发动机智能冷却系统的研究现状和发展趋势_高标_201406

发动机智能冷却系统的研究现状和发展趋势InvestigationandDevelopmentofEngineIntelligentCoolingSystem高标，程伟（东风汽车股份有限公司商品研发院，湖北武汉，430057）摘要：汽车发动机冷却系统是保证车辆可靠运行必不可少的一个系统，同时冷却系统的性能与发动机燃油经济性、排放、噪声等方面也有着密切关系，智能化、电控化是汽车以及汽车零部件发展的趋势，汽车发动机智能冷却系统的研究是节能、减排和热管理领域内的重要前沿课题。收集、整理和分析了国内外智能冷却系统的文献和产品，总结了智能冷却系统在关键零部件、系统集成和新能源车型领域内的研究现状，为智能冷却系统的研发和产业化提供了参考。Abstract:Vehicleenginecoolingsystemisessentialforthevehiclerunning,andtheperformanceofcoolingsystemhasrelationswiththeengineeconomic、emissionsandnoise，intelligence、electroniccontrolarethetrendofvehiclecomponentsdevelopment，vehicleengineintelligentcoolingsystem(ICS)isthefrontierresearchfieldofenergyconservation、emissionsandthermalmanagement.Bycollecting,classificationandstudyingoftheachievementsonICSresearchanditsproducts,summarizethedevelopmentofICSonkeycomponents、systemintegrationandnewenergyvehicleaspects,andoffersomereferencesfortheICSresearchandindustrialization.关键词：发动机智能冷却系统集成Keywords：Engine;Intelligent;CoolingSystem;Integration0引言汽车发动机在完成能量转换的过程中，约有1/3的燃料燃烧化学能需通过发动机冷却系统散出，机械部件的摩擦散热、电子部件的散热等也需要通过冷却系统进行冷却或温度调节，以保证零部件工作在合适的温度[1]；发动机的排放、噪声等问题也与冷却系统有着密切关系，相关研究中指出发动机冷起动后前300s时间内的CO和HC排放占整排放测试阶段中的60％～80％[2]。同时在冷却系统运转过程中风扇、水泵等零部件消耗相当一部分功率，影响发动机的燃油经济性。冷却系统性能的好坏直接关系到汽车及发动机的性能，而上述问题的解决依赖于如何对发动机冷却系统进行稳定、快速和准确的控制，因此汽车发动机的智能冷却系统成为目前热管理领域内的重要研究前沿课题。1发动机冷却系统的发展概述早期的发动机由于功率密度低，结构简单，主要依靠空气自然对流进行冷却，随着发动机功率密度的不断提升导致发动机的散热量增加，由于冷却空气的比热容低，为了获得更好的冷却效果，出现了以发动机直接驱动的冷却风扇提供强制冷却的风量，发动机内部通过水泵驱动冷却液循环进行冷却，极大的提高了冷却系统冷却效率。由于发动机零部件需要在一定温度范围内工作，冷却系统要对冷却强度进行调节，之后，发动机冷却系统增加了节温器、挡风帘等温度调节装置。但冷却风扇、水泵等零部件消耗大量发动机功率，自20世纪50年代博格华纳公司最早发明了硅油风扇离合器，一致以来都以较高的性价比和可靠性成为商用车发动机的重要冷却系统节能技术。[3]1981年3月美国的专利文件（US4257554）[4]最早提出了电动冷却风扇冷却系统，采用电动风扇可以根据发动机运行情况调节风扇的转速。风扇及水泵的转速调节装置有效的避免风扇消耗过多的功耗，缩短了发动机的预热时间。随着排放和节能法规的越来越严格，发动机上采用的大量新技术和装置，且越来越多的零部件需要进行冷却和温度调节，如增压空气冷却、EGR系统、尿素喷射装置、动力电池等。冷却系统所包括的零部件越来越多、对温度调节的准确性、快速性要求也越来越高，这对发动机的冷却系统提出了更高的要求，出现了电子硅油风扇离合器、电子水泵、电子节温器等电子控制零部件，随着电子控制技术的发展，冷却系统也走向了智能化的控制时代。综上所述，汽车发动机冷却系统经历了自然冷却、强制冷却系统、半主动冷却、电子控制冷却系统几个阶段，而智能化将是发动机冷却系统发展的必然趋势和终极目标。2智能冷却系统的概念、功能和研究范围智能冷却系统（IntelligentCoolingSystem,ICS）是由电子控制单元（ECU）按照一定的控制策略，对冷却强调调节装置的电子化控制，从而实现对零部件的温度调节，使零部件工作在最佳温度范围。克服了传统冷却系统出现的功耗高、散热能力耦合、控制不准确等问题，智能冷却系统的目标是根据不同的发动机状态对冷却系统零部件进行可控调节，以满足发动机工作温度、功耗等性能指标最优，智能冷却系统不光要解决零部件的过热问题，还要根据使用情况实现对零部件进行加热和保温。随着发动机技术的进步和发展，智能冷却系统的研究范围逐渐扩大，目前发动机智能冷却系统的研究范围包括以下几个方面：1）、冷却强度调节装置的电子控制主要包括电控风扇技术、电控节温器技术、电子水泵技术、无刷直流电机、冷却系统控制器等装置的研究。2）、冷却系统集成优化研究及控制策略智能冷却系统将所有需要温度调节的零部件集成考虑，而不是强调某一零部件的冷却能力达到最佳，但通过系统集成考虑可以使各零部件协调统一工作，使系统能力达到最优，在这个过程中控制策略的设计直接影响到系统的可靠性和性能。3）新能源车型的冷却系统研究主要包括混合动力车型和纯电动车型的冷却系统的研究，结构形式和设计原理与传统内热机冷却系统有较大的差异，但新能源车型为智能冷却系统提供了良好的应用条件。3智能冷却系统的关键零部件的研究现状3.1电控风扇技术的研究博格华纳公司最早研发的电子控制型硅油风扇离合器(图1，左)，直接读取发动机电子控制单元中的发动机水温信号，根据水温信号控制风扇离合器内部的电磁阀开度，从而控制风扇的转速。研究表明采用电子控制型硅油风扇离合器系统与直联风扇相比可节能4.2%，与采用传统的硅油风扇离合器相比可节能1.2%。[3]德国贝洱（Behr）公司开发的Visco®电子硅油离合器风扇(图1，右)[5]，通过在30ml～50ml范围改变腔内硅油的充填量来驱动离合器的开闭，该机构可实现无级调速，通过温度等传感器信号进行反馈控制，该电控离合器的传输转矩比现在使用的风扇离合器多传输40%，同时可控性和动态离合响应速度得到明显改善。图1电子硅油离合和电子硅油离合器风扇由于电子风扇具有转速不受发动机影响、布置灵活、功耗低的特点，在乘用车领域内得到了成熟的应用，但受驱动风扇的电机功率的限制，在商用车上的应用还处在研究阶段。最早在2001年由于Valeo、Ricardo和DaimlerChrysler公司联合开发了一种42V-14V双电压电子风扇冷却系统[6]，并将其应用到一款小型货车上。国内方面，郭新民等[7]早在1993年便开展了电子风扇的相关研究，并开发了自动控制装置，安装于载重汽车开展试验，结果表明相比原机风扇，采用电子风扇可使整车节油10％。另外，无刷直流电机驱动的电子风扇，具有可靠性高、寿命长、效率高、启动电流小、控制简单等优点，智能冷却系统中采用无刷直流电机正成为一种趋势，图2是由于SPAL公司研制和生产的有刷（左）和无刷（右）直流电子风扇。图2有刷和无刷直流电子风扇外形对比（SPAL公司）3.2电控水泵技术的研究由于发动机直接驱动的水泵作为发动机水流量调节的装置，其消耗的功率同样占据较大比例。相比比可控风扇技术来说，电子水泵技术在冷却系统中的应用较晚，但电子水泵的应用彻底实现的整个冷却系统与发动机转速的解耦[8]。同时电子水泵的应用可以实现发动机快速暖机和停机后冷却液的流动，以避免停机发动机过热问题。由于电子水泵体积小，布置灵活，可以实现为每一路冷却回路布置水泵。最早将电子水泵应用在量产车型发动机冷却系统上的是BMW公司，该公司于2005年将电子水泵应用于新一代N52系列汽油机上。国内方面，2012年盛德号[9]等设计了一套采用电控水泵的发动机冷却系统，通过单片机实现了系统中电控水泵和电子风扇的联合控制，应用在轻型客车上，试验表明改进后的电水泵冷却系统能够使发动机低温预热时间缩短65％，预热阶段节油率达到11.5％。3.3电子节温器技术的研究节温器是对发动机水流量进行分配的一个装置，研究表明传统的蜡式节温器是冷却系统液侧压力损失增加的主要原因之一[10]。新型的电子节温器后，除了可以动态调节水流量分配，还可以将进一步降低发动机冷却系统阻力，从而降低水泵功耗。Behr公司[11]开发的一种电控节温器，是在原蜡式节温器的石蜡腔内嵌入电阻式加热器（图3）。图3Behr公司开发的电控节温器2006年，JohnR．Wagner开发了一种蝶阀型式的电子节温器原型[12]，如图4所示，该电子节温器使用直流齿轮电机和旋转电位计来控制阀门开度。原型阀的压力与开度和流量为非线性关系，实际使用过程中通过由试验设定的MAP图对阀体进行调节。图4蝶阀型电子节温器4智能冷却系统集成优化的研究现状及趋势随着发动机上冷却系统的散热元件的不断增加（散热器、中冷器、冷凝器、EGR冷却器等），而对这些零部件的冷却系统必须进行集成优化考虑，使整个系统性能达到最优，不能仅依靠增加某个零部件的性能，传统的发动机冷却系统无法实现散热元件间的解耦。采用智能冷却系统可以在原冷却系统结构和形式的基础上进行升级改造，也可以通过改变原冷却系统的结构，实现多回路冷却或多级冷却。具有代表性的智能冷却系统集成研究有以下几种：1999年由VALEO公司开发的的THEMIS®（图5）智能发动机冷却系统[13]，是在原有的电子风扇发动机冷却系统基础上采用电子水泵和电子节温器，取消了机械水泵和蜡式节温器，通过冷却液温度传感器对发动机水温实现闭环控制。图5THEMIS®系统结构和控制策略2005年EMP公司RobertD等[14]将轻型卡车上集成式冷却模块的典型布置更改为分布式系统，即各个换交热器采用独立的冷却循环，并设计了多风扇布置型式(如图6)。由多个12V直流电子水泵和电子风扇取代了原机械水泵和硅油离合器风扇。台架试验结果显示：额定工况下水泵风扇能耗总和由23.5kW减少小3.6kW，2000rpm的中等负荷工况由810W减为115W；其燃油经济性市区循环和高速循环分别改善3.1％和4.4％。图6EMP公司分布式冷却系统Dana公司研发的智能冷却系统（图7）提出了两种方案，一种是智能冷却，以电子风扇和电动水泵取代传统的机械风扇和水泵，可实现节能2%-5%，一种是智能润滑，系统采用电动油泵，和智能密封垫，可实现节能2%。[15]图7Dana公司的智能冷却系统国内方面，有代表性的系统级的智能冷却系统案例是郭新民等(2010)[16]设计的应用分体冷却技术(原文称“双回路”)的智能冷却系统，见图1．19。该系统将机体和缸盖的冷却回路分隔开，拆除原机节温器并采用2个蜡式节温器分别安装于机体与缸盖的出水侧来调节流量；将原机由曲轴皮带驱动的水泵和风扇替换为可调速的电子水泵和可开关的电子风扇，并实行PID自动控制。台架试验结果表明采用分体冷却技术的智能冷却系统比原机预热时间减少了80％，节油达7％，同时有效降低HC排放。5新能源车型的冷却系统研究由于采用电力驱动，混合动力、纯电动汽车为实现冷却系统智能控制提供的有利条件，电子水泵、电子风扇在新能源车型冷却系统上得到了广泛的研究和应用。新能源车型需要冷却零部件主要为电池组、驱动电机、控制器，相比传统的内燃机，这些元件要求的最佳工作