基于热管理的汽车发动机热损失控制技术探讨

2017-07-05严希清福建船政交通职业学院福州350007

福建交通科技 2017年3期

严希清（福建船政交通职业学院，福州350007）

严希清
（福建船政交通职业学院，福州350007）

合适的发动机工作温度，可以使发动机发挥最大的工作效率。发动机工作温度过低将导致燃油消耗量上升、燃油不能充分燃烧、发动机机件磨损加大等危害。本文根据发动机热管理的理念，对节温器、前格栅进风口的传统结构等造成热损失的原因、危害，以及如何减少热损失等进行论述。

发动机热管理节温器进气格栅汽车节油

1 引言

在大力提倡低碳环保、节能减排的大背景下，随着汽车保有量的不断上升，油价也在不断地攀升，广大车主除了期盼油价下降之外，节油技术也成了关注的焦点。如何在节约有限的天然资源的同时，进一步提高汽油内燃机效率，降低碳排放等技术成为人们热衷研究与开发的课题。汽车热管理是在能源危机的出现、日益严格的汽车排放法规以及人们对汽车舒适性高要求的背景下应运而生的[1]。发动机热管理技术被列为美国21世纪商用车计划的关键技术之一，对提高整车性能潜力巨大。随着计算机技术及发动机电控技术的发展，采用电子驱动及控制的冷却水泵、风扇、节温器等部件，可以通过传感器和计算机芯片根据实际的发动机温度控制运行，提供最佳的冷却介质流量，实现发动机冷却系统控制智能化，达到降低能耗、提高效率、降低机件磨损的目的。

笔者通过多年的观察发现，目前汽车普遍存在热损失的现象，特别是节温器与进气格栅的设计存在一定的缺陷，导致发动机未能在最佳的工况条件下运行。只重视冷却与降温，而忽视温升与保温的传统理念逐渐被科学的发动机热管理技术所取代。科学的热管理理念，应该是在强化冷却与降温技术性能的同时，还有重视发动机的温升速度与保温的作用，在特定的工况条件下，废热的利用同样具有降低能耗、减少废气排放的现实意义和指导意义。

2 热损失的危害

不论发动机工作在过高或过低的温度状态下，对发动机寿命以及油耗等都是没有好处的。本文对高温以及散热技术不做描述，仅针对往往被人忽视的低温状态下的热损失进行论述。

发动机经常处于低温状态工作，使发动机热状态不良，各机件磨损加剧，燃料消耗增加。汽车行车温度包括发动机温度、机油温度、变速器和驱动桥主减速器油温等，直接影响着发动机性能。

2.1 增加油耗

研究资料表明，发动机温度从20℃上升到30℃时，相应的汽油蒸发率从50%上升到75%[3]。因此，低温导致燃料蒸发性变差，混合气雾化不好，油滴相对增多，造成各气缸之间混合不匀，不易燃烧或使火焰传播速度减慢，燃料不能完全参与燃烧，汽缸内的平均有效压力降低，致使缸壁散热量过多，气缸中的气体温度压力、热效率降低，发动机功率下降，油耗增加。

图1所示，水温在50℃时与85℃时相比，后者比前者的燃油经济性高出3%以上，即保持发动机适当的高温，对油耗指标有利。研究表明，水温在80℃～90℃时，发动机的燃油消耗率最低，发动机的效率较高。

图1 发动机温度与油耗关系

2.2 加速发动机机件的磨损

燃料的蒸发和雾化不良，给混合气的形成带来困难，使混合气变浓，燃烧不完全，造成功率下降，耗油量增加。严重时混合气中部分燃料凝聚在缸壁上，冲刷稀释缸壁上的润滑油膜，流入曲轴箱，使机油变稀，加速机件的磨损。燃烧产生的水蒸气，由于温度低便凝在缸壁上和燃烧生成物结合成强烈的酸性腐蚀剂，对缸壁、活塞、活塞环等零件产生强烈的腐蚀作用。图2表明，发动机在40℃左右的低温条件下工作，其磨损量要增加30倍以上，大大缩短使用寿命[3]。

图2 低温与磨损的关系

2.3 输出功率下降

变速器、驱动桥主减速器的润滑油温度较低时，黏度变大，增加了曲轴与轴瓦和活塞与缸壁等摩擦副运动阻力，汽车行驶阻力增加，输出功率下降。汽车在低温条件下使用，传动系各总成的润滑油得不到很好的发挥，使得各总成在一段时间内负荷较大，从而使油耗增加，也引起零件磨损加剧，动力下降。

图3示出了机械损失功率Pm与机油温度之间的关系。从图中可知，油温在某一特定值tm时机械损失功率Pm最小，低于或高于tm时，都将导致润滑不良，摩擦损失增加，严重时会损伤发动机零件，Pm增大，使发动机的动力性下降[3]。

3 热损失的主要原因

3.1 节温器

3.1.1 节温器的作用

节温器是一种自动调温装置，内部含有感温组件，根据发动机水温的热胀或冷缩来开启、关闭实现控制液体的流动，是控制冷却液流动路径的阀门。节温器对于节约能耗、延长汽车发动机寿命起到重要的作用[4]。

目前使用的节温器为蜡式节温器，当温度低于规定值时，节温器感温体内的石蜡呈固态，节温器主阀关闭发动机与散热器之间的通道，冷却液经水泵返回发动机，进行发动机内小循环冷却（如图4）。当冷却液温度达到规定值后，石蜡开始融化逐渐变为液体，体积随之增大并产生推力使阀门开启。这时冷却液经由散热器和节温器阀，再经水泵流回发动机，进行大循环冷却（图5）。

图3 功率损失与机油温度的关系

图4 节温器关闭状态

3.1.2 节温器调节特性

为了让发动机温度从常温状态尽快上升到发动机最佳温度，希望在节温器主阀门开启前仅进行小循环冷却。当发动机水温升高到最佳温度时，主阀门完全开启，冷却水全部流经散热器，立即开始大循环冷却。

图5 节温器开启状态

图6 阀门开启度与温升的关系

将节温器浸入常温的冷水中，通过加热过程进行观察：节温器的主阀门随着温度上升也逐渐开启。试验表明，蜡式节温器属于比例式调节，即阀门开启行程与温度成比例关系（如图6曲线B所示），并不是开关式的阀门，理想的温度特性如图5中曲线A所示。

从图6可知，蜡式节温器阀门是逐渐开启的。可见，发动机尚未达到最佳温度，冷却水已经开始通过节温器进入了大循环，温升速度下降，导致热量损失。

3.2 前进气格栅

随着油价的上涨和节能减排的深入，现有的汽车格栅设计逐渐暴露出其设计上的不合理。有试验表明，从冷车开始，特别是冬季，或北方的冬季在-20℃环境下，会给1.6排量的轿车增加1.5升/100km以上的油耗。主要问题表现在：

3.2.1 地域气温差异

在冬季，假设同一品牌款式的汽车分别在哈尔滨和广州道的路上行驶，一个处在摄氏-20℃的气温环境，一个处在摄氏30℃的气温环境，汽车前脸的进气格栅结构大小完全相同，肯定是不合理的。前者的发动机舱内的空气流（非散热风扇）对发动机的散热是后者的5倍以上[5]，由此导致的问题是：哈尔滨的汽车的发动机保温不够，散热系统可能永远不会工作，并由于发动机温度达不到正常工作温度，ECU自动增加喷油量，汽车的油耗和尾气排放肯定随之增加；而广州的汽车正好相反，环境气温高，需要启动散热系来满足发动机的散热需要。

3.2.2 时速的差异

以20km和120km时速行驶的汽车，其格栅进风口大小一样。车头的气流对于发动机散热来说，高速行驶时，格栅的进风口存在过大的可能，在冬季会让发动机散热过度，导致热损失。这就是冬季比较费油的原因之一，也是冬季的北方时常看到用帆布遮挡汽车前格栅进风口的缘故。

4 减少发动机热损失的探讨

发动机热管理技术研究与实践的目的之一，是在完善的冷却系统前提下，尽可能地减少热损失。在冷车时，采取相应的保温措施，缩短暖机时间，尽早让发动机进入最佳的工作温度范围；在行驶过程中，根据季节气温的不同，改善冷气流对发动机保温效果的影响：

4.1 节温器的改进

图6曲线B是蜡式节温器的温度特性，这是由于石蜡随着温度升高，逐渐液化而膨胀的过程，膨胀力逐渐顶开主阀门，导致过早地开始进入大循环，尽管是由小到大逐渐打开启的过程。

采用电磁阀替代传统的蜡式节温器的主阀门，电磁阀受控于水温传感器。水温传感器是一种负温度系数热敏电阻，温度与电阻成反比。当水温达到设定的温升值时（图6中A曲线），水温传感器的热敏电阻值下降，传感器的采样电压低于比较器设定的阀值，比较器输出高电平，驱动电磁阀开启，冷却系统立即开始大循环。该方案的好处在于电磁阀只有开启或关闭两种状态，发动机未达到最佳设定温度时，绝不开始大循环，从而达到缩短暖机的目的。反之立即开启大循环。在电路设计时必须引入迟滞反馈回路，避免运算放大器过于灵敏而导致电磁阀震荡的现象[6]。

4.2 可变开度的前格栅进风口

车辆在不同的季节、地域温差、行驶速度情况下，固定不变的前格栅进风口对发动机的散热效果存在很大的差别。宝马汽车公司于2009年发布了相类似的智能降阻进气格栅：在发动机水箱温度过低时，进气格栅将自动关闭，从而在冬天减少热车时间，节省油耗；而当车辆在高速行驶时，兼顾到发动机水箱温度适中的状态下，进气格栅会自动减小格栅的开度，达到保温的目的，这对于燃油经济性的提高有帮助。可见，热管理技术已经受到高端车厂家的重视，而中低端经济型的轿车尚未普及。