冷却系统热管理测试分析

2019-04-30刘系暠豆佳永张静谭建松张艳青

车用发动机 2019年2期

刘系暠，豆佳永，张静，谭建松，张艳青

(北京汽车股份有限公司汽车研究院，北京 101106)

中国第四阶段油耗法规已于2016年1月1日实施，企业100 km平均油耗在2020年须达到5 L的要求[1-2]，同时，第五阶段油耗法规正在酝酿之中。双积分政策已于2018年4月1日正式实行，2018年只鼓励、不考核，2019年开始考核[3]。国六排放法规将于2020年1月1日在全国范围内实施[4]，部分省市将于2019年提前实施。油耗和排放法规的双重要求与压力，推动着乘用车汽油机技术的不断发展进步。在众多技术中，智能热管理逐渐成为满足未来油耗和排放法规的必备技术之一[5]。本研究在一辆搭载1.5T增压直喷汽油机和6速自动变速箱的B级车上进行冷却系统的热管理研究，对冷却系统进行改制，对比不同热管理控制策略下的油耗变化，分析油耗变化的原因。相关文献显示[6]，热管理措施对排放有很大的改善潜力，但由于本次试验中样车状态，特别是后处理系统状态，以及未对喷油、点火等更多的标定进行调整等原因，没有对排放结果进行过多关注。

1 智能热管理系统

热管理中的热，可以泛指能量，热管理即与能量管理有关的技术。通常的热管理多指与温度相关的领域，对于整车，则包括机舱温度场、热害、空调暖风系统、乘员舱温度场等[7]。对于动力总成系统，热管理通常针对与温度最直接相关的冷却系统，本次研究主要针对发动机和变速箱的冷却系统，同时拓展到润滑系统。

传统的发动机冷却系统设计主要针对最恶劣的工况进行，确保机体和冷却液温度不超过限值。传统的设计，根据发动机工况进行调节的灵活度不够，对于发动机经常运行的中低转速、中小负荷工况而言，存在着过设计问题，如过大的冷却液流量、过长的暖机时间、偏低的机体温度等，会造成不必要的能量损失。针对这些问题，冷却系统的设计已朝着可变、智能化的方向发展，设计目标可以概括为图1示出的三个方面。热得快，即发动机由冷机迅速升温，达到最佳工作状态，不仅可以降低油耗和排放，还有助于减少机油稀释，尤其对于北方冬天短距离行驶的工况作用更为明显；按需分，即在暖机后，智能调节冷却系统，以尽量少的能量消耗使发动机尽量保持在最佳工作状态；不要超，即传统冷却系统的设计目标，确保发动机安全。

图1 智能热管理系统设计目标

以下将对冷却系统智能热管理的主要技术作简要介绍。

1) 缸体、缸盖分体冷却

缸体、缸盖水套采用并联式的设计，相对独立地控制二者的冷却液流量和温度。与传统的串联式缸体、缸盖水套相比，这样的设计在满足最大冷却需求的前提下，冷机时，缸体冷却液不流动，加快暖机速度，暖机中小负荷时，缸体冷却液温度相对更高，以减小摩擦，降低油耗。

2) 集成排气歧管

与传统独立式排气歧管相比，集成排气歧管利用冷却液对排气进行强制冷却(见图2)，在中高转速中大负荷，可以减小缸内加浓，降低油耗。冷起动时，可以利用排气能量对冷却液进行加热，使冷却液升温速度加快。采用集成排气歧管还可以使发动机设计更为紧凑，降低整机质量。在获得优势的同时，集成排气歧管也有一些相对劣势、需要注意的地方：冷启动时，冷却液在带走排气能量的同时，催化器起燃也有相应变慢的风险；对于增压发动机，低速排温降低，不利于低速动力性；需适当加大水泵，以提供冷却集成排气歧管需要的冷却液流量；需要与缸体缸盖分体冷却配合应用，否则会造成缸体过冷却，除暖机速度和油耗问题外，还会因缸体缸盖温差加大，带来缸体变形和缸垫密封失效的风险。

图2 集成排气歧管示意[8]

3) 电子节温器

与传统蜡式节温器相比，电子节温器通过电加热的方式，拓宽对冷却液温度的调节范围，使发动机小负荷时可以工作在相对更高的冷却液温度下，以降低油耗，但其对于快速暖机并无作用。

4) 智能热管理模块

智能热管理模块，即对各路冷却循环进行相对独立控制的电子阀模块(见图3)。该模块根据需求控制各路循环的通与断，以及各路循环冷却液流量的大小，以减小传热和水泵功耗，进而降低油耗，并且控制精度和响应速度远胜于节温器的调节方式。该模块理想状态是各路完全独立控制，但会带来设计和控制难度增加、可靠性降低等问题，实际应用中，只能做到尽量多路的独立控制和尽量合理的流量分配。目前此技术的应用还较少，本研究将主要针对此技术，进行样车改制与试验研究。

图3 智能热管理模块示意[9]

5) 机械可变水泵与电子水泵

常见的机械可变水泵为离合式，冷机时，水泵带轮与泵轮机械分离，实现零流量，以快速暖机；暖机后，二者结合，与常规水泵工作方式相同。此外还有图4所示调节方式的机械可变水泵，这种方式虽然能减小水泵流量，但并没有改变水泵转速，因而水泵功耗不会明显降低。

图4 机械可变水泵示意[10]

电子水泵则可以完全根据发动机需求调节水泵流量，控制精度高，响应速度快(见图5)。与智能热管理模块配合使用，可以更好地发挥对冷却系统智能热管理的作用[4]。电子水泵作为副水泵，在中冷器、增压器的冷却中已有一定应用，而作为主水泵的应用还较少。

6) 水-空中冷器

与传统的空-空中冷器相比，水-空中冷器(见图6)对于进气温度的控制更加精细，并且与环境温度的解耦程度更高，如环境温度较低时，可以不对进气进行冷却，以使进气温度不至于过低。水冷中冷器的气测流阻远小于空-空中冷器，更有利于增压匹配和动力性提升，对油耗降低也有一定帮助。

7) 可变排量机油泵

根据发动机不同工况的需求，通过调节泵排量的方式调节机油泵流量与系统油压。与传统柱塞泄压式机油泵相比，可以有效降低机油泵内耗。此技术已逐渐成为新开发机型的标准配置。

8) 可控活塞冷却喷嘴

使用可变排量机油泵后，可在很大程度上实现活塞冷却喷嘴的可控。如机油温度低或中低转速、中小负荷等不希望活塞冷却喷嘴开启的工况，在满足润滑需求的前提下，通过控制主油道油压低于活塞冷却喷嘴开启压力的方式，使其不开启。

另一种实现方式是为活塞冷却喷嘴设置单独的油道，并控制油道的通断，在油压高又不希望喷嘴开启的工况关闭油道。

9) 电子风扇

与电子水泵类似，电子风扇根据散热器、冷凝器等的散热需求，智能调节转速，控制精度高、响应速度快。目前已较大范围应用。

10) 智能格栅

根据机舱吹拂需求开关格栅，并调节格栅开启角度，以减小传热损失，同时还可以降低车辆风阻。此技术在中高级车上已有一定范围的应用。

11) 尾气余热回收

利用尾气余热直接对润滑油或冷却液进行加热，使其快速升温(见图7)。目前此技术的应用较少，多处于研究阶段。

图7 尾气余热回收示意[13]

12) 动力总成包裹技术

通过对动力总成的有效包裹，在满足散热的前提下，减小热损失。这样的设计对于发动机停机后的保温作用更大，在发动机频繁启停的混合动力上可以发挥更大作用。该技术目前仍处于研究阶段。

2 冷却系统改制

2.1 现状态冷却系统

现状态冷却系统的主回路包含水泵、发动机水套、电子节温器和散热器(见图8)。水套为传统缸体、缸盖串联式水套，该冷却系统工作过程：小循环在大循环开启后关闭；发动机油冷循环在水泵后取水，回水泵前；暖风循环在缸盖出水处取水，与大循环(或小循环)和发动机油冷循环汇合后，回水泵前；增压器循环从缸体水套取水，回缸盖出水处；变速箱油冷循环在散热器出水管上通过节流建立压差的方式获得流量。

现状态冷却系统中，暖风循环是常通的，在驾驶员没有暖风需求或大循环未开启时，其作用与小循环重叠，这样不仅加大了参与循环的冷却液流量，还增大了发动机水套的流速，对于快速暖机是不利的。而当大循环开启且驾驶员没有暖风需求时，暖风循环对散热器而言起到了分流作用，相对减少了散热器流量，进而可能需要选择更大的散热器以满足整车热平衡需求。

发动机油冷循环也是常通的，考虑到冷却液温升速度一般都高于润滑油，因而现有的设计具有冷却液加热润滑油的功能。在这样的设计下，冷却液与润滑油的温升是同步的，如果冷机时关闭此循环，待冷却液温度达到一定程度后，再利用加大的温差去加热润滑油，或许可以提升润滑油的升温速度。

变速箱油冷循环的通断与大循环是否开启直接关联，且流量与散热器流量相关。这样的设计，主要是从确保变速箱油温不超过限值的角度出发，而没有考虑用热得更快的发动机冷却液对变速箱油进行加热。

图8 现状态冷却系统示意

2.2 冷却系统改制

通过2.1节对现状态冷却系统的描述与分析可以看出，其不具备快速暖机的特征。因而，本次冷却系统热管理改制的目标是使各路循环能够相对独立控制，使冷却系统具备快速暖机的功能。在上文介绍的热管理技术中，目前发动机采用了可变排量机油泵和电子风扇，但对于集成排气歧管、分体冷却、电子水泵、智能格栅等热管理技术，由于改制涉及面大，难度大，短时间内难以实现等原因，并未在此次试验中体现。

冷却系统热管理改制后的状态见图9，粗线为改动部分。

发动机油冷、变速箱油冷和散热器循环的控制，由图10示出的CCV(Continuous Control Valve)模块负责，同时取消电子节温器。三路循环初始状态均为关闭状态，并视水温情况依次按顺序开启，而不能任意次序开启。选择发动机油冷循环早于变速箱油冷循环开启，主要是考虑到在改制后尽量模拟原状态的冷却系统，这样可以使测试结果对比更有效。改制后，变速箱油冷循环与原状态区别最大，取水位置改为缸盖出水口处，回水进入CCV，与散热器、暖风等其他循环形成并联关系。这样的改制，在大循环打开前，变速箱油冷循环已完全打开，而不是像现状态那样与散热器流量成比例。CCV模块读取在增压器出水处单独布置的水温传感器信号，通过单独的控制器进行控制。

图10 CCV模块示意

由于CCV模块只能对三路循环进行控制，因而在小循环加入了单独的开关电磁阀，开关需要手动控制。暖风循环加入了手动开关阀。

改制后对各路循环可以相对独立地进行控制，与原车相比，改制后变化最大之处除前述的变速箱油冷循环之外，还有由于管路的延长，造成了冷却液总容积6%的增加。这6%的增加主要体现在了发动机油冷循环上，也就是主要体现在了大循环打开前参与循环的冷却液上。仅对比大循环打开前参与循环的冷却液容积，增加约12%，这样有可能造成升温变慢进而基础油耗升高，这一点将在试验方案中予以考虑和对比。

3 试验方案与控制策略

3.1 试验方案

试验整体分为改制前、改制后模拟原车状态和改制后热管理策略三个阶段。

测试仅进行了NEDC循环。改制后CCV的控制策略较粗略，且受限于狭小机舱空间，改制涉及的外接油路始终存在微渗油，为了确保安全，没有进行发动机整体负荷更高、工况变化更剧烈的WLTC循环测试。

优先进行25 ℃标准NEDC测试，低温(-7 ℃)测试作为第二步，若25 ℃下节油效果不明显，则进行低温测试。

每次测试至少重复1次，以保证结果的一致性。

3.2 控制策略

1) 原车

原车使用最新ECU和TCU版本进行测试，NEDC区域不开空调时的冷却液温度目标是95～100 ℃。电子风扇低速挡100 ℃开启。

2) 改制后模拟原车

暖风、小循环、发动机油冷循环调至全开状态；受限于CCV较粗略的控制逻辑，大循环温度调节目标设为单一的100 ℃，不像原车随工况变化；变速箱油冷循环与大循环同步开启。

3) 改制后热管理策略

各路循环初始状态均为关闭状态，仅保留增压器和两路除气参与循环，由于除气循环的流动，缸盖水套仍可保持微小流动。

模拟驾驶员没有暖风需求，暖风循环全程关闭。

小循环初始关闭，在确保安全的前提下，为尽量提高暖机速度，制定了50 ℃或250 s先到先开的策略。在随后试验过程中，根据实际试验表现，调整为60 ℃或250 s先到先开。

发动机油冷和变速箱油冷循环按照表1示出的策略进行。发动机油冷循环分别在65 ℃，75 ℃，85 ℃开启。由于几何连接上变速箱油冷循环的开启晚于发动机油冷循环，因而策略上分别有与发动机油冷循环同步开启和98 ℃开启两种，98 ℃开启的设置是从CCV控制角度出发，区别于大循环的设置。大循环冷却液温度控制目标为100 ℃。

表1 发动机和变速箱油冷循环开启温度 ℃

为了充分挖掘节油潜力，且认为CCV的调节响应速度和控制精度要优于电子节温器，将电子风扇低速挡的开启温度调升至103 ℃。

3.3 关注的试验结果

本次试验仅关注油耗变化，由于整车状态和电控数据的原因，不关注排放。主要关注的测试数据为发动机冷却液温度、发动机油温、变速箱油温、怠速转速、累计油耗等，此外，油门开度、节气门开度、管路各处压力、温度、Lambda等ECU参数也进行了采集，用于辅助分析并判断结果的合理性、可用性和一致性。

4 试验结果与分析

4.1 原车与改制后模拟原车对比

如前文2.2节所述，冷却液容积的增加确实导致了升温速度变慢(见图11)，在循环接近结束时，才达到了100 ℃的控制水温目标。无论原车还是改制后，电子风扇均未开启。冷却液升温变慢，也直接导致了发动机润滑油升温变慢。变速器油温在前1 100 s几乎没有差别，1 100 s后，改制后变速器油温升高加快，是因为原车变速箱油冷循环流量与大循环流量成比例，在电子节温器时开、时闭的状态下，变速箱油冷循环流量很小，而改制后变速箱油冷循环打开后即为全部打开，流量增大，冷却液对油的加热效果明显。

图11 原车与改制后模拟原车的温度对比

温升变慢使得油耗有1.3%的升高(见图12)，而油耗的升高主要体现在前500 s(见图13)。温升变慢导致传热和摩擦损失增加，是油耗升高的一方面原因，而与冷却液温度直接关联的怠速转速和VVT开启是另一原因。改制后前500 s怠速转速升高(见图14)，VVT开启时间也相应延迟。在500～1 000 s之间，油耗差值趋于平稳，略有升高，可以看出，当温度升高到一定程度后，温度差异的影响已不大。1 000 s之后产生差异的原因不明。

图12 原车与改制后模拟原车的累计燃油消耗率对比

图13 原车与改制后模拟原车的燃油消耗率差值对比

图14 原车与改制后模拟原车的转速对比

4.2 改制后热管理策略

原方案中按照50 ℃或250 s先到先开的原则控制小循环，但实测过程中发现，不到150 s时，水温就已经达到50 ℃，为了最大限度挖掘省油潜力，将温度由50 ℃提高至60 ℃，水温达到60 ℃约用时235 s。调整小循环控制策略后，与原定的控制策略1中发动机油冷循环开启温度65 ℃比较接近，因而，试验中取消了策略1和策略4的测试。

冷却液温度测试结果见图15。小循环开启前，温升加速明显，恢复甚至略高于原车；小循环打开后、油冷循环打开前，温度与原车基本一致。采用热管理策略后，在油冷循环打开前，与改制后模拟原车相比温升明显，参与循环的冷却液容量大幅减少起到很大作用(油冷和暖风循环均关闭、小循环先关后开)；与原车相比，参与循环的冷却液容量减少很多(暖风循环关闭)，但冷却液温度却没有明显更高，原因有两方面：一是虽然循环容积变小，但同时水套流量降低，冷却液传热系数降低，带走的热量减少；二是水套流动变差，水套内温度不均匀，流出水套的冷却液不能充分反映水套内冷却液温度。结合原车、改制后模拟原车以及改制后热管理策略的冷却液温升可以看出，参与循环冷却液容积的大小和发动机水套冷却液流量的大小，是影响冷却液温升的两个重要因素。如果循环容积减小的同时，水套流量也减小，那么冷却液温升速度不一定提高，具体要看哪一方面的作用更大。

图15 冷却液温度

在油冷循环打开后，冷却液温度有一段时间迟滞不上升，原因是新加入循环的冷却液需要一段时间进行升温加热。待参与循环的冷却液温度一致后，温度继续上升。在循环结束时，水温达到100 ℃，整个循环中，电子风扇未开启。

采用热管理策略后，冷却液温度的变化也使怠速转速降低，降低至原车水平(见图16)。

图16 发动机转速

发动机油温在小循环打开前升高最明显(见图17)，明显高于原车温度，分析原因是水套内冷却液流量很小，几乎静止，使得机体温度迅速升高，起到了加热润滑油的作用；在小循环打开后，温度与原车保持一致；在油冷循环打开后，并未像预期的通过加大冷却液与润滑油温差使润滑油升温速度提高，而是逐渐与改制后模拟原车的油温一致。由此认为，发动机润滑油的升温，主要的影响因素不是冷却液与润滑油的热交换，而是发动机机体的传热。基于此分析，同时由于转毂台架安排、改制渗油等因素，没有进行策略5和策略6先开变速箱油冷循环的测试。

图17 发动机油温

变速箱油温在油冷循环打开前与原车一致(见图18)。在油冷循环打开后且参与循环的冷却液温度一致后，冷却液对润滑油的加热作用开始体现，油温升高加快，温度提升最大达到15 ℃，变速箱效率相应有1.5%的提升。对比策略2和策略3，策略2在相对低一些的75 ℃打开油冷循环，冷却液与润滑油温差相对低一些，但加热时间更长，使得油温相对更高；而策略3在相对高一些的85 ℃开启，冷却液与润滑油温差相对高一些，油温升高速度也更快，但加热时间短，循环结束时，润滑油温度相比策略2要低一些。由此可见，冷却液对润滑油的加热并不一定是温差越大效果越好，在温差与加热时间之间存在着平衡关系。同时还可看出，由于NEDC循环总时间较短，冷机阶段比重大，冷却液对润滑油加热的时间有限，若是时间更长的WLTC循环或是实际驾驶工况，其能发挥更大的降低油耗作用[4]。

图18 变速箱油温

采用热管理策略后，NEDC油耗相比改制后模拟原车有约3.6%的降低，相比原车有约2.2%的降低，策略2与策略3的节油效果相近，略有差异(见图19)。

结合图20可以看出，采用热管理策略后，无论策略2还是策略3，无论与原车相比还是与改制后相比，省油最大的贡献都是在前500 s。尤其是与原车相比，在冷却液温度和发动机油温基本一致的情况下，仍然有较大幅度的油耗降低，原因在于水套冷却液流量几乎为0，壁温和活塞温度快速升高，不仅降低燃烧室传热损失，还可大幅降低摩擦损失，特别是摩擦占比最大的活塞摩擦损失。由此也可以看出，对于发动机热管理，提高冷却液和润滑油升温速度固然重要，但更重要的是其背后的机体温度[4]。500～1 000 s之间油耗差值基本没有变化，也就是说，此段没有节油。1 000 s之后，与改制后相比，油耗差值有小幅上升，原因是变速箱油温的升高。