發(fā)動機熱管理系統(tǒng)對整車節(jié)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(fā)動機熱管理是指一種智能型溫度控制系統(tǒng)，通過發(fā)動機ECU采用其循環(huán)水、壓縮空氣等溫度，變量化控制冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，將循環(huán)水、壓縮空氣的溫度控制在最佳使用范圍內(nèi)，以期提高發(fā)動機可靠性，降低散熱能耗、實現(xiàn)節(jié)油。

發(fā)動機熱管理系統(tǒng)對整車的燃油經(jīng)濟性與可靠性有較大影響，現(xiàn)代汽車往往通過開發(fā)各種先進的發(fā)動機熱管理系統(tǒng)來提高車輛性能。一套優(yōu)秀的發(fā)動機熱管理系統(tǒng)可實現(xiàn)如下功能：①發(fā)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(fā)動機能發(fā)揮最大功率，排放最優(yōu)；②發(fā)動機的綜合能耗最低；③冷卻系統(tǒng)的噪聲最低。

1 客車發(fā)動機散熱系統(tǒng)簡介

1.1 典型后置動力客車?yán)鋮s循環(huán)系統(tǒng)

典型后置動力客車?yán)鋮s循環(huán)系統(tǒng)如圖1所示。發(fā)動機熱管理系統(tǒng)由冷卻水回路與冷卻空氣流道所構(gòu)成。冷卻水回路包括發(fā)動機、節(jié)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(fā)動機所產(chǎn)生的熱量，降低增壓空氣及潤滑油的溫度。

發(fā)動機熱管理系統(tǒng)必須要同時保證發(fā)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(fā)動機熱管理的一般結(jié)構(gòu)

發(fā)動機熱管理的一般結(jié)構(gòu)如圖2所示。絕大多數(shù)客車的油冷器、中冷器、散熱器、護風(fēng)圈托架與風(fēng)扇離合器采用軸向串聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式。

1.3 冷卻系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能

在冷卻系統(tǒng)的設(shè)計中，首先是防止系統(tǒng)過熱，當(dāng)車輛進入部分負荷和冬季工作時，一定要有相應(yīng)的調(diào)節(jié)措施以防止系統(tǒng)過冷。

研究發(fā)動機的負荷特性可知：當(dāng)發(fā)動機負荷增大時，會引起冷卻空氣流量不足；反之，當(dāng)發(fā)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(xiàn)代車輛一般要求通過調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)空氣流量，從而實現(xiàn)對冷卻系統(tǒng)的流體溫度進行控制。

對冷卻系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能的要求：①具有較大的流量與風(fēng)壓；②調(diào)速能力強，能夠適應(yīng)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(jīng)濟性好，低噪聲，自調(diào)節(jié)性優(yōu)；④系統(tǒng)安裝布置靈活。

2 當(dāng)前公交客車發(fā)動機熱管理的技術(shù)狀態(tài)

2.1 基于皮帶輪驅(qū)動的發(fā)動機熱管理系統(tǒng)

基于皮帶輪驅(qū)動的發(fā)動機熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。該系統(tǒng)無任何調(diào)速功能，風(fēng)扇始終以一定的速比隨發(fā)動機運轉(zhuǎn)。

2.2 基于電動風(fēng)扇的冷卻系統(tǒng)

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

表1 電動風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)控制策略

3 皮帶直驅(qū)風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)的能耗臺架試驗

臺架試驗結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。試驗臺架配置、安裝與實車狀態(tài)基本一致。試驗儀器見表2，試驗數(shù)據(jù)及擬合見表3，根據(jù)轉(zhuǎn)速-功率生成一3階擬合多項式，擬合曲線與臺架測量數(shù)據(jù)非常吻合 （圖6），可用于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

表2 試驗儀器

表3 臺架試驗數(shù)據(jù)及擬合

4 裝配兩種熱管理系統(tǒng)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(diào)下行駛，環(huán)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(shù)方法

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

2）對于配皮帶輪驅(qū)動的冷卻系統(tǒng)車輛，得出在測試工況下發(fā)動機轉(zhuǎn)速-行駛時間的離散化數(shù)據(jù)。

3）對配基于電動風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)的車輛，得出在測試工況下電子風(fēng)扇開啟狀態(tài)-行駛時間的離散化數(shù)據(jù)。

4）數(shù)據(jù)處理：①根據(jù)1、2步進行數(shù)據(jù)離散處理，得出皮帶輪驅(qū)動的冷卻系統(tǒng)能耗及折算油耗；②根據(jù)3步及風(fēng)扇特性，得出基于電動風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)能耗及折算油耗。

5）評估與分析。

4.3 配皮帶輪驅(qū)動冷卻系統(tǒng)車輛的道路試驗與數(shù)據(jù)分析

4.3.1 數(shù)據(jù)采集與處理

1）采集發(fā)動機轉(zhuǎn)速n-時間t離散數(shù)據(jù)。

2）根據(jù)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)n，用擬合多項式生成擬合冷卻及風(fēng)扇傳動系統(tǒng)功率的數(shù)據(jù)P。

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

昆明74路線數(shù)據(jù)曲線如圖7所示，昆明1路線數(shù)據(jù)曲線如圖8所示。

4.3.2 數(shù)據(jù)分析

計算說明：按國家相關(guān)柴油與電耗的換算關(guān)系，1L柴油=3.02kW·h電耗。各參數(shù)計算見表4。

表4 74路、1路各參數(shù)計算

4.4 配基于電動風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)車輛的道路試驗與數(shù)據(jù)分析

4.4.1 數(shù)據(jù)采集

采集冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇開啟狀態(tài)on-時間t離散數(shù)據(jù)。昆明74路數(shù)據(jù)如圖9所示，昆明1路數(shù)據(jù)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(fēng)扇總運行時間397s（0.1103h），關(guān)斷時間1374s，電子風(fēng)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(fēng)扇總運行時間665s（0.1847h），關(guān)斷時間1460s，電子風(fēng)扇運行時間占總時間的31.29%。

4.4.2 數(shù)據(jù)分析 （表5）

計算說明：根據(jù)北京佩特萊公司的參數(shù),發(fā)動機中24V永磁發(fā)電機的平均效率為70%。

4.5 兩種系統(tǒng)在測試工況下的能耗分析 （表6）

表5 數(shù)據(jù)分析

表6 兩種系統(tǒng)在測試工況下的能耗分析

5 結(jié)論

5.1 節(jié)油潛力

1）基于電動風(fēng)扇冷卻的新型發(fā)動機熱管理系統(tǒng)能夠在公交工況下實現(xiàn)較好的節(jié)油性能。

2）在秋、冬、春季的試驗表明：環(huán)境溫度越低，在車輛運行的總時間內(nèi)，電動風(fēng)扇的開啟率越低，系統(tǒng)就越節(jié)能；當(dāng)環(huán)境溫度為20℃時，車輛在公交工況下運行，電子風(fēng)扇的開啟率低于20%，節(jié)油效果將更優(yōu)。

5.2 可靠性

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