Volvo公司重型載貨車柴油機的熱管理系統

【法】 N.Granottier

1 熱管理提高節油潛力

多年來，降低燃油耗和廢氣排放成為轎車和載貨車發展重心，已開發出多種措施，例如廢氣再循環、可變幾何截面渦輪增壓器、電控燃油噴射系統等，以滿足越來越嚴苛的排放要求。這些技術已被轎車和載貨車制造商們廣泛應用，它們在降低廢氣排放的同時實現了顯著的節油潛力，但是由于提高了發動機復雜程度并要進行廣泛的修改，在實際使用中往往費用非常昂貴。鑒于成本、質量和復雜性等因素，改善內燃機的熱管理系統相對是一種比較簡單的措施，但在降低廢氣排放和節油方面能獲得明顯的效果。

2005年，在實施歐3廢氣排放標準的同時，Volvo集團推出了重型載貨車柴油機平臺，能覆蓋9～16L排量的柴油機。自從廢氣排放標準發展到歐5、US10和pNLT以來，這種平臺的柴油機都具備熱管理系統，并且比原機型節油1.5%～2.0%。

2 熱管理的思路

內燃機配備高可靠性的冷卻和潤滑系統，但是越來越嚴厲的廢氣排放法規及低燃油耗為發動機的開發帶來挑戰。

冷卻和潤滑系統被設計成即使在最嚴酷環境下也能無故障運行，例如在持續全負荷和48℃環境溫度下也能確保功能無故障。但是這些運行條件僅代表了稀少的極端情況，許多量產發動機在其整個運行時間內僅很少甚至不會在這樣的條件下運行。歐洲和北美汽車的平均負荷譜與設計參數相距甚遠，而典型的運行狀況是15℃環境溫度和1200r／min時的25%負荷，在系統不調節的情況下就導致了要輸送比可靠運行所必需的更多的機油和冷卻水量，因此在節油方面存在著很大的潛力。因為在典型的運行范圍內所需的機油和冷卻水量要少得多，所以Volvo集團重型載貨車柴油機平臺開發熱管理功能，可以在實際運行中獲得最佳的燃油耗。

要使冷卻系統與潤滑系統之間密切配合，不僅要關注諸如氣缸蓋、活塞和軸承等要求高的重要零部件，還要考慮到駕駛室采暖、變速器冷卻和廢氣排放系統等外圍設備。

3 預試驗研究

在具有熱管理系統的情況下，在原本的開發工作之前還必須針對所有相關的消耗器件對冷卻和潤滑系統的要求進行精確的分析，盡可能設計精確和高效能的方案（壓力損失、回流量、泵設計等），在此基礎上進一步開展工作。

開發步驟首先根據一維模擬模型鑒定機油和冷卻循環回路中的主要消耗器件，然后針對最嚴酷的設計條件及典型運行條件下重要負荷工況點精確地確定最大消耗器件對潤滑和冷卻系統的要求。因此必須經歷全面的測量，以便獲得所有有關的重要零部件最精確的各種要求，特別是要通過以下測量工作來得到：（1）測量活塞溫度與機油流量、發動機轉速和扭矩的關系；（2）測量軸承溫度與主油道機油壓力的關系。

這些工作是與各個零部件供應商緊密合作共同完成的，從而獲得潤滑和冷卻系統要求與轉速和扭矩關系的特性曲線場。

接下來的開發步驟是設計機油泵、冷卻液泵和機油冷卻器，使它們能可靠地滿足在極端要求情況下的最高要求，并從部分負荷運行時的要求，特別是典型運行工況點的特性推導出控制策略，對泵的可控制性和可調節性提出進一步的要求，因而對所選用的技術具有決定性作用。圖1示出了熱管理系統的設計策略。最后開發步驟則是借助于已引用的模擬模型開發優化燃油耗的策略。

4 熱管理技術

通過上述研究就能開發出熱管理系統，包括3個子系統，分別是液體流量的主動調節、可調式活塞冷卻和機油溫度調節。

5 液體流量的主動調節

冷卻液流量由兩級式冷卻液泵調節，其中冷卻液泵帶有1個電磁離合器，在一定的轉速下能實現2種不同的供應量：（1）最大流量（高轉速）：泵被直接驅動，其轉速與發動機轉速處于固定的傳動比；（2）滑差運行方式（低轉速）：泵通過電磁離合器驅動，而滑差率（驅動軸與從動軸之間的轉速差）可調節，并隨著驅動轉速的提高而變大，在全負荷時與直接驅動相比，其供應量減半。

圖2示出了最大流量和滑差運行方式時冷卻液泵的冷卻液流量、功率消耗與發動機轉速的關系。冷卻液泵的靈活性通過與之匹配的軟件策略加以利用，以便在運行狀況容許的情況下減小冷卻液流量（圖3）。

與非調節冷卻液泵相比，在典型的行駛循環（高速公路）中可節油0.5%，實現這樣的節油效果在現有的平臺情況下發動機結構無需作較大的修改。

6 可調式活塞冷卻

可調式活塞冷卻的基本設想很簡單，活塞的冷卻需求與負荷有關，因而在中小負荷下可減少冷卻。Volvo載貨車發動機的熱管理功能可減少活塞冷卻噴嘴的機油流量（圖4）。

通過活塞冷卻噴嘴的機油流量不僅能冷卻活塞，而且還潤滑活塞、氣缸套、活塞銷和連桿，因此不能中斷，即使在低負荷時也必須維持在較低的水平。這借助于1個兩路電磁閥來實現，該閥由發動機電控單元根據各種不同的發動機參數通過脈沖調制信號進行控制調節，通過改變閥的開度使機油壓力不斷地適應冷卻的需求。

減小機油流量直接降低了機油泵的負荷，因為多余的機油在機油泵中通過短路返回實現再循環。除此之外，較高的活塞溫度能改善燃燒，從而間接地有助于提高能量效率。此外，“發動機倒喘”現象（一種因潤滑機油在燃燒室中不完全燃燒所引起的聲學現象）也減少了。應用可調式活塞冷卻在長途貨運標準行駛循環中總共可節油0.5%～0.8%。

7 機油溫度調節

除了減小機油泵驅動功率獲得的節油效果之外，還可直接通過減少機油循環回路中的壓力損失獲得附加的節油效果。在發動機典型的運行范圍內，僅需要通過機油循環回路相對較少的散熱，然而在非調節系統中機油仍然要引入機油冷卻器進行冷卻，那么此時被調節到相對較低的機油溫度，其直接的結果是機油粘度較高，最終導致壓力損失和燃油耗提高，而且流經機油冷卻器會進一步增大壓力損失。

因此，調節機油溫度的主要目的與負荷工況點無關，并在盡可能較高的機油溫度下運行，通過旁通機油冷卻器使機油粘度較小，降低燃油耗。為此，從歐4起最初系統中應用了1個石蠟節溫器，非常好地提高了效果。但這種型式的節溫器的反應時間相當長，所以不得不作出保守的設計，以便在不連續轉換的情況下能確保全負荷時獲得足夠的冷卻。

應用1個比例電磁閥就能進一步改善調節的效果（圖5），如在活塞冷卻噴嘴處應用該閥。該閥由發動機電控單元借助機油溫度傳感器的數據進行控制，可維持預先規定的機油溫度（圖3）。

在各種不同行駛循環中的測量結果表明，與采用石蠟節溫器調節溫度相比，電磁閥控制能獲得0.5%～1.2%的節油效果。

8 結論

上述工作實現了發動機熱管理功能，在接近實際使用情況的行駛循環中能獲得1.5%～2.0%的顯著節油效果，并能高效地在現有發動機平臺上實施，解決成本問題。在精確詳細驗證的基礎上開發出了一種工作能力強的熱管理方案，將低燃油耗值與高可靠性相結合。在發動機試驗臺上進行了精確的標定，能充分利用其全部的節油潛力，在保持系統穩定性的同時確保迅速精確地進行調節。除此之外，通過模擬模型、測量，以及在發動機試驗臺和試驗汽車上的耐久性試驗進行了全面的鑒定和驗證，其中包含了開發新的試驗大綱，以便驗證熱管理系統專用的零部件并確保整機的可靠性。