(dān)的任務(wù)，其結(jié)果是節(jié)省空間、減小質(zhì)量、改善功能。原來的空調(diào)器現(xiàn)在發(fā)展成一個大的模塊，叫做駕駛室模塊，裝有橫梁、通風(fēng)風(fēng)道、儀表板和音響裝置，有時還有轉(zhuǎn)向軸和踏板。冷卻模塊發(fā)展成汽車前臉模塊(圖7)，有車燈、橫梁、縱梁、冷卻器支架和保險杠。

3.1 駕駛室模塊的開發(fā)思路

       目前可以確認(rèn)有三種方法：一是人與車的關(guān)系；二是設(shè)計／美學(xué)；三是結(jié)構(gòu)／熱動力學(xué)。在人與車的關(guān)系這種方法中，各個組件的制造商使用統(tǒng)一改進的操作面來實現(xiàn)。它的優(yōu)點是：將駕駛室的所有電子部件集束，在操作上最符合人體工程學(xué)。設(shè)計／美學(xué)這種方法是以儀表盤為駕駛室模塊的基礎(chǔ)，裝有其他機械和電子部件。使用上述這兩種方法的問題是：駕駛室的操作面和儀表盤成了每輛汽車的主要標(biāo)志，而這些組件千篇一律的外觀將削弱汽車廠家在市場上的競爭能力。

       在結(jié)構(gòu)／熱動力學(xué)方法中，空調(diào)和橫梁的制造商試圖從結(jié)構(gòu)上做文章來生產(chǎn)駕駛室模塊，其優(yōu)點是：空調(diào)、橫梁及通風(fēng)風(fēng)道是駕駛室在結(jié)構(gòu)上起主導(dǎo)作用的部件。一旦這些部件之間達成協(xié)調(diào)，那么這個模塊會更加小巧玲瓏。

       Behr公司決定采用結(jié)構(gòu)／熱動力學(xué)方法，因為從長遠(yuǎn)來看，它似乎是最佳的方法。采用此方法將空調(diào)、橫梁和通風(fēng)風(fēng)道，必要時還有操作臺集中裝入一個基礎(chǔ)模塊中(圖8)，而且每個部件兼有許多不同的功能。這種多功能性可以使人如愿減少安裝空間，減小質(zhì)量。這種基礎(chǔ)組件方案的的結(jié)果是使其功能與設(shè)計分離。這樣一來，汽車制造商在設(shè)計儀表盤時可以繼續(xù)走自己的路。這種集成的基礎(chǔ)組件很明顯使制造商在儀表盤的結(jié)構(gòu)上可以有更大的自由空間，可以使后備箱空間更大，或者可以有更大的自由度，使車廂內(nèi)徹底改觀。鑒于這些要求今后還會繼續(xù)發(fā)展出新型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)組件，這又可能會導(dǎo)致一些功能的分化。

3.2 汽車前臉模塊的開發(fā)方法

       對汽車前臉模塊的開發(fā)也可以從三個方面進行：車燈、冷卻模塊／通風(fēng)裝置以及模梁／抗撞擊能力。因此目前這三個領(lǐng)域的供貨商就成了前臉模塊的主要供貨商。比這三個方面都重要的是前臉的裝配，這一點與駕駛室模塊完全相同，而且現(xiàn)在汽車前臉完全是由汽車制造商開發(fā)研制的。但是，在未來幾年中市場是會出現(xiàn)第一批由一個或者多個供貨商研制的汽車前臉模塊，將向世人展示大模塊內(nèi)的協(xié)調(diào)性最初得以實現(xiàn)的情況。

       目前，HELLA—BEHR汽車系統(tǒng)有限公司正在進行的“整體前臉模塊”項目集中研究的是，如何模擬駕駛室大模塊使各個組件具有多項功能，這樣一來，全鋁制的組件(冷卻器和冷凝器)基本上可以承受相應(yīng)的撞擊力量。為了提高前臉大模塊在結(jié)構(gòu)上的整體性，還可以從結(jié)構(gòu)上考慮各個組件的固定、安裝問題。另外，冷卻空氣的進風(fēng)口也在結(jié)構(gòu)上進行流體力學(xué)方面的改進。這一點非常重要，因為目前的設(shè)計趨勢是，發(fā)動機罩越來越平，越來越向內(nèi)凹，與此相應(yīng)進氣口小，位置深。

       汽車前臉大模塊的所有電器功能都集中在一個與CAN總線聯(lián)網(wǎng)的控制儀表中。另外，該研究工作的目的還在于提高行人的安全系數(shù)及安全等級。

4 廢氣再循環(huán)模塊和油模塊

       油模塊包括油冷卻器和油過濾器。與單獨的組件相比其優(yōu)勢在于，它在流體力學(xué)方面進行了優(yōu)化改進，實現(xiàn)了整體設(shè)計，而且安裝空間小(圖9)。在廢氣再循環(huán)模塊中廢氣冷卻器和廢氣回收調(diào)節(jié)控制閥彼此相連。在此最重要的是對于怎樣將流量能量轉(zhuǎn)化為機械能量在設(shè)計時進行了改進，因為在回收的廢氣中壓差對柴油機的效率有很大的影響。還有在安裝位置上進行改進也很重要，因為將廢氣回收模塊裝入目前的轎車和載重汽車的發(fā)動機中還是非常困難的。

5 新能力

       為了對上述系統(tǒng)進行工業(yè)化生產(chǎn)，配件供貨商必須獲取新的能力，對系統(tǒng)的理解、對組件的技術(shù)條件的了解、對供貨商在技術(shù)上的領(lǐng)先能力、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、總系統(tǒng)和子系統(tǒng)的技術(shù)條件及其保證情況。對于模塊來說原則上也是這樣。區(qū)別主要是，在模塊中機械件在結(jié)構(gòu)上起著決定性作用。在此一方面考慮到整個車身的穩(wěn)定性，它將影響車輛的運行；另一方面考慮到其抗撞擊性能。怎樣將對單個模塊的撞擊模擬與整車的撞擊模擬相結(jié)合，還是一個尚未解決的問題。特別是當(dāng)車的整體方案尚未形成時，就得對某些模塊進行撞擊模擬。這個問題汽車制造商今天通過許多小的疊代循環(huán)方法解決。這么多的疊代循環(huán)在模塊廠家與汽車制造商之間的合作中是不可行的。在這方面今后幾年還將產(chǎn)生新的合作方法。

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