發動機熱管理系統對整車節油性能的評估

黎燦輝，席力克，劉 凌

（1.昆明公交集團有限公司，云南 昆明 650224；

2.湖南南車時代電動汽車股份有限公司，湖南 株洲 412007）

發動機熱管理是指一種智能型溫度控制系統，通過發動機ECU采用其循環水、壓縮空氣等溫度，變量化控制冷卻風扇的轉速，將循環水、壓縮空氣的溫度控制在最佳使用范圍內，以期提高發動機可靠性，降低散熱能耗、實現節油。

發動機熱管理系統對整車的燃油經濟性與可靠性有較大影響，現代汽車往往通過開發各種先進的發動機熱管理系統來提高車輛性能。一套優秀的發動機熱管理系統可實現如下功能：①發動機的增壓空氣及冷卻水溫始終保持在理想的工作溫度，發動機能發揮最大功率，排放最優；②發動機的綜合能耗最低；③冷卻系統的噪聲最低。

1 客車發動機散熱系統簡介

1.1 典型后置動力客車冷卻循環系統

典型后置動力客車冷卻循環系統如圖1所示。發動機熱管理系統由冷卻水回路與冷卻空氣流道所構成。冷卻水回路包括發動機、節溫器、水泵與散熱器等。冷卻空氣依次流過油冷器、中冷器、散熱器，帶走發動機所產生的熱量，降低增壓空氣及潤滑油的溫度。

發動機熱管理系統必須要同時保證發動機水溫、進氣溫度及變速器潤滑油處于良好的工作溫度。

1.2 發動機熱管理的一般結構

發動機熱管理的一般結構如圖2所示。絕大多數客車的油冷器、中冷器、散熱器、護風圈托架與風扇離合器采用軸向串聯的結構形式。

1.3 冷卻系統的調節性能

在冷卻系統的設計中，首先是防止系統過熱，當車輛進入部分負荷和冬季工作時，一定要有相應的調節措施以防止系統過冷。

研究發動機的負荷特性可知：當發動機負荷增大時，會引起冷卻空氣流量不足；反之，當發動機負荷減小時，又會引起冷卻空氣流量過剩；兩者的空氣流量變化約為60%。

現代車輛一般要求通過調節風扇轉速來調節空氣流量，從而實現對冷卻系統的流體溫度進行控制。

對冷卻系統的調節性能的要求：①具有較大的流量與風壓；②調速能力強，能夠適應低速重載與高速輕載，能隨水溫、增壓空氣及油溫的變化而改變；③燃油經濟性好，低噪聲，自調節性優；④系統安裝布置靈活。

2 當前公交客車發動機熱管理的技術狀態

2.1 基于皮帶輪驅動的發動機熱管理系統

基于皮帶輪驅動的發動機熱管理系統結構如圖3所示。該系統無任何調速功能，風扇始終以一定的速比隨發動機運轉。

2.2 基于電動風扇的冷卻系統

基于電動風扇的冷卻系統如圖4所示。電動風扇由風扇電機驅動并由蓄電池供電，所以風扇轉速與發動機轉速無關。電控系統通過采集冷卻液、壓縮空氣等溫度信息，控制風扇電機通、斷。系統控制策略見表1。

表1 電動風扇冷卻系統控制策略

3 皮帶直驅風扇冷卻系統的能耗臺架試驗

臺架試驗結構示意如圖5所示。試驗臺架配置、安裝與實車狀態基本一致。試驗儀器見表2，試驗數據及擬合見表3，根據轉速-功率生成一3階擬合多項式，擬合曲線與臺架測量數據非常吻合 （圖6），可用于后續的數據處理。

表2 試驗儀器

表3 臺架試驗數據及擬合

4 裝配兩種熱管理系統車輛的道路試驗

4.1 試驗工況

1）昆明公交74路、1路，車型為10.5m公交客車。

2）不開空調下行駛，環境溫度約30～32℃。

3）試驗道路單趟里程：74路9.2km，1路13.8km。4）對試驗車輛施加約1.6 t的載荷。

4.2 對比試驗的技術方法

1）通過臺架試驗，得出皮帶輪驅動的冷卻系統特性曲線，即：（P，T）=f（n）。

2）對于配皮帶輪驅動的冷卻系統車輛，得出在測試工況下發動機轉速-行駛時間的離散化數據。

3）對配基于電動風扇冷卻系統的車輛，得出在測試工況下電子風扇開啟狀態-行駛時間的離散化數據。

4）數據處理：①根據1、2步進行數據離散處理，得出皮帶輪驅動的冷卻系統能耗及折算油耗；②根據3步及風扇特性，得出基于電動風扇冷卻系統能耗及折算油耗。

5）評估與分析。

4.3 配皮帶輪驅動冷卻系統車輛的道路試驗與數據分析

4.3.1 數據采集與處理

1）采集發動機轉速n-時間t離散數據。

2）根據轉速數據n，用擬合多項式生成擬合冷卻及風扇傳動系統功率的數據P。

3）計算冷卻及風扇傳動系統的平均功率，從而得出在單趟公交工況t時間內，風扇傳動系統所消耗的有效功。

昆明74路線數據曲線如圖7所示，昆明1路線數據曲線如圖8所示。

4.3.2 數據分析

計算說明：按國家相關柴油與電耗的換算關系，1L柴油=3.02kW·h電耗。各參數計算見表4。

表4 74路、1路各參數計算

4.4 配基于電動風扇冷卻系統車輛的道路試驗與數據分析

4.4.1 數據采集

采集冷卻系統風扇開啟狀態on-時間t離散數據。昆明74路數據如圖9所示，昆明1路數據如圖10所示。

說明：①圖9中車輛單趟運行總時間1771s，其中電子風扇總運行時間397s（0.1103h），關斷時間1374s，電子風扇運行時間占總時間的22.39%；②圖10中車輛單趟運行總時間2125s，其中電子風扇總運行時間665s（0.1847h），關斷時間1460s，電子風扇運行時間占總時間的31.29%。

4.4.2 數據分析 （表5）

計算說明：根據北京佩特萊公司的參數,發動機中24V永磁發電機的平均效率為70%。

4.5 兩種系統在測試工況下的能耗分析 （表6）

表5 數據分析

表6 兩種系統在測試工況下的能耗分析

5 結論

5.1 節油潛力

1）基于電動風扇冷卻的新型發動機熱管理系統能夠在公交工況下實現較好的節油性能。

2）在秋、冬、春季的試驗表明：環境溫度越低，在車輛運行的總時間內，電動風扇的開啟率越低，系統就越節能；當環境溫度為20℃時，車輛在公交工況下運行，電子風扇的開啟率低于20%，節油效果將更優。

5.2 可靠性

電動風扇冷卻系統能精確地將發動機水溫與中冷器溫度控制在理想的范圍內，使得發動機處于最佳潤滑油溫與進氣溫度，傳動系統的摩擦系數最低，將一定程度上改善發動機的可靠性。