冷卻系統熱管理測試分析

劉系暠，豆佳永，張靜，譚建松，張艷青

(北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101106)

中國第四階段油耗法規已于2016年1月1日實施，企業100 km平均油耗在2020年須達到5 L的要求[1-2]，同時，第五階段油耗法規正在醞釀之中。雙積分政策已于2018年4月1日正式實行，2018年只鼓勵、不考核，2019年開始考核[3]。國六排放法規將于2020年1月1日在全國范圍內實施[4]，部分省市將于2019年提前實施。油耗和排放法規的雙重要求與壓力，推動著乘用車汽油機技術的不斷發展進步。在眾多技術中，智能熱管理逐漸成為滿足未來油耗和排放法規的必備技術之一[5]。本研究在一輛搭載1.5T增壓直噴汽油機和6速自動變速箱的B級車上進行冷卻系統的熱管理研究，對冷卻系統進行改制，對比不同熱管理控制策略下的油耗變化，分析油耗變化的原因。相關文獻顯示[6]，熱管理措施對排放有很大的改善潛力，但由于本次試驗中樣車狀態，特別是后處理系統狀態，以及未對噴油、點火等更多的標定進行調整等原因，沒有對排放結果進行過多關注。

1 智能熱管理系統

熱管理中的熱，可以泛指能量，熱管理即與能量管理有關的技術。通常的熱管理多指與溫度相關的領域，對于整車，則包括機艙溫度場、熱害、空調暖風系統、乘員艙溫度場等[7]。對于動力總成系統，熱管理通常針對與溫度最直接相關的冷卻系統，本次研究主要針對發動機和變速箱的冷卻系統，同時拓展到潤滑系統。

傳統的發動機冷卻系統設計主要針對最惡劣的工況進行，確保機體和冷卻液溫度不超過限值。傳統的設計，根據發動機工況進行調節的靈活度不夠，對于發動機經常運行的中低轉速、中小負荷工況而言，存在著過設計問題，如過大的冷卻液流量、過長的暖機時間、偏低的機體溫度等，會造成不必要的能量損失。針對這些問題，冷卻系統的設計已朝著可變、智能化的方向發展，設計目標可以概括為圖1示出的三個方面。熱得快，即發動機由冷機迅速升溫，達到最佳工作狀態，不僅可以降低油耗和排放，還有助于減少機油稀釋，尤其對于北方冬天短距離行駛的工況作用更為明顯；按需分，即在暖機后，智能調節冷卻系統，以盡量少的能量消耗使發動機盡量保持在最佳工作狀態；不要超，即傳統冷卻系統的設計目標，確保發動機安全。

圖1 智能熱管理系統設計目標

以下將對冷卻系統智能熱管理的主要技術作簡要介紹。

1) 缸體、缸蓋分體冷卻

缸體、缸蓋水套采用并聯式的設計，相對獨立地控制二者的冷卻液流量和溫度。與傳統的串聯式缸體、缸蓋水套相比，這樣的設計在滿足最大冷卻需求的前提下，冷機時，缸體冷卻液不流動，加快暖機速度，暖機中小負荷時，缸體冷卻液溫度相對更高，以減小摩擦，降低油耗。

2) 集成排氣歧管

與傳統獨立式排氣歧管相比，集成排氣歧管利用冷卻液對排氣進行強制冷卻(見圖2)，在中高轉速中大負荷，可以減小缸內加濃，降低油耗。冷起動時，可以利用排氣能量對冷卻液進行加熱，使冷卻液升溫速度加快。采用集成排氣歧管還可以使發動機設計更為緊湊，降低整機質量。在獲得優勢的同時，集成排氣歧管也有一些相對劣勢、需要注意的地方：冷啟動時，冷卻液在帶走排氣能量的同時，催化器起燃也有相應變慢的風險；對于增壓發動機，低速排溫降低，不利于低速動力性；需適當加大水泵，以提供冷卻集成排氣歧管需要的冷卻液流量；需要與缸體缸蓋分體冷卻配合應用，否則會造成缸體過冷卻，除暖機速度和油耗問題外，還會因缸體缸蓋溫差加大，帶來缸體變形和缸墊密封失效的風險。

圖2 集成排氣歧管示意[8]

3) 電子節溫器

與傳統蠟式節溫器相比，電子節溫器通過電加熱的方式，拓寬對冷卻液溫度的調節范圍，使發動機小負荷時可以工作在相對更高的冷卻液溫度下，以降低油耗，但其對于快速暖機并無作用。

4) 智能熱管理模塊

智能熱管理模塊，即對各路冷卻循環進行相對獨立控制的電子閥模塊(見圖3)。該模塊根據需求控制各路循環的通與斷，以及各路循環冷卻液流量的大小，以減小傳熱和水泵功耗，進而降低油耗，并且控制精度和響應速度遠勝于節溫器的調節方式。該模塊理想狀態是各路完全獨立控制，但會帶來設計和控制難度增加、可靠性降低等問題，實際應用中，只能做到盡量多路的獨立控制和盡量合理的流量分配。目前此技術的應用還較少，本研究將主要針對此技術，進行樣車改制與試驗研究。

圖3 智能熱管理模塊示意[9]

5) 機械可變水泵與電子水泵

常見的機械可變水泵為離合式，冷機時，水泵帶輪與泵輪機械分離，實現零流量，以快速暖機；暖機后，二者結合，與常規水泵工作方式相同。此外還有圖4所示調節方式的機械可變水泵，這種方式雖然能減小水泵流量，但并沒有改變水泵轉速，因而水泵功耗不會明顯降低。

圖4 機械可變水泵示意[10]

電子水泵則可以完全根據發動機需求調節水泵流量，控制精度高，響應速度快(見圖5)。與智能熱管理模塊配合使用，可以更好地發揮對冷卻系統智能熱管理的作用[4]。電子水泵作為副水泵，在中冷器、增壓器的冷卻中已有一定應用，而作為主水泵的應用還較少。

6) 水-空中冷器

與傳統的空-空中冷器相比，水-空中冷器(見圖6)對于進氣溫度的控制更加精細，并且與環境溫度的解耦程度更高，如環境溫度較低時，可以不對進氣進行冷卻，以使進氣溫度不至于過低。水冷中冷器的氣測流阻遠小于空-空中冷器，更有利于增壓匹配和動力性提升，對油耗降低也有一定幫助。

7) 可變排量機油泵

根據發動機不同工況的需求，通過調節泵排量的方式調節機油泵流量與系統油壓。與傳統柱塞泄壓式機油泵相比，可以有效降低機油泵內耗。此技術已逐漸成為新開發機型的標準配置。

8) 可控活塞冷卻噴嘴

使用可變排量機油泵后，可在很大程度上實現活塞冷卻噴嘴的可控。如機油溫度低或中低轉速、中小負荷等不希望活塞冷卻噴嘴開啟的工況，在滿足潤滑需求的前提下，通過控制主油道油壓低于活塞冷卻噴嘴開啟壓力的方式，使其不開啟。

另一種實現方式是為活塞冷卻噴嘴設置單獨的油道，并控制油道的通斷，在油壓高又不希望噴嘴開啟的工況關閉油道。

9) 電子風扇

與電子水泵類似，電子風扇根據散熱器、冷凝器等的散熱需求，智能調節轉速，控制精度高、響應速度快。目前已較大范圍應用。

10) 智能格柵

根據機艙吹拂需求開關格柵，并調節格柵開啟角度，以減小傳熱損失，同時還可以降低車輛風阻。此技術在中高級車上已有一定范圍的應用。

11) 尾氣余熱回收

利用尾氣余熱直接對潤滑油或冷卻液進行加熱，使其快速升溫(見圖7)。目前此技術的應用較少，多處于研究階段。

圖7 尾氣余熱回收示意[13]

12) 動力總成包裹技術

通過對動力總成的有效包裹，在滿足散熱的前提下，減小熱損失。這樣的設計對于發動機停機后的保溫作用更大，在發動機頻繁啟停的混合動力上可以發揮更大作用。該技術目前仍處于研究階段。

2 冷卻系統改制

2.1 現狀態冷卻系統

現狀態冷卻系統的主回路包含水泵、發動機水套、電子節溫器和散熱器(見圖8)。水套為傳統缸體、缸蓋串聯式水套，該冷卻系統工作過程：小循環在大循環開啟后關閉；發動機油冷循環在水泵后取水，回水泵前；暖風循環在缸蓋出水處取水，與大循環(或小循環)和發動機油冷循環匯合后，回水泵前；增壓器循環從缸體水套取水，回缸蓋出水處；變速箱油冷循環在散熱器出水管上通過節流建立壓差的方式獲得流量。

現狀態冷卻系統中，暖風循環是常通的，在駕駛員沒有暖風需求或大循環未開啟時，其作用與小循環重疊，這樣不僅加大了參與循環的冷卻液流量，還增大了發動機水套的流速，對于快速暖機是不利的。而當大循環開啟且駕駛員沒有暖風需求時，暖風循環對散熱器而言起到了分流作用，相對減少了散熱器流量，進而可能需要選擇更大的散熱器以滿足整車熱平衡需求。

發動機油冷循環也是常通的，考慮到冷卻液溫升速度一般都高于潤滑油，因而現有的設計具有冷卻液加熱潤滑油的功能。在這樣的設計下，冷卻液與潤滑油的溫升是同步的，如果冷機時關閉此循環，待冷卻液溫度達到一定程度后，再利用加大的溫差去加熱潤滑油，或許可以提升潤滑油的升溫速度。

變速箱油冷循環的通斷與大循環是否開啟直接關聯，且流量與散熱器流量相關。這樣的設計，主要是從確保變速箱油溫不超過限值的角度出發，而沒有考慮用熱得更快的發動機冷卻液對變速箱油進行加熱。

圖8 現狀態冷卻系統示意

2.2 冷卻系統改制

通過2.1節對現狀態冷卻系統的描述與分析可以看出，其不具備快速暖機的特征。因而，本次冷卻系統熱管理改制的目標是使各路循環能夠相對獨立控制，使冷卻系統具備快速暖機的功能。在上文介紹的熱管理技術中，目前發動機采用了可變排量機油泵和電子風扇，但對于集成排氣歧管、分體冷卻、電子水泵、智能格柵等熱管理技術，由于改制涉及面大，難度大，短時間內難以實現等原因，并未在此次試驗中體現。

冷卻系統熱管理改制后的狀態見圖9，粗線為改動部分。

發動機油冷、變速箱油冷和散熱器循環的控制，由圖10示出的CCV(Continuous Control Valve)模塊負責，同時取消電子節溫器。三路循環初始狀態均為關閉狀態，并視水溫情況依次按順序開啟，而不能任意次序開啟。選擇發動機油冷循環早于變速箱油冷循環開啟，主要是考慮到在改制后盡量模擬原狀態的冷卻系統，這樣可以使測試結果對比更有效。改制后，變速箱油冷循環與原狀態區別最大，取水位置改為缸蓋出水口處，回水進入CCV，與散熱器、暖風等其他循環形成并聯關系。這樣的改制，在大循環打開前，變速箱油冷循環已完全打開，而不是像現狀態那樣與散熱器流量成比例。CCV模塊讀取在增壓器出水處單獨布置的水溫傳感器信號，通過單獨的控制器進行控制。

圖10 CCV模塊示意

由于CCV模塊只能對三路循環進行控制，因而在小循環加入了單獨的開關電磁閥，開關需要手動控制。暖風循環加入了手動開關閥。

改制后對各路循環可以相對獨立地進行控制，與原車相比，改制后變化最大之處除前述的變速箱油冷循環之外，還有由于管路的延長，造成了冷卻液總容積6%的增加。這6%的增加主要體現在了發動機油冷循環上，也就是主要體現在了大循環打開前參與循環的冷卻液上。僅對比大循環打開前參與循環的冷卻液容積，增加約12%，這樣有可能造成升溫變慢進而基礎油耗升高，這一點將在試驗方案中予以考慮和對比。

3 試驗方案與控制策略

3.1 試驗方案

試驗整體分為改制前、改制后模擬原車狀態和改制后熱管理策略三個階段。

測試僅進行了NEDC循環。改制后CCV的控制策略較粗略，且受限于狹小機艙空間，改制涉及的外接油路始終存在微滲油，為了確保安全，沒有進行發動機整體負荷更高、工況變化更劇烈的WLTC循環測試。

優先進行25 ℃標準NEDC測試，低溫(-7 ℃)測試作為第二步，若25 ℃下節油效果不明顯，則進行低溫測試。

每次測試至少重復1次，以保證結果的一致性。

3.2 控制策略

1) 原車

原車使用最新ECU和TCU版本進行測試，NEDC區域不開空調時的冷卻液溫度目標是95～100 ℃。電子風扇低速擋100 ℃開啟。

2) 改制后模擬原車

暖風、小循環、發動機油冷循環調至全開狀態；受限于CCV較粗略的控制邏輯，大循環溫度調節目標設為單一的100 ℃，不像原車隨工況變化；變速箱油冷循環與大循環同步開啟。

3) 改制后熱管理策略

各路循環初始狀態均為關閉狀態，僅保留增壓器和兩路除氣參與循環，由于除氣循環的流動，缸蓋水套仍可保持微小流動。

模擬駕駛員沒有暖風需求，暖風循環全程關閉。

小循環初始關閉，在確保安全的前提下，為盡量提高暖機速度，制定了50 ℃或250 s先到先開的策略。在隨后試驗過程中，根據實際試驗表現，調整為60 ℃或250 s先到先開。

發動機油冷和變速箱油冷循環按照表1示出的策略進行。發動機油冷循環分別在65 ℃，75 ℃，85 ℃開啟。由于幾何連接上變速箱油冷循環的開啟晚于發動機油冷循環，因而策略上分別有與發動機油冷循環同步開啟和98 ℃開啟兩種，98 ℃開啟的設置是從CCV控制角度出發，區別于大循環的設置。大循環冷卻液溫度控制目標為100 ℃。

表1 發動機和變速箱油冷循環開啟溫度 ℃

為了充分挖掘節油潛力，且認為CCV的調節響應速度和控制精度要優于電子節溫器，將電子風扇低速擋的開啟溫度調升至103 ℃。

3.3 關注的試驗結果

本次試驗僅關注油耗變化，由于整車狀態和電控數據的原因，不關注排放。主要關注的測試數據為發動機冷卻液溫度、發動機油溫、變速箱油溫、怠速轉速、累計油耗等，此外，油門開度、節氣門開度、管路各處壓力、溫度、Lambda等ECU參數也進行了采集，用于輔助分析并判斷結果的合理性、可用性和一致性。

4 試驗結果與分析

4.1 原車與改制后模擬原車對比

如前文2.2節所述，冷卻液容積的增加確實導致了升溫速度變慢(見圖11)，在循環接近結束時，才達到了100 ℃的控制水溫目標。無論原車還是改制后，電子風扇均未開啟。冷卻液升溫變慢，也直接導致了發動機潤滑油升溫變慢。變速器油溫在前1 100 s幾乎沒有差別，1 100 s后，改制后變速器油溫升高加快，是因為原車變速箱油冷循環流量與大循環流量成比例，在電子節溫器時開、時閉的狀態下，變速箱油冷循環流量很小，而改制后變速箱油冷循環打開后即為全部打開，流量增大，冷卻液對油的加熱效果明顯。

圖11 原車與改制后模擬原車的溫度對比

溫升變慢使得油耗有1.3%的升高(見圖12)，而油耗的升高主要體現在前500 s(見圖13)。溫升變慢導致傳熱和摩擦損失增加，是油耗升高的一方面原因，而與冷卻液溫度直接關聯的怠速轉速和VVT開啟是另一原因。改制后前500 s怠速轉速升高(見圖14)，VVT開啟時間也相應延遲。在500～1 000 s之間，油耗差值趨于平穩，略有升高，可以看出，當溫度升高到一定程度后，溫度差異的影響已不大。1 000 s之后產生差異的原因不明。

圖12 原車與改制后模擬原車的累計燃油消耗率對比

圖13 原車與改制后模擬原車的燃油消耗率差值對比

圖14 原車與改制后模擬原車的轉速對比

4.2 改制后熱管理策略

原方案中按照50 ℃或250 s先到先開的原則控制小循環，但實測過程中發現，不到150 s時，水溫就已經達到50 ℃，為了最大限度挖掘省油潛力，將溫度由50 ℃提高至60 ℃，水溫達到60 ℃約用時235 s。調整小循環控制策略后，與原定的控制策略1中發動機油冷循環開啟溫度65 ℃比較接近，因而，試驗中取消了策略1和策略4的測試。

冷卻液溫度測試結果見圖15。小循環開啟前，溫升加速明顯，恢復甚至略高于原車；小循環打開后、油冷循環打開前，溫度與原車基本一致。采用熱管理策略后，在油冷循環打開前，與改制后模擬原車相比溫升明顯，參與循環的冷卻液容量大幅減少起到很大作用(油冷和暖風循環均關閉、小循環先關后開)；與原車相比，參與循環的冷卻液容量減少很多(暖風循環關閉)，但冷卻液溫度卻沒有明顯更高，原因有兩方面：一是雖然循環容積變小，但同時水套流量降低，冷卻液傳熱系數降低，帶走的熱量減少；二是水套流動變差，水套內溫度不均勻，流出水套的冷卻液不能充分反映水套內冷卻液溫度。結合原車、改制后模擬原車以及改制后熱管理策略的冷卻液溫升可以看出，參與循環冷卻液容積的大小和發動機水套冷卻液流量的大小，是影響冷卻液溫升的兩個重要因素。如果循環容積減小的同時，水套流量也減小，那么冷卻液溫升速度不一定提高，具體要看哪一方面的作用更大。

圖15 冷卻液溫度

在油冷循環打開后，冷卻液溫度有一段時間遲滯不上升，原因是新加入循環的冷卻液需要一段時間進行升溫加熱。待參與循環的冷卻液溫度一致后，溫度繼續上升。在循環結束時，水溫達到100 ℃，整個循環中，電子風扇未開啟。

采用熱管理策略后，冷卻液溫度的變化也使怠速轉速降低，降低至原車水平(見圖16)。

圖16 發動機轉速

發動機油溫在小循環打開前升高最明顯(見圖17)，明顯高于原車溫度，分析原因是水套內冷卻液流量很小，幾乎靜止，使得機體溫度迅速升高，起到了加熱潤滑油的作用；在小循環打開后，溫度與原車保持一致；在油冷循環打開后，并未像預期的通過加大冷卻液與潤滑油溫差使潤滑油升溫速度提高，而是逐漸與改制后模擬原車的油溫一致。由此認為，發動機潤滑油的升溫，主要的影響因素不是冷卻液與潤滑油的熱交換，而是發動機機體的傳熱。基于此分析，同時由于轉轂臺架安排、改制滲油等因素，沒有進行策略5和策略6先開變速箱油冷循環的測試。

圖17 發動機油溫

變速箱油溫在油冷循環打開前與原車一致(見圖18)。在油冷循環打開后且參與循環的冷卻液溫度一致后，冷卻液對潤滑油的加熱作用開始體現，油溫升高加快，溫度提升最大達到15 ℃，變速箱效率相應有1.5%的提升。對比策略2和策略3，策略2在相對低一些的75 ℃打開油冷循環，冷卻液與潤滑油溫差相對低一些，但加熱時間更長，使得油溫相對更高；而策略3在相對高一些的85 ℃開啟，冷卻液與潤滑油溫差相對高一些，油溫升高速度也更快，但加熱時間短，循環結束時，潤滑油溫度相比策略2要低一些。由此可見，冷卻液對潤滑油的加熱并不一定是溫差越大效果越好，在溫差與加熱時間之間存在著平衡關系。同時還可看出，由于NEDC循環總時間較短，冷機階段比重大，冷卻液對潤滑油加熱的時間有限，若是時間更長的WLTC循環或是實際駕駛工況，其能發揮更大的降低油耗作用[4]。

圖18 變速箱油溫

采用熱管理策略后，NEDC油耗相比改制后模擬原車有約3.6%的降低，相比原車有約2.2%的降低，策略2與策略3的節油效果相近，略有差異(見圖19)。

結合圖20可以看出，采用熱管理策略后，無論策略2還是策略3，無論與原車相比還是與改制后相比，省油最大的貢獻都是在前500 s。尤其是與原車相比，在冷卻液溫度和發動機油溫基本一致的情況下，仍然有較大幅度的油耗降低，原因在于水套冷卻液流量幾乎為0，壁溫和活塞溫度快速升高，不僅降低燃燒室傳熱損失，還可大幅降低摩擦損失，特別是摩擦占比最大的活塞摩擦損失。由此也可以看出，對于發動機熱管理，提高冷卻液和潤滑油升溫速度固然重要，但更重要的是其背后的機體溫度[4]。500～1 000 s之間油耗差值基本沒有變化，也就是說，此段沒有節油。1 000 s之后，與改制后相比，油耗差值有小幅上升，原因是變速箱油溫的升高。

圖20 燃油消耗率差值

5 結論

a) 主要針對冷卻系統各路循環進行熱管理樣車改制與測試，獲得了至少2%的NEDC循環油耗降低;

b) 油耗降低最主要的原因是發動機的快速暖機，其中機體壁溫的快速升高比冷卻液快速升溫更為重要；現在常用的以冷卻液溫度表征機體熱負荷的方式，在水套零流量或接近零流量時，可能不再適用，需要在未來實車的熱管理策略中予以考慮，以充分發揮省油潛力;

c) 冷卻液對發動機潤滑油的加熱對于降低油耗作用不大，發動機潤滑油的升溫主要依靠機體壁面傳熱;

d) 冷卻液對發動機變速箱油的加熱作用明顯，但受限于NEDC循環時間，節油貢獻較小，在更長的WLTC循環或實際駕駛循環中，節油貢獻會更大。