電氣化冷卻系統與發動機匹配試驗與分析

劉清

摘 要：全世界都對發動機的排放作出了嚴格規定，同時隨著新能源的不斷發展，傳統的內燃機面臨著越來越大的壓力。發動機必須向著輕量化、高利用率、低排放的方向發展，這樣才能使傳統內燃機行業更好的應對新能源帶來的發展壓力。發動機采用了電子水泵及溫控模塊等先進電氣化熱管理技術，完成電子水泵選型及溫控模塊控制邏輯設計后，利用發動機臺架開展匹配試驗研究。結果表明：電子水泵布置保持出水口朝上，補水口位置降低至與水泵入口平齊，有利于水泵水室內氣體排空，保證水泵正常工作;電子水泵性能滿足發動機冷卻需求，但水套隔板泄漏導致缸體缸蓋流量分配偏離設計值，缸體排氣側水溫異常高，需優化水套隔板強度;降低電子水泵流量可減少冷卻液帶走的熱量，改變燃燒室附近的換熱，有利于熱效率提升;溫控模塊圓弧形球閥開口設計使得各支路開啟或關閉時發生流量突變，而水滴形球閥開口實現了流通面積緩慢增加，流量平緩過渡。

關鍵詞：電氣化;冷卻系統;發動機;匹配試驗

引言

隨著智能技術的發展，機械設備中零部件電氣化已成為趨勢，電子控制模塊通過對運行工況的甄別，能夠使發動機各個系統、多個參數之間的配合達到最優。傳統的冷卻系統都處于被動控制，對發動機的工作性能和熱負荷的控制局限性很大，因此電子水泵、電子節溫器、溫控模塊簡稱TMM會成為未來發動機本體熱管理領域的主要研究及發展方向研究對象為已完成冷卻系統電氣化設計的2.0L自然吸氣發動機，該發動機搭載了電子水泵、溫控模塊，通過自主控制電子水泵的轉速以及溫控模塊開度實現精確控制水溫，以適配發動機在不同工況下的不同需求，最終實現縮短暖機時間，減少摩擦損失，節能減排的目的。為分析電子水泵與該發動機的匹配性能，評估溫控模塊控制邏輯是否滿足設計要求，在發動機臺架上開展了匹配試驗，保持散熱器、膨脹水壺、暖風等附件的狀態、布置高度、管道的長度與整車狀態一致，同時散熱器配備風機，用于散熱器的冷熱交換，精確控制發動機出水溫度。

1.電子水泵選型及溫控模塊原理

1.1電子水泵選型計算

考慮整個冷卻系統包括發動機本體水套、散熱器、機油冷卻器、暖風、溫控模塊及管路等零部件在內的壓力損失特性，結合發動機標定工況的冷卻需求，該發動機標定工況下水泵揚程要求大于等于10m@105L/min。電子水泵所需功率約為381W，因此選配市場上現有的450W電子水泵。

1.2溫控模塊控制邏輯

區間1：Bypass支路全開，RAD和Block支路全關。此時冷卻液經EWP流向缸蓋和暖風進入TMM后，從Bypass支路出。區間2：Bypass支路全開，Block支路流通面積逐漸增加。此時冷卻液經EWP流向缸體、缸蓋和暖風進入TMM后，從Bypass支路出。區間3：Bypass和RAD支路均有一定開度，缸體支路全開。該狀態下TMM球閥開口與兩個入口和兩個出口均有重疊。區間4：RAD支路流通面積逐漸增加，Bypass支路關閉。冷卻液經EWP流向缸體、缸蓋和暖風進入TMM后，全部從RAD支路流出，且隨著球閥開度的增加，冷卻系統壓損減少，流量將逐步增加。區間5：RAD支路全開。此時冷卻液經電子水泵后流向缸體、缸蓋和暖風，進入溫控模塊，全部從溫控模塊散熱器管口出，冷卻系統流量達到最大。

2.系統布置對電子水泵性能的影響

按整車冷卻系統搭建好臺架，采用透明殼體電子水泵開展試驗。往膨脹水箱緩慢加注冷卻液，直至充滿膨脹水箱，此時電子水泵不能完全接觸到冷卻液，從而造成電子水泵偶爾進入空轉狀態并進行自我保護。且水泵無論運轉多長時間，水泵殼體水室內上方的空氣始終無法排盡。結合當前系統布置狀態進行分析，水泵出水口向下，不利于水泵水室內氣體排出，且水泵入水口高于補水口布置，導致電子水泵工作時水泵水室上方成為局部高點，且膨脹水壺補水需要克服一定的重力才能進入水泵，補水不順暢，即使控制水泵轉速達到標定轉速100%，水泵流量及功率均小于目標值。將透明電子水泵從缸體安裝位置取下，旋轉電子水泵安裝角度，使水泵出水口向上，同時降低安裝高度，使得補水口與水泵入口平齊，且補水管斜向上布置，避免高低折拐，用相同的方法對冷卻系統進行加注及充分排氣后，透明電子水泵水室內已充滿冷卻液，且運行中未發現氣泡，可進行下一步試驗。綜上分析，因電子水泵由電機驅動，布置位置相對自由，受限于整車布置電子水泵出水口與發動機入水口需通過管路連接，適當降低水泵安裝高度使水泵入口與補水口平齊，避免水泵出水管路的高低折拐，膨脹水壺補水亦大大改善，使得水泵靜止及運轉條件下水室內部均能充滿冷卻液，保障水泵正常工作。

3.電子水泵與發動機匹配分析

3.1各支路流量及壓損分析

電子水泵與發動機匹配臺架試驗，目的之一是與冷卻系統一維仿真分析中散熱器全開條件下流量及壓力分布結果進行對比分析，評估整個冷卻系統各支路流量，以及各零部件包括缸蓋/缸體水套、散熱器、機油冷卻器、暖風等零部件壓力損失是否滿足設計要求，從而為設計優化提供方向及數據支撐。其中散熱器、暖風和機油冷卻器的流量及壓損分布實測結果均滿足仿真需求，誤差很小。而機體流量，即缸體/缸蓋總流量與仿真結果基本相符，但流量分配比例偏離較大，缸體流量偏大。水套隔板泄漏時，流經排氣側上下水套的冷卻液流速明顯降低，流量減小。原因為隔板泄漏造成上層水套內的部分冷卻液提前進入下層水套，缸體內冷卻液流經管路距離減小，阻力降低，缸體總流量增大，但排氣側水套流量減小，排氣側水溫反而高，冷卻液存在局部過熱，與試驗結果相吻合。

3.2水泵流量對熱平衡的影響

調整電子水泵流量及風機風量使得發動機出水溫度為105℃，散熱器溫差6.9℃，達到初始熱平衡;保持風機風量不變，降低水泵轉速以降低散熱器流量，使發動機達到新的熱平衡。

4.TMM開啟特性分析

4.1球閥開啟流量特性

通過分析各支路流量與球閥開度的關系，得到球閥開啟特征值。結果顯示Block全開與Bypass初關的球閥開度特征值與設計值基本相符，但其他的球閥開度特征值與設計值均有不同程度的提前或滯后，且Block全開、RAD初開、Bypass全關臨界點，各支路流量均發生突變。

4.2球閥開啟特性分析與優化

TMM球閥開口通過球形倒角過渡，當球閥處于該邊界位置時，球閥倒角的外側阻斷了TMM球閥開口與某一支路的連通，此時流量為0，一旦越過該邊界位置，倒角位置流通面積瞬間增大，引起流量突變。

結束語

（1）電子水泵的布置對電子水泵水室內氣體排空有較大影響，將水泵出水口朝上布置，補水口與水泵入口平齊，可有效避免管路高低折拐，補水更順暢，有效排盡水室內空氣;（2）該電子水泵可滿足發動機冷卻系統仿真需求，缸體缸蓋水套分層設計使得電子水泵在降低流量時，直接影響燃燒室附近的換熱情況，減少冷卻液帶走的熱量，提高熱效率，更大程度發揮電子水泵的作用，但水套隔板設計時需避免水套隔板變形引起泄漏;（3）溫控模塊開啟流量分布，大小循環交叉位置居中，流量分配合理;球閥開口使用水滴形設計代替圓弧狀設計，可使球閥開口與各支路相接或相離時流通面積緩慢增加，實現流量平緩變化。

參考文獻：

[1]朱彩帆.發動機冷卻系統匹配設計與性能優化[D].鎮江：江蘇大學，2017.

[2]史礴.汽車柴油發動機制造工藝發展前景分析[J].科技展望，2017，19（11）：135-137.

（徐州徐工挖掘機械有限公司，江蘇 徐州 221100）