发动机热管理系统对整车节油性能的评估

黎灿辉，席力克，刘 凌

（1.昆明公交集团有限公司，云南 昆明 650224；

2.湖南南车时代电动汽车股份有限公司，湖南 株洲 412007）

发动机热管理是指一种智能型温度控制系统，通过发动机ECU采用其循环水、压缩空气等温度，变量化控制冷却风扇的转速，将循环水、压缩空气的温度控制在最佳使用范围内，以期提高发动机可靠性，降低散热能耗、实现节油。

发动机热管理系统对整车的燃油经济性与可靠性有较大影响，现代汽车往往通过开发各种先进的发动机热管理系统来提高车辆性能。一套优秀的发动机热管理系统可实现如下功能：①发动机的增压空气及冷却水温始终保持在理想的工作温度，发动机能发挥最大功率，排放最优；②发动机的综合能耗最低；③冷却系统的噪声最低。

1 客车发动机散热系统简介

1.1 典型后置动力客车冷却循环系统

典型后置动力客车冷却循环系统如图1所示。发动机热管理系统由冷却水回路与冷却空气流道所构成。冷却水回路包括发动机、节温器、水泵与散热器等。冷却空气依次流过油冷器、中冷器、散热器，带走发动机所产生的热量，降低增压空气及润滑油的温度。

发动机热管理系统必须要同时保证发动机水温、进气温度及变速器润滑油处于良好的工作温度。

1.2 发动机热管理的一般结构

发动机热管理的一般结构如图2所示。绝大多数客车的油冷器、中冷器、散热器、护风圈托架与风扇离合器采用轴向串联的结构形式。

1.3 冷却系统的调节性能

在冷却系统的设计中，首先是防止系统过热，当车辆进入部分负荷和冬季工作时，一定要有相应的调节措施以防止系统过冷。

研究发动机的负荷特性可知：当发动机负荷增大时，会引起冷却空气流量不足；反之，当发动机负荷减小时，又会引起冷却空气流量过剩；两者的空气流量变化约为60%。

现代车辆一般要求通过调节风扇转速来调节空气流量，从而实现对冷却系统的流体温度进行控制。

对冷却系统的调节性能的要求：①具有较大的流量与风压；②调速能力强，能够适应低速重载与高速轻载，能随水温、增压空气及油温的变化而改变；③燃油经济性好，低噪声，自调节性优；④系统安装布置灵活。

2 当前公交客车发动机热管理的技术状态

2.1 基于皮带轮驱动的发动机热管理系统

基于皮带轮驱动的发动机热管理系统结构如图3所示。该系统无任何调速功能，风扇始终以一定的速比随发动机运转。

2.2 基于电动风扇的冷却系统

基于电动风扇的冷却系统如图4所示。电动风扇由风扇电机驱动并由蓄电池供电，所以风扇转速与发动机转速无关。电控系统通过采集冷却液、压缩空气等温度信息，控制风扇电机通、断。系统控制策略见表1。

表1 电动风扇冷却系统控制策略

3 皮带直驱风扇冷却系统的能耗台架试验

台架试验结构示意如图5所示。试验台架配置、安装与实车状态基本一致。试验仪器见表2，试验数据及拟合见表3，根据转速-功率生成一3阶拟合多项式，拟合曲线与台架测量数据非常吻合 （图6），可用于后续的数据处理。

表2 试验仪器

表3 台架试验数据及拟合

4 装配两种热管理系统车辆的道路试验

4.1 试验工况

1）昆明公交74路、1路，车型为10.5m公交客车。

2）不开空调下行驶，环境温度约30～32℃。

3）试验道路单趟里程：74路9.2km，1路13.8km。4）对试验车辆施加约1.6 t的载荷。

4.2 对比试验的技术方法

1）通过台架试验，得出皮带轮驱动的冷却系统特性曲线，即：（P，T）=f（n）。

2）对于配皮带轮驱动的冷却系统车辆，得出在测试工况下发动机转速-行驶时间的离散化数据。

3）对配基于电动风扇冷却系统的车辆，得出在测试工况下电子风扇开启状态-行驶时间的离散化数据。

4）数据处理：①根据1、2步进行数据离散处理，得出皮带轮驱动的冷却系统能耗及折算油耗；②根据3步及风扇特性，得出基于电动风扇冷却系统能耗及折算油耗。

5）评估与分析。

4.3 配皮带轮驱动冷却系统车辆的道路试验与数据分析

4.3.1 数据采集与处理

1）采集发动机转速n-时间t离散数据。

2）根据转速数据n，用拟合多项式生成拟合冷却及风扇传动系统功率的数据P。

3）计算冷却及风扇传动系统的平均功率，从而得出在单趟公交工况t时间内，风扇传动系统所消耗的有效功。

昆明74路线数据曲线如图7所示，昆明1路线数据曲线如图8所示。

4.3.2 数据分析

计算说明：按国家相关柴油与电耗的换算关系，1L柴油=3.02kW·h电耗。各参数计算见表4。

表4 74路、1路各参数计算

4.4 配基于电动风扇冷却系统车辆的道路试验与数据分析

4.4.1 数据采集

采集冷却系统风扇开启状态on-时间t离散数据。昆明74路数据如图9所示，昆明1路数据如图10所示。

说明：①图9中车辆单趟运行总时间1771s，其中电子风扇总运行时间397s（0.1103h），关断时间1374s，电子风扇运行时间占总时间的22.39%；②图10中车辆单趟运行总时间2125s，其中电子风扇总运行时间665s（0.1847h），关断时间1460s，电子风扇运行时间占总时间的31.29%。

4.4.2 数据分析 （表5）

计算说明：根据北京佩特莱公司的参数,发动机中24V永磁发电机的平均效率为70%。

4.5 两种系统在测试工况下的能耗分析 （表6）

表5 数据分析

表6 两种系统在测试工况下的能耗分析

5 结论

5.1 节油潜力

1）基于电动风扇冷却的新型发动机热管理系统能够在公交工况下实现较好的节油性能。

2）在秋、冬、春季的试验表明：环境温度越低，在车辆运行的总时间内，电动风扇的开启率越低，系统就越节能；当环境温度为20℃时，车辆在公交工况下运行，电子风扇的开启率低于20%，节油效果将更优。

5.2 可靠性

电动风扇冷却系统能精确地将发动机水温与中冷器温度控制在理想的范围内，使得发动机处于最佳润滑油温与进气温度，传动系统的摩擦系数最低，将一定程度上改善发动机的可靠性。