發動機主動熱管理系統臺架耐久試驗研究

楊競 孟亞鵬 范韜

摘要： 針對搭載主動熱管理系統的發動機進行臺架耐久試驗研究，對比研究了主動熱管理系統的三種工作模式在不同的耐久試驗規范下的試驗特性，研究表明，主動熱管理系統根據標定自行工作將會提高暖機速度。在規范A試驗過程中，散熱器冷卻水溫度低于其他兩種模式，出水溫度、缸頭溫度、缸體溫度則高于其他兩種模式。主動熱管理系統的三種工作模式在規范B試驗中，旁通溫度、進水溫度、出水溫度、缸頭溫度、缸體溫度加熱階段表現相同，而工作模式對于冷卻液流量影響最大，對機油溫度無影響，主動熱管理系統的工作模式對發動機的性能無影響。

Abstract： The bench endurance test of the engine equipped with the active thermal management system is carried out. The test characteristics of the three working modes of the active thermal management system under different endurance test specifications are compared and studied. The research shows that the active thermal management system is calibrated by itself work will increase the warm-up speed. During the specification A test， the radiator cooling water temperature is lower than the other two modes， while the outlet water temperature， cylinder head temperature， and cylinder block temperature are higher than the other two modes. The three working modes of the active thermal management system in the specification B test， the bypass temperature， the inlet water temperature， the outlet water temperature， the cylinder head temperature， the cylinder body temperature heating stage behave the same， and the working mode has the greatest influence on the coolant flow rate， and no influence on engine oil temperature， and the working mode of the active thermal management system has no influence on the performance of the engine.

關鍵詞： 熱管理;臺架;耐久;模式

Key words： thermal management;bench;durability;mode

中圖分類號：S219.031? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）17-0022-02

0? 引言

主動熱管理系統（ATM，Active Thermal Management）是新開發的一種由可變電子水泵、MRV（Main Rotating Valve）、BRV（Block Rotating Valve）和若干遍布于發動機本體上的水溫傳感器等模塊構成的新型熱管理系統，該系統最大的亮點就是可以對發動機內的缸體、缸蓋、排氣、機油等進行分離式冷卻。筆者相信主動熱管理系統將會是未來內燃機的標配技術[1-2]。

本文在發動機耐久試驗臺架，將搭載有主動熱管理系統的發動機和臺架冷卻系統耦合，通過主動熱管理系統三種工作模式在不同的耐久試驗規范中研究了其試驗特性，分析了主動熱管理系統的工作特點。

1? 試驗臺的構

1.1 發動機參數? 本文在一臺1.5L渦輪增壓直列四缸發動機上展開研究，發動機的主要參數如表1所示。

1.2 主動熱管理系統原理? 圖1是基于試驗的發動機主動熱管理系統原理圖，主要包括：可變電子水泵、MRV、BRV、散熱器冷卻水溫度傳感器，進水溫度傳感器，缸頭溫度傳感器，出水溫度傳感器，缸體溫度傳感器等水溫傳感器和機油溫度傳感器，主要工作原理是根據發動機的轉速和負荷，以及發動機各處的水溫傳感器所測量到的溫度，調節水泵轉速和MRV、BRV的球閥開度，調節各處的冷卻液的流量，實現和散熱器的熱量交換，保證發動機在最合適的水溫的狀態下工作。可變電子水泵自身有控制芯片，可以根據發動機的實時溫度情況進行轉速調節從而實現冷卻液流量控制，在發動機冷啟動時，電子水泵轉速較低，MRV和BRV閥接近0流量的控制，使發動機以最快的方式完成暖機，在其他的工況可以根據溫度傳感器數據，隨時修正水泵轉速，來控制冷卻液流量，保證發動機在最適合的溫度下工作，不僅可以降低油耗，還可以降低排放[3]。這跟傳統的機械水泵有著較大的區別，傳統的機械水泵的轉速隨著發動機的轉速按照固定的傳動比由皮帶驅動。MRV和BRV的作用主要有以下4個方面：①冷卻液回路流向和流量控制。②雙執行器實現分流式冷卻。③球閥旋轉實現各對管口開度的控制。④回收EIM熱量，油冷器油溫按需管理。MRV主要負責外部循環，BRV主要負責內部小循環。

1.3 臺架冷卻回路原理? 將試驗樣機安裝在發動機試驗臺架上，發動機從MRV模塊出來的冷卻液，經過管道，到達臺架熱交換器，臺架的熱交換器替代了整車的散熱器，管道上布置有臺架出水溫度傳感器和臺架出水壓力傳感器，以及透明目視管，目視管可以監控冷卻液的狀態，熱交換器根據臺架PID調節外部冷卻水流量，達到調節水溫的目的，然后經過流量計，進入發動機進水端，進水端布置有臺架進水溫度傳感器和臺架進水壓力傳感器，以及發動機線束上的傳感器，ECU散熱器出口溫度傳感器。臺架冷卻管路接有水箱，方便補充冷卻液，旁通溫度傳感器位于發動機的旁通管到進入水泵的管路上。流量計和臺架傳感器均接入PUMA控制系統，記錄試驗數據。

1.4 臺架的原理? 常規的發動機耐久臺架由控制室和測試間兩部分構成，控制室中的AVL PUMA操作臺和ETAS INCA軟件和其他采集設備組成，PUMA系統的主要作用是采集記錄試驗數據，運行自動程序等。臺架測試間中包括測功機、發動機、發動機小車，以及其他附屬能源供應設備，發動機和數據采集設備搭載在發動機小車上。試驗過程中通過臺架溫度傳感器采集發動機的進水、出水、旁通的溫度數據，用流量計采集管路中冷卻液的流量數據，發動機本體上的溫度傳感器通過ECU，由INCA軟件記錄相關的試驗數據。

2? 試驗方法

耐久試驗主要包括以下項目：暖機工況，性能確認工況，企業耐久規范A和企業耐久規范B，本文基于上述的試驗項目進行試驗。暖機工況主要是發動機啟動，發動機轉速為2000rpm，扭矩為70NM，暖機10分鐘。規范A的主要目的考核發動機本體結構，超過90%的工況都在100%油門的狀態下進行。規范B的主要目的是考核發動機的墊片，兩個規范均會在試驗過程中考核發動機主動熱管理系統的工作狀態。規范B根據試驗步驟進行，主要特點是第1步驟到第12步為加熱階段，第13步到第19步為斷油斷火測功機倒拖冷卻階段，斷油斷火由ECU控制實現。

試驗的主要條件是根據主動熱管理系統的標定開發進度，在臺架試驗主動熱管理系統的工作狀態依次采用以下工作模式，模式一：固定水泵轉速、MRV和BRV開度到最大，模式二：水泵根據標定自行工作（水泵on cal），固定MRV和BRV開度到最大，模式三：主動熱管理系統根據標定自行工作（on cal），根據這三個階段，在同一發動機上分別進行耐久試驗，每項試驗進行三次循環，取平均值，作為三項試驗的最終結果。

3? 試驗結果

3.1 暖機工況對比? 試驗結果表明：主動熱管理系統根據標定自行工作暖機效果最好，缸頭溫度不到300s就達到80℃，而固定水泵轉速、MRV和BRV開度到最大需要550s缸頭溫度才能達到80℃，主動熱管理系統on cal暖機工況水溫上升時間縮短了45.5%。水泵根據標定自行工作（水泵on cal），固定MRV和BRV開度到最大，缸體溫度400s就可以達到80℃。

3.2 性能確認工況對比? 性能確認工況是發動機完成暖機后進行的，發動機轉速從1200rpm到6200rpm，油門保持100%。

試驗結果表明：三種工作條件下，扭矩在各個轉速情況下基本無差別。主要原因是因為性能確認是在暖機完成條件下進行的，發動機都處于較好的工作狀態，三種工作模式對發動機性能無影響。

3.3 規范A對比? 規范A關注主動熱管理系統的五個發動機上的溫度數據，數據從發動機ECU獲得，從INCA軟件中記錄該數據。主動熱管理系統on cal工作模式下散熱器冷卻水溫度在試驗過程中保持最低，主要原因是主動熱管理系統對冷卻回路進行管理，相同工況下發動機由冷卻液帶出的熱量低于其他兩種模式。發動機進水溫度傳感器位于水泵后端，主要是測量從熱交換器過來的冷卻水和缸體內小循環的冷卻水混合由水泵泵入發動機內部冷卻回路，試驗結果表明，主動熱管理系統3種工作模式下，進水溫度接近。發動機主動熱管理系統on cal的工作模式下，發動機的出水溫度、缸頭溫度、缸體溫度均高于其他兩種模式，主要原因是主動熱管理系統根據標定自行工作的模式下，會限制外部大循環，讓發動機熱量減少損耗，出水溫度、缸頭溫度和缸體溫度更高。

3.4 規范B對比? 和規范A不同，規范B關注旁通溫度、冷卻液流量、機油溫度、以及主動熱管理系統中五個溫度傳感器測量的溫度。加熱階段，主動熱管理系統on cal，在油門逐漸增加階段，旁通溫度上升速度較快，與暖機工況相吻合，但是對于負荷的變化，主動熱管理系統反應更快。MRV、BRV全開，水泵on cal和固定轉速兩種模式下，旁通溫度近乎相同。而斷油斷火倒拖的冷卻階段，由于標定控制，主動熱管理在標定控制條件下水溫下降的最快。MRV、BRV全開、水泵on cal下降的最慢。后面不再贅述。

MRV、BRV開到最大，水泵固定轉速全試驗過程流量最大，水泵on cal的流量次之，on cal模式流量最低，且隨著工況發生變化。

4? 3種工作模式下，機油溫度變化趨勢接近

3種工作模式下，散熱器冷卻水溫度對比，和規范A相同，加熱階段，主動熱管理系統on cal散熱器冷卻水在加熱階段上升速度低于其他兩種工作模式，主要原因是主動熱管理系統對冷卻回路進行管理，相同工況下發動機由冷卻液帶出的熱量低于其他兩種模式。規范B試驗中進水溫度、出水溫度對比、缸頭溫度、缸體溫度，其規律和3種模式下旁通溫度的特性類似，原因也是一樣的。

5? 結論

①主動熱管理系統根據標定自行工作，暖機速度最快，缸頭溫度不到300s就達到80℃。比水泵根據標定自行工作，和水泵固定轉速分別提高了25%和45.5%。②主動熱管理系統的工作模式對發動機的性能沒有影響。③主動熱管理系統根據標定自動工作，在規范A試驗過程中，散熱器冷卻水溫度低于其他兩種模式，出水溫度、缸頭溫度、缸體溫度則高于其他兩種模式，主動熱管理系統的工作模式對進水溫度無影響。④主動熱管理系統的3種工作模式在規范B試驗中，旁通溫度、進水溫度、出水溫度、缸頭溫度、缸體溫度加熱階段表現相同，而工作模式對于冷卻液流量影響最大，對機油溫度無影響。

參考文獻：

[1]穆遠超.車用發動機熱管理技術研究[J].時代汽車，2020（22）：157-158.

[2]高干，倪計民，石秀勇，等.基于NEDC工況的發動機熱管理系統匹配研究[J].車用發動機，2018（002）：51-56.

[3]謝孫寅.現代發動機智能化熱管理系統模塊研究現狀與望[J].江蘇科技信息，2014（022）：55-56.