汽車的熱管理系統及其模塊

       長期以來人們一直孤立地考慮汽車駕駛室的空調系統和發動機的溫控系統。但是，隨著電子控制技術的發展，Behr公司已經開始綜合考慮發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，將有力地推動技術革新。采用新改進的模塊和系統很快將會在很多方面出現可觀的改善，比如在乘客的舒適性、安全性，系統和模塊與車輛的一體化以及對生態的保護方面。

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革新是空調分成四個區域，舒適度可以調節，同時降低室內噪音。由于空調分成四個區域，所以后排的乘客可以視個人需要調節溫度、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器。由于有傳感器測量日照強度、空氣質量、空氣溫度和速度，因此在舒適度方面可以實現恒溫的舒適環境，并且不受車外陽光強度、有害物質的濃度和溫度以及乘客散發的濕度影響(圖1)。因為采用新型通風裝置和風扇電動機支架，改進空調的導風裝置，及采用吸音材料，所以車內噪聲控制達到了新標準。

1.2 生態保護

       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裝置、恒溫器以及電子控制的VISCO離合器。通過上述技術革新直接和間接地減少了溫室效應，還比普通制冷裝置制冷能力高。通過采用廢氣冷卻再循環(圖3)能夠達到歐洲柴油機技術標準EUR0狐和EUROIV。使用特性曲線恒溫器可以在部分負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

       小型多功能空調器配有新型導風部件，即所謂的百葉窗式導風片。這種空調還配有空氣混合模件，在空氣動力學方面進行優化，因而節省空間，使儀表盤在結構上有更大的空間(圖4)。另外，還由于制冷劑冷卻器和冷凝器是一個整體而節省了空間(圖5)。也因此而簡化了復雜的安裝程序，組件也可以在結構上進行優化。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構上還有很重要的作用。通過進行有限元模擬可實現新的結構和固定方法，結果明顯提高了耐久性能。通過重新設計傳熱器的安裝位置還節省了安裝空間(圖6)。

2 系統的構成

       在系統構成中最重要的是物理系統和它的子系統的優化改進，以便在系統中創造一種相互協調作用。在這方面涉及到空氣調節和發動機冷卻這兩個系統。空氣調節系統由空調器／通風裝置、制冷劑循環系統、制冷裝置、操作面及調節裝置等子系統組成。對發動機進行冷卻的子系統有：冷卻模塊／冷卻空氣導向裝置、制冷劑循環系統、增壓空氣、廢氣、傳動油和機油等。

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

       在系統開發過程中有一個重要的觀點，即在汽車制造商和系統供應商之間要建立一種過程聯網，也就是在CAE模具、集體設計和決定過程之間的聯網。只有這樣才能利用這種系統構成的優勢，因為這樣做首先就提高了接口的復雜程度，在過程聯網中模擬具有很重要的作用。

2.1 在空氣調節方面系統所具有的優勢

       統一領導、開發研制空調系統以實現總體優化能降低能耗、減少排放，因為這樣能夠提高整個系統的效率，同時空壓機、通風裝置和通風裝置發動機只有在需要時才接通工作。當有可能出現臨界負載時，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。

       通過整體優化可提高乘客的舒適度，使調節軟件和系統硬件相互協調可以更好地調節溫度、空氣速度和空氣濕度；對各個組件進行最佳設置又將縮短冷卻和預熱時間；將通風這一子系統內的壓差降低到最小，可以降低噪聲，而且使人在感覺上有明顯的改善；使硬件與調節裝置提前相互協調可以在結構上更符合人體工程學。此外，如果在安排各個組件時考慮到整個系統的最佳狀態，將避免參數選擇過大，因而節省成本。

2.2 在發動機冷卻方面系統所具有的優勢

       通過在局部負載時提高、在滿負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，因而改善燃燒和摩擦。通過優化子系統的功率消耗情況，特別是優化通風裝置及水泵的功率消耗可以降低附加損耗。通過改善冷啟動發動機的預熱性能(比如通過使用百葉窗)，可選擇是為車廂升溫，還是為發動機預熱，能夠進一步改善負載循環情況。如果按照整個系統的最佳狀態來確定各個組件的技術參數，在發動機冷卻方面能夠明顯地節省空間，減小質量，因而又降低成本。

3 大的集成模塊的構成

       這里研究的是指在一個較大的組件中創造一種協調作用。這種協調原則上表現為，使一個組件承擔過去由多個組件承擔的任務，其結果是節省空間、減小質量、改善功能。原來的空調器現在發展成一個大的模塊，叫做駕駛室模塊，裝有橫梁、通風風道、儀表板和音響裝置，有時還有轉向軸和踏板。冷卻模塊發展成汽車前臉模塊(圖7)，有車燈、橫梁、縱梁、冷卻器支架和保險杠。

3.1 駕駛室模塊的開發思路

       目前可以確認有三種方法：一是人與車的關系；二是設計／美學；三是結構／熱動力學。在人與車的關系這種方法中，各個組件的制造商使用統一改進的操作面來實現。它的優點是：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。設計／美學這種方法是以儀表盤為駕駛室模塊的基礎，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。

       在結構／熱動力學方法中，空調和橫梁的制造商試圖從結構上做文章來生產駕駛室模塊，其優點是：空調、橫梁及通風風道是駕駛室在結構上起主導作用的部件。一旦這些部件之間達成協調，那么這個模塊會更加小巧玲瓏。

       Behr公司決定采用結構／熱動力學方法，因為從長遠來看，它似乎是最佳的方法。采用此方法將空調、橫梁和通風風道，必要時還有操作臺集中裝入一個基礎模塊中(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，減小質量。這種基礎組件方案的的結果是使其功能與設計分離。這樣一來，汽車制造商在設計儀表盤時可以繼續走自己的路。這種集成的基礎組件很明顯使制造商在儀表盤的結構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，使車廂內徹底改觀。鑒于這些要求今后還會繼續發展出新型結構的基礎組件，這又可能會導致一些功能的分化。

3.2 汽車前臉模塊的開發方法

       對汽車前臉模塊的開發也可以從三個方面進行：車燈、冷卻模塊／通風裝置以及模梁／抗撞擊能力。因此目前這三個領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，而且現在汽車前臉完全是由汽車制造商開發研制的。但是，在未來幾年中市場是會出現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的協調性最初得以實現的情況。

       目前，HELLA—BEHR汽車系統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的撞擊力量。為了提高前臉大模塊在結構上的整體性，還可以從結構上考慮各個組件的固定、安裝問題。另外，冷卻空氣的進風口也在結構上進行流體力學方面的改進。這一點非常重要，因為目前的設計趨勢是，發動機罩越來越平，越來越向內凹，與此相應進氣口小，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總線聯網的控制儀表中。另外，該研究工作的目的還在于提高行人的安全系數及安全等級。

4 廢氣再循環模塊和油模塊

       油模塊包括油冷卻器和油過濾器。與單獨的組件相比其優勢在于，它在流體力學方面進行了優化改進，實現了整體設計，而且安裝空間小(圖9)。在廢氣再循環模塊中廢氣冷卻器和廢氣回收調節控制閥彼此相連。在此最重要的是對于怎樣將流量能量轉化為機械能量在設計時進行了改進，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動機中還是非常困難的。

5 新能力

       為了對上述系統進行工業化生產，配件供貨商必須獲取新的能力，對系統的理解、對組件的技術條件的了解、對供貨商在技術上的領先能力、基礎數據、總系統和子系統的技術條件及其保證情況。對于模塊來說原則上也是這樣。區別主要是，在模塊中機械件在結構上起著決定性作用。在此一方面考慮到整個車身的穩定性，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合，還是一個尚未解決的問題。特別是當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方法解決。這么多的疊代循環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生新的合作方法。

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