Volvo公司重型载货车柴油机的热管理系统

【法】 N.Granottier

1 热管理提高节油潜力

多年来，降低燃油耗和废气排放成为轿车和载货车发展重心，已开发出多种措施，例如废气再循环、可变几何截面涡轮增压器、电控燃油喷射系统等，以满足越来越严苛的排放要求。这些技术已被轿车和载货车制造商们广泛应用，它们在降低废气排放的同时实现了显著的节油潜力，但是由于提高了发动机复杂程度并要进行广泛的修改，在实际使用中往往费用非常昂贵。鉴于成本、质量和复杂性等因素，改善内燃机的热管理系统相对是一种比较简单的措施，但在降低废气排放和节油方面能获得明显的效果。

2005年，在实施欧3废气排放标准的同时，Volvo集团推出了重型载货车柴油机平台，能覆盖9～16L排量的柴油机。自从废气排放标准发展到欧5、US10和pNLT以来，这种平台的柴油机都具备热管理系统，并且比原机型节油1.5%～2.0%。

2 热管理的思路

内燃机配备高可靠性的冷却和润滑系统，但是越来越严厉的废气排放法规及低燃油耗为发动机的开发带来挑战。

冷却和润滑系统被设计成即使在最严酷环境下也能无故障运行，例如在持续全负荷和48℃环境温度下也能确保功能无故障。但是这些运行条件仅代表了稀少的极端情况，许多量产发动机在其整个运行时间内仅很少甚至不会在这样的条件下运行。欧洲和北美汽车的平均负荷谱与设计参数相距甚远，而典型的运行状况是15℃环境温度和1200r／min时的25%负荷，在系统不调节的情况下就导致了要输送比可靠运行所必需的更多的机油和冷却水量，因此在节油方面存在着很大的潜力。因为在典型的运行范围内所需的机油和冷却水量要少得多，所以Volvo集团重型载货车柴油机平台开发热管理功能，可以在实际运行中获得最佳的燃油耗。

要使冷却系统与润滑系统之间密切配合，不仅要关注诸如气缸盖、活塞和轴承等要求高的重要零部件，还要考虑到驾驶室采暖、变速器冷却和废气排放系统等外围设备。

3 预试验研究

在具有热管理系统的情况下，在原本的开发工作之前还必须针对所有相关的消耗器件对冷却和润滑系统的要求进行精确的分析，尽可能设计精确和高效能的方案（压力损失、回流量、泵设计等），在此基础上进一步开展工作。

开发步骤首先根据一维模拟模型鉴定机油和冷却循环回路中的主要消耗器件，然后针对最严酷的设计条件及典型运行条件下重要负荷工况点精确地确定最大消耗器件对润滑和冷却系统的要求。因此必须经历全面的测量，以便获得所有有关的重要零部件最精确的各种要求，特别是要通过以下测量工作来得到：（1）测量活塞温度与机油流量、发动机转速和扭矩的关系；（2）测量轴承温度与主油道机油压力的关系。

这些工作是与各个零部件供应商紧密合作共同完成的，从而获得润滑和冷却系统要求与转速和扭矩关系的特性曲线场。

接下来的开发步骤是设计机油泵、冷却液泵和机油冷却器，使它们能可靠地满足在极端要求情况下的最高要求，并从部分负荷运行时的要求，特别是典型运行工况点的特性推导出控制策略，对泵的可控制性和可调节性提出进一步的要求，因而对所选用的技术具有决定性作用。图1示出了热管理系统的设计策略。最后开发步骤则是借助于已引用的模拟模型开发优化燃油耗的策略。

4 热管理技术

通过上述研究就能开发出热管理系统，包括3个子系统，分别是液体流量的主动调节、可调式活塞冷却和机油温度调节。

5 液体流量的主动调节

冷却液流量由两级式冷却液泵调节，其中冷却液泵带有1个电磁离合器，在一定的转速下能实现2种不同的供应量：（1）最大流量（高转速）：泵被直接驱动，其转速与发动机转速处于固定的传动比；（2）滑差运行方式（低转速）：泵通过电磁离合器驱动，而滑差率（驱动轴与从动轴之间的转速差）可调节，并随着驱动转速的提高而变大，在全负荷时与直接驱动相比，其供应量减半。

图2示出了最大流量和滑差运行方式时冷却液泵的冷却液流量、功率消耗与发动机转速的关系。冷却液泵的灵活性通过与之匹配的软件策略加以利用，以便在运行状况容许的情况下减小冷却液流量（图3）。

与非调节冷却液泵相比，在典型的行驶循环（高速公路）中可节油0.5%，实现这样的节油效果在现有的平台情况下发动机结构无需作较大的修改。

6 可调式活塞冷却

可调式活塞冷却的基本设想很简单，活塞的冷却需求与负荷有关，因而在中小负荷下可减少冷却。Volvo载货车发动机的热管理功能可减少活塞冷却喷嘴的机油流量（图4）。

通过活塞冷却喷嘴的机油流量不仅能冷却活塞，而且还润滑活塞、气缸套、活塞销和连杆，因此不能中断，即使在低负荷时也必须维持在较低的水平。这借助于1个两路电磁阀来实现，该阀由发动机电控单元根据各种不同的发动机参数通过脉冲调制信号进行控制调节，通过改变阀的开度使机油压力不断地适应冷却的需求。

减小机油流量直接降低了机油泵的负荷，因为多余的机油在机油泵中通过短路返回实现再循环。除此之外，较高的活塞温度能改善燃烧，从而间接地有助于提高能量效率。此外，“发动机倒喘”现象（一种因润滑机油在燃烧室中不完全燃烧所引起的声学现象）也减少了。应用可调式活塞冷却在长途货运标准行驶循环中总共可节油0.5%～0.8%。

7 机油温度调节

除了减小机油泵驱动功率获得的节油效果之外，还可直接通过减少机油循环回路中的压力损失获得附加的节油效果。在发动机典型的运行范围内，仅需要通过机油循环回路相对较少的散热，然而在非调节系统中机油仍然要引入机油冷却器进行冷却，那么此时被调节到相对较低的机油温度，其直接的结果是机油粘度较高，最终导致压力损失和燃油耗提高，而且流经机油冷却器会进一步增大压力损失。

因此，调节机油温度的主要目的与负荷工况点无关，并在尽可能较高的机油温度下运行，通过旁通机油冷却器使机油粘度较小，降低燃油耗。为此，从欧4起最初系统中应用了1个石蜡节温器，非常好地提高了效果。但这种型式的节温器的反应时间相当长，所以不得不作出保守的设计，以便在不连续转换的情况下能确保全负荷时获得足够的冷却。

应用1个比例电磁阀就能进一步改善调节的效果（图5），如在活塞冷却喷嘴处应用该阀。该阀由发动机电控单元借助机油温度传感器的数据进行控制，可维持预先规定的机油温度（图3）。

在各种不同行驶循环中的测量结果表明，与采用石蜡节温器调节温度相比，电磁阀控制能获得0.5%～1.2%的节油效果。

8 结论

上述工作实现了发动机热管理功能，在接近实际使用情况的行驶循环中能获得1.5%～2.0%的显著节油效果，并能高效地在现有发动机平台上实施，解决成本问题。在精确详细验证的基础上开发出了一种工作能力强的热管理方案，将低燃油耗值与高可靠性相结合。在发动机试验台上进行了精确的标定，能充分利用其全部的节油潜力，在保持系统稳定性的同时确保迅速精确地进行调节。除此之外，通过模拟模型、测量，以及在发动机试验台和试验汽车上的耐久性试验进行了全面的鉴定和验证，其中包含了开发新的试验大纲，以便验证热管理系统专用的零部件并确保整机的可靠性。