發(fā)動機(jī)熱管理技術(shù)研究

張強(qiáng) 韓令海 王占峰 史鵬禮

（中國第一汽車集團(tuán)有限公司 研發(fā)總院，長春 130013）

主題詞：發(fā)動機(jī) 熱管理 電子節(jié)溫器 電動水泵 智能熱管理

1 前言

面對日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題，全球?qū)ζ囉秃募芭欧欧ㄒ?guī)制定得越來越苛刻。其中發(fā)動機(jī)冷起動的油耗和排放又是法規(guī)中明確要求的關(guān)鍵工況，因此如何有效降低冷起動階段的油耗和排放就成為了各大汽車企業(yè)的研究重點(diǎn)。加上消費(fèi)者對發(fā)動機(jī)動力性要求的不斷提高，排量小、動力高的增壓直噴發(fā)動機(jī)受到了行業(yè)的熱烈推崇。然而直噴發(fā)動機(jī)冷起動階段機(jī)油稀釋帶來機(jī)油液面升高、機(jī)油粘度降低從而導(dǎo)致燒瓦等問題又使得很多消費(fèi)者對其望而卻步。要解決以上問題，設(shè)計(jì)一款符合消費(fèi)者需要又能滿足法規(guī)的理想發(fā)動機(jī)，就不得不重視發(fā)動機(jī)熱管方案，優(yōu)化發(fā)動機(jī)暖機(jī)時(shí)間。經(jīng)研究證實(shí)，通過熱管理技術(shù)優(yōu)化暖機(jī)時(shí)間可使燃油經(jīng)濟(jì)性提升5%，HC排放降低20%左右[1]。

目前，發(fā)動機(jī)熱管理技術(shù)不止要考慮如何保證發(fā)動機(jī)大負(fù)荷工作環(huán)境下的散熱問題，而且要考慮如何保證發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷的情況下盡量減少冷卻強(qiáng)度、降低冷起動工況冷卻液流量等。本文介紹了幾種典型的發(fā)動機(jī)熱管理技術(shù)，并對其優(yōu)缺點(diǎn)、尤其在冷起動快速暖機(jī)方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

2 發(fā)動機(jī)熱管理技術(shù)概述

熱管理技術(shù)最早由美國載人空間站提出，在上世紀(jì)80年代，該技術(shù)是由國外一些汽車公司引入到發(fā)動機(jī)開發(fā)中的概念[2-5]。發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)主要由水泵、發(fā)動機(jī)水套、節(jié)溫器、暖風(fēng)、散熱器及管路等部分組成。如圖1所示，通過水泵將散熱器中的冷卻液泵入到發(fā)動機(jī)水套內(nèi)，冷卻液與發(fā)動機(jī)壁面通過熱交換帶走發(fā)動機(jī)燃燒產(chǎn)生的熱量，從而降低發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷，降低其在大負(fù)荷工況下溫度過高的風(fēng)險(xiǎn)。冷卻液流出發(fā)動機(jī)后，分兩路分別流向節(jié)溫器和暖風(fēng)散熱器，暖風(fēng)水路在發(fā)動機(jī)任何工況下均處于流通狀態(tài)，以確保駕駛員根據(jù)需求隨時(shí)可通過暖風(fēng)的熱交換將發(fā)動機(jī)熱機(jī)后的冷卻液的熱氣吹入駕駛室內(nèi)。節(jié)溫器水路則在發(fā)動機(jī)內(nèi)冷卻液溫度達(dá)到87℃前處于關(guān)閉狀態(tài)，以防止發(fā)動機(jī)冷起動狀態(tài)下過多的冷卻液流過發(fā)動機(jī)而增長發(fā)動機(jī)的暖機(jī)時(shí)間，當(dāng)冷卻液溫度達(dá)到87℃后，節(jié)溫器打開，冷卻液流經(jīng)節(jié)溫器后流入散熱器，經(jīng)過散熱器降溫后的冷卻液再通過水泵進(jìn)入發(fā)動機(jī)進(jìn)行循環(huán)冷卻。

圖1 傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)原理圖

3 典型發(fā)動機(jī)熱管理技術(shù)

3.1 電子節(jié)溫器技術(shù)

電子節(jié)溫器技術(shù)與傳統(tǒng)熱管理方案相似，其主要差異在于將傳統(tǒng)的機(jī)械式節(jié)溫器（如圖2所示）更換成電子節(jié)溫器（如圖3所示）。傳統(tǒng)節(jié)溫器是將感應(yīng)溫度的石蠟結(jié)構(gòu)浸泡在發(fā)動機(jī)冷卻液中，當(dāng)冷卻液溫度升高后，石蠟受熱膨脹后將節(jié)溫器閥門頂開，從而開啟冷卻系統(tǒng)大循環(huán)。

圖2 機(jī)械節(jié)溫器

圖3 電子節(jié)溫器

電子節(jié)溫器是通過ECU發(fā)送信號加熱電阻來實(shí)現(xiàn)石蠟加熱膨脹，從而開啟冷卻大循環(huán)。與傳動的節(jié)溫器相比，電子節(jié)溫器的響應(yīng)更快、溫度調(diào)節(jié)范圍更寬[6]，如圖4所示。

圖4 電子節(jié)溫器與傳統(tǒng)節(jié)溫器工作范圍對比[3]

在同一車型經(jīng)過試驗(yàn)證實(shí)，由傳統(tǒng)節(jié)溫器更換成電子節(jié)溫器后中小負(fù)荷工況可實(shí)現(xiàn)2%～6%的節(jié)油效果[7]，具體試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。但電子節(jié)溫器相對價(jià)格較高，而且需要ECU增加控制策略進(jìn)行控制。

表1 傳統(tǒng)節(jié)溫器與電子節(jié)溫器節(jié)油效果對比[7]

3.2 電動水泵技術(shù)

傳統(tǒng)熱管理方案中大循環(huán)驅(qū)動水泵為機(jī)械水泵，機(jī)械水泵通過發(fā)動機(jī)曲軸驅(qū)動輪系多楔帶帶動轉(zhuǎn)動，當(dāng)水泵帶輪與曲軸皮帶輪速比確定后，水泵的轉(zhuǎn)速完全由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速決定，因此水泵的泵水能力無法與發(fā)動機(jī)負(fù)荷完全匹配，只能隨轉(zhuǎn)速提升而增大流量。電動水泵[8]則從根本上解決了這個(gè)問題，電動水泵可以根據(jù)發(fā)動機(jī)不同的工況通過ECU控制實(shí)現(xiàn)開關(guān)，尤其在發(fā)動機(jī)冷起動階段，電動水泵可以停止泵水，從而使發(fā)動機(jī)內(nèi)部冷卻液處在小循環(huán)，實(shí)現(xiàn)快速升溫，以達(dá)到快速暖機(jī)的效果。但與機(jī)械水泵相比，電動水泵成本較高，且需要通過ECU實(shí)現(xiàn)對水泵的開關(guān)控制，同時(shí)因電動水泵的開關(guān)時(shí)刻需與發(fā)動機(jī)的實(shí)際工況相對應(yīng)，從而也使得標(biāo)定的工作量有一定程度的增加。

電動水泵也可以與電子節(jié)溫器配合使用，以達(dá)到更好的冷卻控制效果，實(shí)現(xiàn)快速暖機(jī)，圖5為將傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)同時(shí)更換成電動水泵和電子節(jié)溫器后發(fā)動機(jī)升溫曲線變化情況，圖中的智能冷卻系統(tǒng)是指同時(shí)更換電動水泵和電子節(jié)溫器后的冷卻系統(tǒng)。由此圖可見同時(shí)更換了電子節(jié)溫器和電動水泵的冷卻系統(tǒng)較傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)冷起動階段冷卻液升溫速度有了明顯的提升[9]。

圖5 傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)與智能冷卻系統(tǒng)冷卻液升溫速度對比[9]

3.3 分體冷卻技術(shù)

由于發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，缸體與缸蓋熱負(fù)荷狀態(tài)不同，缸蓋部分冷卻液升溫速度快于缸體，因此傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)必須在缸蓋冷卻液溫度達(dá)到節(jié)溫器開啟溫度后打開大循環(huán)，此時(shí)由于缸體溫度較低，使得整機(jī)無法較快的實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)暖機(jī)。大眾汽車在EA111系列發(fā)動機(jī)上通過雙節(jié)溫器分體冷卻技術(shù)解決了這一問題[10]，并在后來的EA211系列發(fā)動機(jī)中得到了推廣應(yīng)用。EA111發(fā)動機(jī)的雙節(jié)溫器結(jié)構(gòu)如圖6所示。

該分體冷卻技術(shù)通過兩個(gè)傳統(tǒng)節(jié)溫器實(shí)現(xiàn)了缸體、缸蓋水溫的單獨(dú)控制，冷卻液通過單獨(dú)的通道分別進(jìn)入缸體和缸蓋，如圖7所示。發(fā)動機(jī)冷起動初始，兩個(gè)節(jié)溫器均處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)缸蓋水溫升高一定溫度后缸蓋節(jié)溫器開啟，缸體節(jié)溫器仍然處于關(guān)閉狀態(tài)，使缸體快速升溫，直至缸體內(nèi)冷卻液到達(dá)指定溫度后缸體節(jié)溫器才會打開，該策略通過單獨(dú)控制缸體、缸蓋的溫度實(shí)現(xiàn)了冷起動階段的快速暖機(jī)，其冷卻原理如圖8所示。

圖6 EA111雙節(jié)溫器結(jié)構(gòu)圖[10]

圖7 EA111分體冷卻結(jié)構(gòu)示意圖[11]

圖8 EA111冷卻原理圖[11]

福特的三缸1.0 L發(fā)動機(jī)[12]也同樣采用了分體冷卻技術(shù)，與大眾分體冷卻不同的是，福特1.0 L發(fā)動機(jī)的缸體節(jié)溫器安裝在了水泵后缸體冷卻液入口處，大眾缸體節(jié)溫器裝配位置在缸體冷卻液出口處。福特方案相對于大眾方案缸體節(jié)溫器不能直接的接觸到缸體出水的溫度，冷卻液流出缸體后流經(jīng)一段管路后才能到達(dá)缸體節(jié)溫器，流經(jīng)發(fā)動機(jī)體外管路后的冷卻液溫度會有一定程度降低，無法直觀的反映出缸體內(nèi)部實(shí)時(shí)的冷卻液溫度。因此缸體節(jié)溫器的開啟溫度需要經(jīng)過一定的標(biāo)定修正后確定。福特1.0 L發(fā)動機(jī)冷卻原理如圖9所示。

圖9 福特分體冷卻原理圖[13]

發(fā)動機(jī)分體冷卻熱管理技術(shù)僅在傳統(tǒng)熱管理方案的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)傳統(tǒng)節(jié)溫器就實(shí)現(xiàn)缸體和缸蓋溫度的單獨(dú)控制，在成本增加不多的情況下達(dá)到了快速暖機(jī)的目的，是性價(jià)比較高的一種熱管理方案。

3.4 智能熱管理技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)更精細(xì)化的熱管理，提高發(fā)動機(jī)暖機(jī)速度，大眾汽車在EA888三代發(fā)動機(jī)上采用了智能熱管理技術(shù)[14]，該技術(shù)通過智能熱管理模塊（如圖10所示）將暖風(fēng)、機(jī)油冷卻器、大循環(huán)單獨(dú)控制，根據(jù)冷起動過程中冷卻液溫度的變化依次開啟暖風(fēng)、機(jī)油冷卻器、大循環(huán)通路，且智能熱管理模塊采用球閥結(jié)構(gòu)取代了傳統(tǒng)節(jié)溫器的蠟塊結(jié)構(gòu)，可根據(jù)需求調(diào)節(jié)球閥開度從而實(shí)現(xiàn)了各通路流量大小的控制，圖11為EA888三代發(fā)動機(jī)智能冷卻系統(tǒng)示意圖[15]。

圖10 EA888三代發(fā)動機(jī)智能熱管理模塊結(jié)構(gòu)圖[15]

圖11 EA888三代發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)示意圖[15]

通過智能熱管理技術(shù)，EA888三代發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)了水溫的全MAP控制，有效的提升了發(fā)動機(jī)冷起動的暖機(jī)速度，并且通過熱管理模塊控制，可以使發(fā)動機(jī)在低速、低負(fù)荷工況冷卻液溫度控制在107℃，而在高速、大負(fù)荷將冷卻液溫度控制在85℃，這既保證了發(fā)動機(jī)低速低負(fù)荷的水溫，又可以降低發(fā)動機(jī)高速大負(fù)荷時(shí)熱負(fù)荷及爆震風(fēng)險(xiǎn)。圖12為EA888三代發(fā)動機(jī)與不帶智能熱管理模塊的EA888二代發(fā)動機(jī)冷起動工況冷卻液升溫時(shí)間對比[15]。對比可見EA888三代發(fā)動機(jī)的冷起動升溫速度比EA888二代發(fā)動機(jī)有了較大的提升。雖然智能熱管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)水溫的全MAP控制，但該控制策略需要進(jìn)行詳細(xì)的發(fā)動機(jī)及整車標(biāo)定，且因智能熱管理模塊成本相對較高而無法在一些低成本發(fā)動機(jī)上得到應(yīng)用。

圖12 EA888三代發(fā)動機(jī)與EA888二代發(fā)動機(jī)冷起動升溫時(shí)間對比[15]

4 結(jié)論

發(fā)動機(jī)熱管理技術(shù)是發(fā)動機(jī)開發(fā)中的一個(gè)重要領(lǐng)域，良好的熱管理技術(shù)既可以確保發(fā)動機(jī)大負(fù)荷工況的可靠性，又可以縮短冷起動暖機(jī)的時(shí)間，從而達(dá)到降低冷起動油耗和排放的效果。本文介紹的電子節(jié)溫器、電動水泵、分體冷卻、智能熱管理技術(shù)均在發(fā)動機(jī)冷起動工況提升了發(fā)動機(jī)的暖機(jī)速度，但不同技術(shù)方案的成本也略有不同，因此需綜合不同技術(shù)的改善效果和系統(tǒng)成本選擇適合的熱管理方案。