發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)降油耗的優(yōu)化設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

張振培，周朝軍，沈玉芳

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)降油耗的優(yōu)化設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

張振培，周朝軍，沈玉芳

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、加速性、可靠性以及使用壽命。為此，針對(duì)某機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)，使用開(kāi)關(guān)式水泵與電動(dòng)閥節(jié)溫器進(jìn)行冷卻系統(tǒng)優(yōu)化。為確保其理論優(yōu)勢(shì)，采用NEDC工況下的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

冷卻系統(tǒng)；開(kāi)關(guān)式水泵；電動(dòng)閥節(jié)溫器；試驗(yàn)驗(yàn)證

傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)是基于發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷時(shí)的最大散熱量設(shè)計(jì)的，同時(shí)還需要考慮到水泵的工作效率以及傳統(tǒng)蠟式節(jié)溫器的閥門開(kāi)度、滯后性等因素，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在任何工況下都不能出現(xiàn)開(kāi)鍋的現(xiàn)象。因此，傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)存在著發(fā)動(dòng)機(jī)在大部分工況下過(guò)冷以及暖機(jī)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、加速性、可靠性以及使用壽命［1］。

提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的方法有很多，比如缸體缸蓋分流式冷卻，缸蓋集成排氣歧管，增加EGR冷卻回路等措施。這些方法雖然在技術(shù)上可行，但是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)改動(dòng)較大，實(shí)施成本較高，不適用于已量產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)。而本文所討論的開(kāi)關(guān)式水泵與電動(dòng)閥節(jié)溫器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)改動(dòng)較小，節(jié)油效果明顯，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均具有可行性。（1）縮短暖機(jī)時(shí)間；（2）提高機(jī)油溫度；（3）提高發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)溫度，得到較少溫度的波動(dòng)。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要也是通過(guò)這三種方式進(jìn)行優(yōu)化。

發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)是指發(fā)動(dòng)機(jī)本體溫度從低溫上升到正常溫度的過(guò)程。用戶在實(shí)際使用和法規(guī)測(cè)試NEDC工況中（New European Driving Cycle），車輛均為冷機(jī)啟動(dòng)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部溫度低，摩擦大，燃燒不充分，導(dǎo)致油耗增加，排放變差［2］。

通過(guò)提高機(jī)油溫度，可以降低機(jī)油粘度，減少運(yùn)動(dòng)副的摩擦損失。從圖1可以看出，機(jī)油80℃時(shí)的粘度較20℃降低了75%.

圖1　機(jī)油溫度與運(yùn)動(dòng)副摩擦力矩的關(guān)系圖

1　設(shè)計(jì)優(yōu)化及工作原理

1.1設(shè)計(jì)優(yōu)化

開(kāi)關(guān)式水泵：在原有傳統(tǒng)水泵的基礎(chǔ)上，加裝一個(gè)電磁離合器，在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)階段，離合器分離，水泵皮帶輪空轉(zhuǎn)，水泵不工作，縮短暖機(jī)時(shí)間。

電動(dòng)閥節(jié)溫器：拆除發(fā)動(dòng)機(jī)上原有的蠟式節(jié)溫器，外接上電動(dòng)閥節(jié)溫器，將散熱器管路和通暖風(fēng)管路一起引至電動(dòng)閥節(jié)溫器處進(jìn)行控制。通過(guò)控制閥門的開(kāi)度，調(diào)節(jié)散熱器管路和暖風(fēng)機(jī)管路的流量分配，進(jìn)而使發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫控制在目標(biāo)溫度上。

1.2設(shè)計(jì)優(yōu)化原理

發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)冷卻系統(tǒng)降油耗節(jié)油主要方式為：

由于電動(dòng)閥節(jié)溫器相應(yīng)快（3～5 s），因此可以將發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)水溫提高，同時(shí)水溫的波動(dòng)也會(huì)更小，這樣更利于燃燒。

1.3開(kāi)關(guān)式水泵

開(kāi)關(guān)式水泵是在水泵殼體上加裝一個(gè)電磁式的離合器，通過(guò)PMW信號(hào)控制離合器的通斷。當(dāng)離合器處于斷電狀態(tài)時(shí)，水泵和傳統(tǒng)水泵一樣工作，而當(dāng)離合器處于通電狀態(tài)時(shí)，離合器帶動(dòng)水泵皮帶輪與水泵軸承分開(kāi)，水泵皮帶輪空轉(zhuǎn)，水泵不轉(zhuǎn)。

開(kāi)關(guān)式水泵可縮短暖機(jī)時(shí)間，提高機(jī)油溫度。

1.4電動(dòng)閥節(jié)溫器

圖2為某車型的冷卻系統(tǒng)循環(huán)圖，該車型冷卻系統(tǒng)循環(huán)包括大循環(huán)（去散熱器）、暖風(fēng)循環(huán)、發(fā)動(dòng)機(jī)和散熱器排氣循環(huán)，沒(méi)有單獨(dú)的小循環(huán)。

圖2　冷卻系統(tǒng)循環(huán)圖

通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)閥門運(yùn)動(dòng)，控制冷卻系統(tǒng)各個(gè)循環(huán)管路的流量，可達(dá)到控制溫度的目的。現(xiàn)有的電動(dòng)閥節(jié)溫器通方案是采用1個(gè)閥門分別控制散熱器與暖風(fēng)循環(huán)。

圖3為電磁閥節(jié)溫器控制策略圖。在冷啟動(dòng)階段，電動(dòng)閥節(jié)溫器會(huì)將大循環(huán)和暖風(fēng)循環(huán)全部關(guān)閉，縮短暖機(jī)時(shí)間；等發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到較高溫度后（X點(diǎn)），電動(dòng)閥節(jié)溫器會(huì)先將暖風(fēng)循環(huán)緩緩打開(kāi)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度達(dá)到Y(jié)點(diǎn)后，此時(shí)暖風(fēng)回路全部打開(kāi)，散熱器回路緩緩打開(kāi)。當(dāng)達(dá)到較高溫度點(diǎn)Z點(diǎn)后，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)更好的冷卻，電動(dòng)閥節(jié)溫器會(huì)將散熱器回路全部打開(kāi)，同時(shí)關(guān)閉暖風(fēng)回路。

圖3　電磁閥節(jié)溫器控制策略圖

2　NEDC工況下試驗(yàn)條件

NEDC工況下整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)由1部（市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)）和2部（市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)）組成。具體工況圖如圖4所示。

圖4　整車模擬運(yùn)行工況圖

試驗(yàn)時(shí)，大氣溫度23.5℃，風(fēng)速為0.

3　試驗(yàn)結(jié)果

3.1開(kāi)關(guān)式水泵

從圖5 NEDC工況下水溫與油溫曲線圖可以看出：

（其中SWP Oil&Coolant指裝載開(kāi)關(guān)式水泵后的油溫與水溫曲線，CWP Oil&Coolant指原車的油溫與水溫曲線）。

（1）開(kāi)關(guān)式水泵（SWP）較傳統(tǒng)水泵（CWP）提前160 s達(dá)到80℃，縮短了暖機(jī)時(shí)間。

（2）整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程，開(kāi)關(guān)式水泵（SWP）的油溫比傳統(tǒng)水泵（CWP）高2℃～5℃.

圖5　NEDC工況下水溫與油溫曲線

表1的油耗結(jié)果對(duì)比可知：在NEDC前半段城市工況節(jié)油明顯，節(jié)油率達(dá)到了3.6%，在NEDC后半段，，郊區(qū)工況的節(jié)油率為0.4%.

表1　油耗結(jié)果對(duì)比

3.2電動(dòng)閥節(jié)溫器

從圖6 NEDC工況下水溫曲線可以看出：（1）原車達(dá)到84℃的時(shí)間為520 s，采用電動(dòng)閥節(jié)溫器后到達(dá)84℃時(shí)間為370 s，提前了150 s，縮短了暖機(jī)時(shí)間；（2）原車的穩(wěn)態(tài)溫度在86℃左右，而由于電動(dòng)閥節(jié)溫器響應(yīng)時(shí)間短，采用電動(dòng)閥節(jié)溫器后的穩(wěn)態(tài)溫度控制在了96℃，提高了將近10℃.

圖6　NEDC工況下水溫曲線

表2的油耗結(jié)果對(duì)比可知：在NEDC前半段城市工況節(jié)油明顯，節(jié)油率達(dá)到了2.6%，在NEDC后半段，郊區(qū)工況的節(jié)油率也達(dá)到了3%.

表2　油耗結(jié)果對(duì)比

4　結(jié)束語(yǔ)

在NEDC工況下開(kāi)關(guān)式水泵可縮短暖機(jī)時(shí)間，提高機(jī)油溫度。由于暖機(jī)時(shí)間的縮短，在NEDC前半段城市工況節(jié)油明顯，節(jié)油率達(dá)到了3.6%，而在NEDC后半段，由于傳統(tǒng)蠟式節(jié)溫器靈敏度（70 s）的限制，發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)溫度僅提高3℃左右，油耗降低不明顯。

在NEDC工況下電動(dòng)閥節(jié)溫器可縮短暖機(jī)時(shí)間，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)溫度。由于暖機(jī)時(shí)間的縮短，在NEDC前半段城市工況節(jié)油明顯，節(jié)油率達(dá)到了2.6%，而在NEDC后半段，由于穩(wěn)態(tài)溫度的提高，郊區(qū)工況的節(jié)油率也達(dá)到了3%.

此實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此次冷卻系統(tǒng)優(yōu)化的可靠性，也為以后的冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

［1］張明.淺議發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)［J］.商業(yè)經(jīng)濟(jì)，2009，（2）：100-101.

［2］何艷則，劉紅領(lǐng)，付永宏，等.集成發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)過(guò)程的油耗仿真研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014，（3）：249-251.

The Optimization Design and Validation of Engine Cooling System

ZHANG Zhen-pei，ZHOU Chao-jun，SHEN Yu-fang
（SAIC GM Wuling Automation Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

The engine cooling system affects the engine's fuel economy，acceleration，reliability and service life. Therefore，for an engine，use switch type water pump and electric valve thermostat for the cooling system optimization.In order to ensure its theoretical advantages，adopt the NEDC condition test verification，so as to provide the basis for the optimization design.

cooling system；switch type water pump；electric valve thermostat；test

U464.138

A

1672-545X（2016）08-0075-02

2016-05-19

張振培（1990-），男，安徽阜陽(yáng)人，本科，助理工程師，從事發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究；周朝軍（1986-），男，廣西桂林人，本科，助理工程師，從事發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究；沈玉芳（1987-），女，湖北武漢人，本科，助理工程師，從事發(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)研究。