热管理模块汇总.docx
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热管理模块汇总
热管理模块
1、序言
改进汽车内的热变量使用是一个各种规模降低排放、燃料消耗和增加在客车空调的舒适性要求。
集成涡轮增压器越来越多应用于车辆，增加对冷却系统的要求。
集成涡轮增压器需要一个预测的冷却系统，如果可能的话会替代一个系统提供出不同操作条件下的反应。
无法满足传统的温控器是因为调控器的延迟反应的能量输入到冷却系统也遭受压力的损失。
创新机电组件计算出从发动机的负荷和转速对冷却的需求做出预测。
舍弗勒的热管理模块能够调整冷却液流量为零，例如，为实现对发动机加速加热。
与此同时，它能够分散大量的热，而且也能够驱散一定数量的能量到其它组件，如发动机润滑油、传动油、加热器或者通过牵引电池的残留质量。
在对比传统的调控器（图1）TMMS控制使用负荷为基础的计算模型。
这使得大量的连接元件集成，以及一个狭窄的调温范围土2C。
温控器（由波纹管控制）
图1早期波纹管控制的温控器
2、第一多功能热管理模块在批量生产
第一批大量生产的发动机将配备有多功能调控器是奥迪的
1.8升TFSI引擎（四缸直列发动机EA888Gen.3）该模块是由奥迪和舍弗勒联合开发（图2）在发动机预热阶段，热管
理模块能够完全关闭冷水在发动机或设置一个最低流量率。
如果发动机是暖机运行，冷却液温度可以迅速调节及完全可变的不同温度水平取决于负载要求和外部边界条件，其中一个旋转滑阀在水泵压力侧边用于关闭冷却液。
第二个旋转滑阀用于分布在进气侧的冷却液。
整个冷却电路还具有开关阀门，使冷却液有针对地通过加热器和变速器油换热器的开启和关闭。
两个机械耦合的旋转滑阀，控制旋转滑阀模块内的冷却液流
量。
电机驱动旋转滑阀通过一个高减速比涡轮。
旋转滑阀1
发转过来通过一灯笼齿轮连接旋转滑阀2。
旋转滑阀1取代
了传统蜡式节温器，根据要求可以非常迅速和完全可变的调整80C〜110C之间的冷却液的温度。
此外，旋转滑阀1开关从机油冷却器回流冷却液。
冷却水被迅速加热到30%的温度
与传统的蜡式节温器相比，达到目标油温降低了50%左右的
时间。
该模块主要包括高性能塑料，冷却剂输送部件包括聚苯硫醚
（PPS）的反应与充满极端的水平。
这意味着材料和铝一样强，是一种不敏感的介质和具有热稳定性。
在密封材料设计中，一项研究进行了另一个选择为聚四氯乙烯，是因为这个已知材料在贸易下名为铁氟龙，这是一中非常昂贵的具有一种在蜕变下温度的影响的倾向。
一种替代的材料是根据二氟乙烯（PVBF）制定的。
使用的齿轮材料是由舍弗勒集团内部开发，特别注意的是前卫材料的选择。
齿轮操作在干运动条件下，由于润滑剂会弹出的运行寿命结束，将不再是有效的。
密封没有压力的依赖和能够补偿是由于角偏移的弹簧预紧的整合而不是一个“O”型环（图4）。
高精度制造旋转滑阀和密封组件小于1升/小时泄漏率。
一个辅助恒温器能确保预防故障。
这就意味着复位弹簧不在驱动电动和所需要的能量的TMM的消耗最小化。
故障安全恒温器
连接发动机滑油换热器
图2在奥迪1.8升TFSI发动机热管理模块R4
连接发动机
旋转滑阀2是零流量
t1
水泵连接面
具有锁定功能的
中间齿轮
减速直流齿轮电机
旋转角度传感器和传感器集
成板
流入散热器
旋转滑阀1
变速油换热器的连接和内
部加热
散热器返回线
图3为奥迪1.8升TFSI发动机和R4的设计
图4在发动机和车辆内部全电子控制的热流量旋转滑阀模块
3、压缩到全面的舍弗勒解决方案
舍弗勒的热管理模块可根据顾客的要求哥可用空间有不要
同的设计，例如，一个特别紧凑的解决的方案，提供高达三个通道的调节和TIS向传统的节温器外壳的设计（图5）一个温度传感器集成是有可能的。
标准化机构也允许有效率的发展，使用的技术和材料的批量生产验证是一个强大的新的发展的一个良好的基础。
开发的一个功能模块分电路为发动机缸体、和在另一个方向的缸盖（分体式冷却）。
它有五个控制渠道以及进料流量控制系统。
高水平的整合是一个多功能模块的优点。
此外就只需要一个接口控制单元（图6）。
4、保持发动机机油温度
堆叠盼设计板式换热器经常用于间接冷却的冷却液。
该板湍流插入的提高媒体之间的热传递。
对板式热交换器设计包括多个波纹板。
加热的流体和被加热的流体能在创建的腔板之间流动。
一个加热的流体室的流体的对流被加热板分离（图
7）。
使用一个油/冷却换热器有两个优点：
冷却比既有在冷启动期间加热更容易，可以用来确保油达到目标温度更迅速。
它还能协助活塞加热，迅速降低活塞的间隙。
这就导致了一种改进的微粒的排放水平。
在发动机运行期间，油也可以达到更高的温度。
通过热交换器油也可以消散热量的冷却液。
保持在较小的范围内，有一个影响控制的润滑油的能力的有利的条件是油温。
模型验证
该油在机油冷却器的不同程度的水温中的运动状态在舍弗
勒公司得到试验验证。
在一个特殊的实验装置（图8）实验
开始的温度是20C。
水的温度不断在40C、60C、80C、100C变化。
油流和水流在每一个冷却温度进行了四个不同油泵转速的测量。
测试结果如图9所示。
在一般情况下，测量结果表明：
如果水开始流经油冷却器之前,而不是之后，可以实现更高级别的摩擦减少。
冷却剂应尽
快的被用用于加热油以达到减少二氧化碳和燃料的耗尽。
由
于热交换器在低温是一种限制，在油路设计中油冷却器必须考虑在内。
NEDC冷引擎启动。
这就意味着油处于高粘结状态，只能很困难的流过换热器，如果一开始加热冷却液不流经油/水热交换器（OWHE），而是直接通过OWHE是不明智的。
冷却器在一个温度范围内也可以绕过直到油热换器，此时必须是冷却的。
这就意味着油热换器在不消散的热环境中通过冷却器或者是交换器冷却。
在这两种情况下，这将导致热量集聚在油路板上，反过来也意味着很快达到工作温度。
右路控制阀的安装同样也是一个解决方案。
这将允许基础油的快速控制。
NEDC
确定的标准化的油耗必须考虑，消费观影响着的驾驶员的驾驶风格。
如今，标准化的驾驶周期才能达到相应的值。
一个合成速度曲线，新欧洲行驶循环被定义为欧洲。
在这个阶段周期内不断的加速、恒速、恒减速和空转阶段零速度运行。
换挡点的车辆也被定义为在NEDC内部，是因为引擎的速度对燃油的消耗有很大的影响。
NEDC是一个有序列的五个周
期：
四个相同的城市以最高时速50公里/小时循环和一个额
外的城市以最高时速120公里/小时循环。
图10显示了冷却剂和油温的影响燃料的消耗。
图11还显示了与时间的关系
曲线。
同时还可以看出，该发动机最初是在低负荷。
更重要
的是在这个早期阶段不要损失任何能量，迅速达到点击温
度。
图5有两到三个调节出口的紧凑型模块
流入散热器
图6集成分离冷却功能模块
图7板式换热器的设计
换热器（测试部分）
图8用于测定的升温行为的油试验装置
油口温度。
C
6008001000
时间s
油泵每分钟的
参数3
参数4
一分钟内的油
一分钟内冷却液
转速
流量
流量
Parameter1
640
8
Parameter2
1,290
16
Parameter3
1Td50
24
Parameter4
2,470
32
图9岀油温度在测量周期内冷却液温度
斗
6
12
油和冷却液温度C
■—油温=60C
冷却液温度=110C
5、保持室内温度
冷却后的客车，应该在乘客乘坐之前尽可能快的优化空调。
被定义的空气温度应该归功空调内部舒适的温度。
美联储和散热流量必须设计和调整以达到这个需求温度。
根据DIN1946-2—个舒适的平均气温在封闭的房间建筑内约为22C。
车内的平均气温的算术平均气温计算乘客脚底和到天花板的平均气温。
为了保证车内舒适所需要的平均室内气温不是恒定的。
它依赖于物理、生理和媒介的影响因素（表
1）
室内空气温度的感知舒适度在很大程度上取决于周围空气的温度（图12）。
如果空气的温度是20C那么室内气温感知的舒适温度是22C。
在低温度的空气中，室内温度被认为
是舒适的温度高于22C。
例如，为了弥补封闭表面的热辐
射，这种较高的室内温度是必须的。
例如穿上轻便的衣服，
在较咼的环境中空气最佳温度也是在22C
30-
度温境环
热舒适性影响因素
物理性能
生理
中间因素
封闭的表面
活动
衣服
太阳辐射
状态
居住人的数量
空气温度
表面水分
空气流量
湿度
表
图12环境温度对车内平均温度的影响
6、不同的切断系统对舒适性的影响
作为硕士论文的一部分测量是舍佛勒来监管进行测试以确
定哪些策略加热引擎和冷却速度在内腔加热比标准策略有
什么不同的影响。
客车驱动滚动试验台在特定的负载下测量。
在测量结果和发动机冷却泵进行了不同的措施。
这些措施包括：
1）标准的冷却泵是永久连接。
2）—种可切换的冷却泵是根据汽车制造商冷启动
控制的车辆控制系统的策略。
3）只有当定义的冷却液温度达到时冷却剂泵是断
开在热身阶段。
4）一种防止热虹吸效应的闭锁元件。
为了评估不同的冷却液泵的策略，发动机最初用冷却液泵断开连接的操作（热虹吸效应允许）和随后的冷却液回路关闭
（热虹吸作用防止）。
表2显示测试场景的细节。
测量的范围包括：
1）加热器芯冷却剂前后的温度。
2）冷却液温度关闭后或冷却液泵后
3）空气温度加热器之后
4）内部空气温度
图13显示的是一个测试设置的图。
对车内温度测量点是在司机头枕高度对着副驾驶座的一侧。
风扇的空气速度测量是在加热器芯进行之后（图14右下）
图14显示了测量点在冷却泵的右上方。
图15显示了在冷却泵依据切换方式之前冷却剂在测量点的温度曲线。
这条曲线的进展趋势类似加热器芯后的冷却剂的温度曲线。
在固定的冷却液相中可以看到温度的升高。
“中期行冷却泵”的方式曲线和冷却泵连接在冷却剂的温度是
50C,只有连接冷却剂之前略有变化。
冷却泵连接超过80C冷却剂温度的方式，冷却泵连接一个提高冷却液的温度是显而易见的。
关闭测量的增加是明显的大于测量未关闭的。
在测量点前测量冷却泵，如果冷却泵断开，换热是唯一可能通过热传导冷却液。
传热的测量在冷却管中没有关闭元素继续进行。
再有截流元件测量时，冷却液仅能够加热到闭锁元件。
由于在管关闭之前冷却液在测量点连续加热的发动机进气管没有任何散热。
因此，冷却剂温度的测量要比没有关闭元件测试冷却温度要高。
在泵连接的124秒和215秒，最初有温度的短期下降，是由于冷却剂的冷却液流进加热器芯的测量点上。
其次是温暖的冷却液温度明显增加，是发动机加热随即到达测量点上。
随着循环冷却泵的在冷却泵连接之后出现温度差异的延迟。
最初，温暖的冷却剂由泵穿过电路直接到达发动机的进气道。
在冷却液温度略有下降的期间冷却泵断开。
冷却液失去热量缓慢是由于从发动机到测量点是在冷却液中的热传导。
泵连接四倍之后，循环冷却机泵策略曲线才能赶上其他曲线。
所有方式曲线的冷却泵永久连接之后都有相同的进展，与循环
冷却泵相比略有提高。
该方式周期的冷却泵具有很长的冷却液泵断开时间。
这就意味着一个很小的热量从发动机消耗，这是为什么发动机和冷却液被加热的速度很小。
由于不同的加热策略加热器芯的存在在图16可以看到空气
的加热性能。
这表明与冷却泵是永久性连接不能是由其他任何方式的空气的曲线或是改善的空气曲线。
550秒以上，所
有的冷却泵方式曲线都在彼此的顶部。
加热的空气需要的时间不同取决于方式。
空气呗加热之前早期的热转移到HC。
热量转移到HC，能更快的将空气加热。
测量的车内温度取决于不同的加热方式绘制在图17。
这些曲线遵循加热器芯之后的空气温度曲线，不过之后它们有不同的梯度。
加热器芯出口的空气离开喷嘴后与乘客车厢的的空气混合。
由于车内的空气量大温度的变化需要一个较长的变化。
永久连接冷却液泵的方式是以内部加热速度最快。
不冷却的冷却液泵连接在加热阶段，能更慢的将内部加热。
进行测量来确定冷却和空气温度在不同测量分引擎显示方式的热身阶段的冷却剂泵永久连接仍然是最适合尽快加热车内温度。
其他的冷却液泵方式阶段显示经过断开冷却液泵连接一个更快的加热阶段，但一对曲线与冷却剂泵是永久连接。
这些结果表明，开关必须做出的策略与冷却剂泵是永久连接一旦乘客操作加热器-顾客满意是最高的优先权。
舍弗勒改进传统的自然吸气发动机和更换为热管理模块来验证对冷起动的TMM影响的恒温控制系统（图18）
该系统是能够分配或关闭在冷却液泵冷却液和两个阀代替冷却剂泵和一个温控器的组合。
关闭功能的冷起动策略是特别有吸引力的。
这对在NEDC燃料消耗数据的一个重要影响。
舍弗勒测试了两种不同的操作策略，此设置的TMM:
零流量的快速加热和负载据的温度变化（部分负载110°C，
满载85°C）（图19）图19中的温度曲线不符合实际值由于冷却剂的运动和冷却温度的变化直到100秒后不会发生。
使
用一个简单的计算模型温度可随后被保持在恒定水平+/-
2°C。
该系统对驾驶员的负载要求和显著降低温度，可以理科做出反应。
单独的零流量的方式导致1.2%的燃料消耗减
少。
此外在早期阶段能减少二次排放气体如HC,NOX、CH4
取得了较高的排气温度和催化转换器的操作手段。
虽然这些结果第一眼令人印象深刻，全部潜能的实现需要热物理学家和汽车制造商密切合作。
1
标准（周期性的
1勺CP
测量时间
15min
5kw负载
X
2
标准（循环周期为
1时SE打开
15min
X
3
发动机启动后冷却液泵打开
15min
X
4
断开冷却泵（冷却液温度达到
50r后cp开关打开）
15min
X
5
断开冷却泵（冷却液温度达到
80r后cp开关打开）
15min
X
r\
闭锁元件关闭（同时在
4秒时SE打开）
15min
X
7
闭锁元件关闭（同时在
5秒时SE打开）
15min
X
表2
•曲轴转速
•冷去液温度
.•踏板行程
在机测量:
•扭矩
在中心控制台通风系统温度
•速率
•节流阀
■•进气温度
图14实验装置中的测量点
100-
温度C
0100200300400500600700800
Timein9
--发动机启动后水泵打开
--闭锁元件打开124s后水泵开启
--闭锁元件打开215s后水泵开启
--水泵和闭锁元件的周期
图15不同冷却液泵的策略的冷却液温度
--发动机启动后水泵打开
--闭锁元件打开124s后水泵开启
--闭锁元件打开215s后水泵开启
--水泵和闭锁元件的周期
图16在加热器核心之后空气温度和不同冷却
液泵的方式
70i
0100200300400500600?
0G800
Tkneins
--发动机启动后水泵打开
--闭锁元件打开124s后水泵开启
--闭锁元件打开215s后水泵开启
--水泵和闭锁元件的周期
图17室内空气温度比较
图18用TMM修饰的自然吸气式发动机
却
液
温
度
C
在部分负荷和冷却液
温度是近15C高于比
较的基引擎
与基引擎相比TMM预热时间
（25C到90C）已经减少了130s
由零流快
速升温
基发动机缸盖冷却剂出口温度的平均值
TMM缸盖冷却剂出口温度的平均值
允许快速调整
到任何冷却液
温度
在不同的TMM控制方式缸盖出口液的温度
汽车速度
km
/h
—Carspeed
图19基于负载的温度控制在修改的自然吸气式发动机
HC
CO
g
g
HC+NOjr
CH^
Benefit
8%
6%
18%
1%
13%
8%
图21先进的舍弗勒元件GTC的设计
7、汽油车技术
舍弗勒已经建立了一个概念车称为汽油车（GTC）技术，采
用先进的组件在一个1升的福克斯FOX发动机的基础上。
元发动机有两个恒温箱。
一个温控器是用于块控制，另一个则是操作散热器。
这两个问控制在GTC被TMM取代，这个功能也能使油冷却器开启或者闭合。
相对原来的引擎，它是可以实现集成的一个零流。
所需的模块是小到可以维持在现有的主温控器设计包络线。
第一个测试的结果表明，在机械和热效率明显增加（图22）。
另外在GTC中排气温度能更快的增加导致更快速的催化转换器反映和减少二次废气。
油的加热速度较慢但较陡的加热曲线由于通过油/水换热器在初始阶段不富。
其目的是获得最佳的切换点之间的热性能和机械效率。
这取决于发动机的结构和发动机机油的使用的参数。
接近生产制造商的潜力，实现是会更有效。
虽然结果是只有拳头试验的近似模型，这些测量结果表明：
在温度梯度的差异是明显的和系统提供的发动机设计的附加自由度。
在欧洲大陆的发动机控制单元的精细标定将导致明显的平滑的曲线。
机械效率
气缸套的中心
发动机油
热效率
排气阀桥
气缸套的上部
原始的
修改后的
*快速升温提供潜在的增加效率和乘客的舒适程度
旋转滑阀角度
图22快速加热来提高效率和舒适度、
&传统动力冷却回路的设计多级设计建议将来的冷却回路常规动力系统在本文中给出结果的基础上。
一个零流动相应该首先确保发动机内部能使一个快速反应的催化转化器加热。
具有一体式油冷却器或加热器提供所要求的灵活性旁路。
从可变进气控制旁路的OWHE解耦允许一个额外的自由度。
处理后发动机的控制，变速器的调节必须先考虑。
用于传输的要求也将增加由于增加齿轮比率的位置和轴承。
仍有增加液压驱动的传动效率的潜力。
最初的测试已经进行了双离合器变速器。
9、前景
冷却液控制系统的机电一体化系统是一个有可能优化车辆的油耗和排放特性的同时提高空调舒适的内饰的趋势。
这个研究结果在很宽的范围内的具体设计取决于动力总成的配置设计方案。
作为一个在开发和生产的整体方法的合作伙伴，舍弗勒提供了范围广泛的选项概念。
10、参考文献
[1]Eiser,A.;Doerr,J.;Jung,M.;Adam,S.:
Derneue1,8-l-TFSI-MotorvonAudi.MTZ6/2011,pp.466-474
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