電控冷卻系統對發動機經濟性的影響及試驗研究

崔俊杰 肖陽 張筱梅

1. 東風商用車有限公司技術中心 湖北武漢 430056

2. 漢陽專用汽車研究所 湖北武漢 430056

1 前言

隨著能源危機的出現、地球環境的惡化、日益嚴格的汽車排放法規的出臺以及人們對汽車舒適性要求的逐步增長，汽車熱管理應運而生[1]。總的來說，汽車熱管理就是運用熱力學原理提高整個系統或裝置的能量利用率，減少廢熱損失、提高系統的穩定性和可靠性的相關技術，從整體的角度管理熱量。

汽車熱管理的主要研究內容包括熱管理對象熱特性研究、熱管理系統集成以及熱能綜合利用等，是從被動地控制溫度到主動地管理能量的思想轉變，是提高熱力系統設計整體性的重要研究方法。

2 電控冷卻系統控制原理及試驗臺架的建立

發動機作為整車中最大的熱源，是應進行熱管理分析和研究的對象。在發動機運轉過程中，燃料燃燒所釋放熱量的去向有幾種，分別轉化為機械能的有效功、被冷卻水帶走的熱量、被中冷器（空氣）帶走的熱量、排氣帶走的熱量以及一些相對較少的余項損失熱量[2]。在保證發動機動力性、經濟性的前提下，合理地分配冷卻系統帶走的熱量，使之部分轉化為有效功，是研究的重點。

傳統發動機冷卻系統中的風扇、水泵，都是由發動機自身帶動，其優點是結構相對簡單、成本較低、技術成熟；缺點則是在發動機不停變換工況及環境的工作過程中，無法根據冷卻水的實時溫度調整風扇、水泵的轉速，這樣勢必會造成熱量的浪費，而電控冷卻系統能夠根據冷卻水溫信號調整風扇、水泵的轉速，進而達到控制冷卻水流量的目的，更有利于熱量的利用，提高發動機的工作效率[3]。

2.1 電控冷卻試驗系統條件建立

電控冷卻系統中，除冷卻水泵和電機驅動設備外，冷卻系統大部分元件為該車型原配。首先，將發動機原內置水泵廢除，拆下原水泵葉輪，以減小水路阻力，殼體保留當作水管通道；再將原風扇解體，保留風扇部分，通過鍵槽連接，直接由電機驅動風扇；最后，將兩臺某品牌MM440變頻器（其中7.5 kW變頻器用于控制水泵，30 kW 變頻器用于控制風扇）安裝在控制柜內，充分利用控制柜的金屬外殼減少變頻器對試驗室的外部電器設備的電磁干擾，冷卻系統如圖1所示。

采用一臺便攜式計算機做為硬件平臺，在Windows XP操作系統上以Visual Studio C# 2005做為開發工具，選用SQL Server 2000作為后臺數據庫記錄數據信息。系統的數據采集和記錄周期設定為1 s，控制量輸出周期可設定為數據采集周期的整數倍，以便比較不同的控制周期對控制系統性能的影響。控制程序主界面如圖2所示。

2.2 電控冷卻系統控制方法及原理

發動機電控冷卻系統控制結構示意如圖3所示。ECU輸入輸出接口主要由某品牌ADAM-4561、ADAM-4017+和ADAM-4024構成，該ADAM系列的模擬量輸入通道和模塊之間提供了3 000 V的電壓隔離，可有效地防止模塊在受到高壓沖擊時損壞。ADAM-4561是一款隔離端口轉換器，它可以讓PC 用戶將串行設備連接到使用USB接口的系統中，ADAM-4561由USB端口提供工作電源，無須外接電源。ADAM-4017+是16 位A/D、8通道的模擬量輸入模塊，可以采集電壓、電流等模擬量輸入信號，總的采樣速率為10 Hz，精度為±0.1%。ADAM-4024有4 路模擬量輸出通道，分辨率為12位，輸出量程為0~20 mA、4~20 mA、±10 V。輸出電流時精度為±0.1%，輸出電壓時精度為±0.2%。發動機冷卻液進/出口溫度和散熱器空氣側的進/出口溫度通過ADAM-4017+模塊進行A/D轉換，送入ECU，ECU根據控制策略計算出控制量，通過ADAM-4024 模塊進行D/A 轉換來調節變頻器的輸出頻率。考慮到試驗室電磁干擾等惡劣的現場條件，ADAM-4017+和ADAM-4024的輸入輸出均采用電流信號，信號線采用屏蔽線并可靠接地，且這三個ADAM模塊需遠離控制柜放置。

發動機電控冷卻系統結構如圖4所示。將冷卻水泵、冷卻風扇與發動機的傳動連接脫開，風扇、水泵直接由電機驅動，電機的轉速由兩臺變頻器分別控制；拆除節溫器，堵死小循環；控制程序根據檢測到的發動機冷卻液出水溫度，按相應的控制策略進行計算，然后通過調節變頻器的輸出頻率來改變電機轉速，從而改變風扇轉速，達到自動控制冷卻系統的目的[4]。

3 試驗過程及結果分析

3.1 試驗設計

試驗樣機選用某品牌發動機，采用整車原套冷卻系統，由臺架完成對出水溫度的控制。為了減少試驗誤差、簡化試驗內容、降低試驗成本且能夠準確得到出水溫度對發動機經濟性的影響，試驗過程中將電控水泵穩定在同一轉速，僅用電控風扇調節水溫。

首先，在臺架上確定發動機在整車配置條件下最佳冷卻液溫度MAP。為了使電控冷卻系統能夠將發動機出水溫度控制最佳，使其達到最好的經濟性，先要進行原機冷卻系統不同冷卻液溫度試驗，以獲取該型發動機在整車配置條件下最佳冷卻液溫度MAP。

根據發動機冷卻液溫度控制系統的控制精度，試驗轉速選擇在1 100、1 300、1 500、1 700和1 900 r/min五個轉速水平， 在82℃～94 ℃，每間隔2℃對原機進行全工況試驗，試驗負荷選擇100%、75%、50%和25%四個負荷水平。

其次，確定原機風扇轉速與發動機冷卻水溫關系曲線，并根據此曲線用電控冷卻系統模擬原機冷卻系統；并在對應工況下，通過電控冷卻系統根據水溫MAP圖控制發動機出水溫度，分別得出兩者的能耗[5]。

最后，分別對配備兩種冷卻系統的發動機以1 000～1 900 r/min轉速，每間隔100 rad進行外特性熱平衡試驗[6]，電控冷卻系統按照前面制取的MAP圖控制出水溫度，試驗時環境溫度約為18℃~27℃，試驗時取消節溫器，堵住小循環。

3.2 試驗結果分析

通過計算對比，得出以經濟性為目標的最佳冷卻液溫度MAP。如圖5所示。

對原機冷卻系統進行試驗，得出風扇轉速與發動機冷卻水溫的關系曲線如圖6所示。

根據圖6曲線，用電控冷卻系統模擬原機對發動機出水溫度進行控制，測量計算得出原機冷卻系統的能耗；然后用電控冷卻系統根據前面得出的最佳經濟性水溫MAP圖控制發動機出水溫度，使發動機達到最佳經濟性，測量計算得出電控冷卻系統的能耗。兩種類型冷卻系統外特性工況下的能耗對比如圖7、表1所示（為便于標注，以下各圖圖例均 “原機”代表帶原機冷卻系統；以“電控”代表電控冷卻系統）。

表1 兩種冷卻系統外特性工況能耗表

由表1可見，原機冷卻系統在1 000 r/min時能耗為1.29 kW；在1 900 r/min時能耗達13.44 kW。電控冷卻系統比原機冷卻系統能耗稍低，在低速工況下，兩者能耗差別不大，如在1 000 r/min時，兩者差別只有0.11 kW；此時由于原機冷卻系統的風扇在冷卻液發動機出口溫度信號的驅動下，轉速很低，約為690 r/min，在低速區間，風扇轉速變動100 r/min引起的能耗變化在0.1 kW左右，所以電控冷卻系統節能不明顯；隨著轉速增加，兩者能耗差別越來越大，在1 900 r/min時，兩者差別為6.43 kW。

對試驗數據進行計算分析可得，電控冷卻系統能耗比原機冷卻系統降低較多，較大程度地改善了發動機燃料經濟性，經濟性提高最明顯的是在1 900 r/min工況，達2.28%。其改善情況如圖8所示。

4 結語

本文主要介紹了改進發動機冷卻系統的優勢，并對方案和試驗過程做了具體的描述，并得出如下結論：

a. 電控冷卻系統能夠較大程度地改善發動機的燃料經濟性，最高可提高2.28%；

b. 試驗中，由于發動機出水溫度有所上升，這勢必會對機油品質、潤滑和散熱效果以及發動機的熱負荷造成影響，如何解決這些問題，還有待改進。

通過試驗，能夠看出電控冷卻系統在合理分配熱能、提高發動機工作效率上比傳統冷卻系統更有優勢，能提高發動機的經濟性，對于發動機的開發也具有較大的意義。

[1] 曹旭.發動機熱管理仿真與試驗研究[D].上海交通大學,2008.

[2] 譚建勛.工程機械熱管理系統試驗平臺的開發[D].浙江大學,2005.

[3] 羅建曦.汽車熱管理系統集成空氣側熱流體分析研究[D].清華大學,2004.

[4] 楊勝.汽車熱管理系統半物理仿真試驗平臺研究[D].清華大學,2004.

[5] N.S.Ap,A.Maire P.,et a1.Economical Engine Cooling System[C].SAE Paper No.2001-01-1708,2001.

[6] Ngy Srun Ap,Pascal Guerrero，et a1．Influence of Front End Vehicle.Fan and Shroud on the Heat Performance of A/C Condenser and Cooling Radiator[C].SAE Paper No.2002-01-1206,2002.