電機球閥式節溫器在發動機冷卻系統的應用研究

代永剛，張世豪，曹慧穎，程劍峰，李杰，解小超

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

1 概述

如何提高發動機的熱效率，提升發動機的燃油經濟性，一直是發動機研發的主要課題，尤其隨著油耗法規的日益加嚴，提升發動機的熱效率，降低油耗的任務更顯急迫。據統計，發動機燃燒產生熱量的30%被冷卻系統帶走，并經冷卻風扇，消散在空氣中，因此冷卻系統的優化，對提升發動機的熱效率大有可為。隨著零部件技術的發展，發動機用節溫器已發展出電機球閥式節溫器，相較傳統蠟式機械節溫器，電機球閥式節溫器可以對發動機大、小冷卻水循環進行控制。本文基于電機球閥式節溫器的特性和發動機管理系統的功能擴展，設計了一種用于發動機冷卻水運行的控制策略，使發動機在啟動后快速暖機，并在安全、高效的水溫區間運行，提高發動機的熱效率，降低油耗。

2 電機球閥式節溫器結構

電機球閥式節溫器內部為電機驅動的球閥，環繞球閥腔室，有五路通道與冷卻系統連接，分別連膨脹水壺補水口、散熱器回水口、暖風回水口、發動機小循環出水、水泵進水口。球閥驅動電機為直流電機，電機傳動采用渦桿結構（電機斷電后，球閥會保持在當前開度位置）。球閥開度檢測采用電磁感應原理，并經球閥內部單片機處理后，按照SENT協議格式發送給發動機 ECU，協議標準為：SAE J2716-2010。

圖1 電機球閥式節溫器結構

3 電機球閥節溫器在發動機冷卻系統的應用

3.1 硬件架構設計

電機球閥式節溫器的控制是基于發動機管理系統實現的。為此，發動機控制單位ECU需增加一路H橋，以驅動電機球閥式節溫器的直流電機，控制球閥轉動，同時為能更精確地對發動機的水溫進行閉環控制，還需增加一路sent接口讀取球閥的當前位置開度。

圖2 電子球閥節溫器控制硬件結構框圖

3.2 控制邏輯設計

相比傳統蠟式機械節溫器，應用電機球閥式節溫器后，ECU通過主動調冷卻水循環的流動，調節發動機的運行水溫。通過快速暖機和整體提高發動機部分負荷的運行水溫，降低發動機的摩擦損失，提高機械效率，從而提高發動機的熱效率。

下圖為電機球閥節溫器的流量曲線，橘黃色線為小循環流量曲線，紅色線為大循環流量曲線。

圖3 球閥開度-流量曲線圖

冷啟動暖機階段，所有水循環切斷，讓發動機快速升溫。當水溫升到60℃后，逐步開啟小循環，提高發動機熱均勻性，對機油進行更好加熱。部門負荷時，將水溫控制在高位運行，以提高熱效率，提升燃油經濟性。全負荷時，防止爆震，提高發動機可靠性，可適當降低運行水溫。

表1 發動機水溫控制要求

發動機運行水溫采用PID閉環控制。根據對水溫的影響因素，定義發動機負荷（進氣歧管壓力值）_轉速、車速_進氣溫度、發動機負荷_車速與水溫的三維標定表格。通過查詢以上三個標定表格，并取最小值，即為發動機運行期望水溫。發動機期望水溫與實際水溫（水溫傳感器測得水溫）之差，即水溫差值?；A輸出占空比由差值與水溫、發動機負荷查表得到。同時水溫差值輸入PID控制輸出修正占空比，該值與基礎輸出占空比之和即為發動機節溫器控制模型的輸出占空比。

另外根據電機球閥節溫器的物理特性（直流電機執行器響應延遲、閥體回位彈簧阻力、不同負荷下變化的冷卻液水流阻力等影響因素），對期望的球閥位置開度采用閉環 PID控制，該PID控制輸出的基于電機球閥節溫器物理特性的補償占空比，此值與發動機節溫器控制模型的輸出占空比之后，即為ECU最終輸出控制球閥運行的執行占空比。

圖4 發動機水溫控制模型

3.3 車輛改造及測試

在江淮2.0T+_M6_DCT車型上，將傳統蠟式機械節溫器（初開水溫85℃，全開95℃，NEDC測試，高速水溫平衡在91℃左右），替換成電機球閥節溫器，同時對水路進行改造。改造后的冷卻系統見下圖。當大、小循環均關閉時，暖風和DCT冷卻水路關閉。為確認發動機水溫分布情況，在圖示中紅色箭頭標示3地方和發動機油底殼（T1）安裝熱電偶傳感器。

圖5 發動機冷卻水路

試驗前車輛靜止 24h小時，轉鼓實驗室溫 25℃，電壓12.1V，濕度50%，測試中空調關閉,冷卻風扇關閉。發動機熱平衡控制（發動機水溫）在95°C，在轉鼓上進行NEDC測試，測試數據如下：

圖6 NEDC工況運行水溫

暖機階段球閥不開啟，在水溫達到60℃（游標1處，此時球閥開度為14.2°），高速階段水溫平衡96℃（游標2處，此時球閥開度為 16.1°）。實際上，由于小循環開度小下，缸體、缸蓋熱交換差，發動機實際運行水溫處于圖6中黃色線與紅色線之間。

4 結束語

為滿足日益嚴格的油耗和排放法規，通過提高發動機運行水溫，降低摩擦功能，提高發動機熱效率，本文設計了一種使用電機球閥節溫器控制發動機運行水溫的方法，該方法基于發動機管理系統擴展實現。在江淮2.0T+_M6_DCT應用測試后，表明使用該方法可提高發動機的運行水溫。

參考文獻

[1] 江淮汽車技術中心.綠程汽油機節油技術分析報告.

[2] 周龍寶.內燃機學.第三版[M]北京機工印刷廠, 2015.

[3] 張西振.汽車發動機電控技術[M]第三版.機械工業出版社, 2016.

[4] 曲阜天博.電機球閥節溫器使用說明書.