发动机冷却系统降油耗的优化设计及验证

张振培，周朝军，沈玉芳

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007）

发动机冷却系统降油耗的优化设计及验证

张振培，周朝军，沈玉芳

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007）

发动机冷却系统，影响着发动机的燃油经济性、加速性、可靠性以及使用寿命。为此，针对某机型发动机，使用开关式水泵与电动阀节温器进行冷却系统优化。为确保其理论优势，采用NEDC工况下的试验进行验证，为优化设计提供了依据。

冷却系统；开关式水泵；电动阀节温器；试验验证

传统的冷却系统是基于发动机全负荷时的最大散热量设计的，同时还需要考虑到水泵的工作效率以及传统蜡式节温器的阀门开度、滞后性等因素，保证发动机在任何工况下都不能出现开锅的现象。因此，传统的冷却系统存在着发动机在大部分工况下过冷以及暖机时间长等问题，影响着发动机的燃油经济性、加速性、可靠性以及使用寿命［1］。

提高发动机性能的方法有很多，比如缸体缸盖分流式冷却，缸盖集成排气歧管，增加EGR冷却回路等措施。这些方法虽然在技术上可行，但是对发动机改动较大，实施成本较高，不适用于已量产的发动机。而本文所讨论的开关式水泵与电动阀节温器对发动机改动较小，节油效果明显，在技术和经济上均具有可行性。（1）缩短暖机时间；（2）提高机油温度；（3）提高发动机的稳态温度，得到较少温度的波动。因此在设计过程中，主要也是通过这三种方式进行优化。

发动机暖机是指发动机本体温度从低温上升到正常温度的过程。用户在实际使用和法规测试NEDC工况中（New European Driving Cycle），车辆均为冷机启动，此时发动机内部温度低，摩擦大，燃烧不充分，导致油耗增加，排放变差［2］。

通过提高机油温度，可以降低机油粘度，减少运动副的摩擦损失。从图1可以看出，机油80℃时的粘度较20℃降低了75%.

图1　机油温度与运动副摩擦力矩的关系图

1　设计优化及工作原理

1.1设计优化

开关式水泵：在原有传统水泵的基础上，加装一个电磁离合器，在发动机冷启动阶段，离合器分离，水泵皮带轮空转，水泵不工作，缩短暖机时间。

电动阀节温器：拆除发动机上原有的蜡式节温器，外接上电动阀节温器，将散热器管路和通暖风管路一起引至电动阀节温器处进行控制。通过控制阀门的开度，调节散热器管路和暖风机管路的流量分配，进而使发动机的水温控制在目标温度上。

1.2设计优化原理

发动机通过冷却系统降油耗节油主要方式为：

由于电动阀节温器相应快（3～5 s），因此可以将发动机的稳态水温提高，同时水温的波动也会更小，这样更利于燃烧。

1.3开关式水泵

开关式水泵是在水泵壳体上加装一个电磁式的离合器，通过PMW信号控制离合器的通断。当离合器处于断电状态时，水泵和传统水泵一样工作，而当离合器处于通电状态时，离合器带动水泵皮带轮与水泵轴承分开，水泵皮带轮空转，水泵不转。

开关式水泵可缩短暖机时间，提高机油温度。

1.4电动阀节温器

图2为某车型的冷却系统循环图，该车型冷却系统循环包括大循环（去散热器）、暖风循环、发动机和散热器排气循环，没有单独的小循环。

图2　冷却系统循环图

通过电机驱动阀门运动，控制冷却系统各个循环管路的流量，可达到控制温度的目的。现有的电动阀节温器通方案是采用1个阀门分别控制散热器与暖风循环。

图3为电磁阀节温器控制策略图。在冷启动阶段，电动阀节温器会将大循环和暖风循环全部关闭，缩短暖机时间；等发动机达到较高温度后（X点），电动阀节温器会先将暖风循环缓缓打开。当发动机温度达到Y点后，此时暖风回路全部打开，散热器回路缓缓打开。当达到较高温度点Z点后，为了保证发动机更好的冷却，电动阀节温器会将散热器回路全部打开，同时关闭暖风回路。

图3　电磁阀节温器控制策略图

2　NEDC工况下试验条件

NEDC工况下整个运转循环由1部（市区运转循环）和2部（市郊运转循环）组成。具体工况图如图4所示。

图4　整车模拟运行工况图

试验时，大气温度23.5℃，风速为0.

3　试验结果

3.1开关式水泵

从图5 NEDC工况下水温与油温曲线图可以看出：

（其中SWP Oil&Coolant指装载开关式水泵后的油温与水温曲线，CWP Oil&Coolant指原车的油温与水温曲线）。

（1）开关式水泵（SWP）较传统水泵（CWP）提前160 s达到80℃，缩短了暖机时间。

（2）整个试验过程，开关式水泵（SWP）的油温比传统水泵（CWP）高2℃～5℃.

图5　NEDC工况下水温与油温曲线

表1的油耗结果对比可知：在NEDC前半段城市工况节油明显，节油率达到了3.6%，在NEDC后半段，，郊区工况的节油率为0.4%.

表1　油耗结果对比

3.2电动阀节温器

从图6 NEDC工况下水温曲线可以看出：（1）原车达到84℃的时间为520 s，采用电动阀节温器后到达84℃时间为370 s，提前了150 s，缩短了暖机时间；（2）原车的稳态温度在86℃左右，而由于电动阀节温器响应时间短，采用电动阀节温器后的稳态温度控制在了96℃，提高了将近10℃.

图6　NEDC工况下水温曲线

表2的油耗结果对比可知：在NEDC前半段城市工况节油明显，节油率达到了2.6%，在NEDC后半段，郊区工况的节油率也达到了3%.

表2　油耗结果对比

4　结束语

在NEDC工况下开关式水泵可缩短暖机时间，提高机油温度。由于暖机时间的缩短，在NEDC前半段城市工况节油明显，节油率达到了3.6%，而在NEDC后半段，由于传统蜡式节温器灵敏度（70 s）的限制，发动机稳态温度仅提高3℃左右，油耗降低不明显。

在NEDC工况下电动阀节温器可缩短暖机时间，提高发动机的稳态温度。由于暖机时间的缩短，在NEDC前半段城市工况节油明显，节油率达到了2.6%，而在NEDC后半段，由于稳态温度的提高，郊区工况的节油率也达到了3%.

此实验验证了此次冷却系统优化的可靠性，也为以后的冷却系统优化设计提供了依据。

［1］张明.浅议发动机冷却系统［J］.商业经济，2009，（2）：100-101.

［2］何艳则，刘红领，付永宏，等.集成发动机暖机过程的油耗仿真研究［J］.机械设计与制造，2014，（3）：249-251.

The Optimization Design and Validation of Engine Cooling System

ZHANG Zhen-pei，ZHOU Chao-jun，SHEN Yu-fang
（SAIC GM Wuling Automation Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

The engine cooling system affects the engine's fuel economy，acceleration，reliability and service life. Therefore，for an engine，use switch type water pump and electric valve thermostat for the cooling system optimization.In order to ensure its theoretical advantages，adopt the NEDC condition test verification，so as to provide the basis for the optimization design.

cooling system；switch type water pump；electric valve thermostat；test

U464.138

A

1672-545X（2016）08-0075-02

2016-05-19

张振培（1990-），男，安徽阜阳人，本科，助理工程师，从事发动机冷却系统设计研究；周朝军（1986-），男，广西桂林人，本科，助理工程师，从事发动机冷却系统设计研究；沈玉芳（1987-），女，湖北武汉人，本科，助理工程师，从事发动机零部件设计及开发研究。