电气化冷却系统与发动机匹配试验与分析

刘清

摘 要：全世界都对发动机的排放作出了严格规定，同时随着新能源的不断发展，传统的内燃机面临着越来越大的压力。发动机必须向着轻量化、高利用率、低排放的方向发展，这样才能使传统内燃机行业更好的应对新能源带来的发展压力。发动机采用了电子水泵及温控模块等先进电气化热管理技术，完成电子水泵选型及温控模块控制逻辑设计后，利用发动机台架开展匹配试验研究。结果表明：电子水泵布置保持出水口朝上，补水口位置降低至与水泵入口平齐，有利于水泵水室内气体排空，保证水泵正常工作;电子水泵性能满足发动机冷却需求，但水套隔板泄漏导致缸体缸盖流量分配偏离设计值，缸体排气侧水温异常高，需优化水套隔板强度;降低电子水泵流量可减少冷却液带走的热量，改变燃烧室附近的换热，有利于热效率提升;温控模块圆弧形球阀开口设计使得各支路开启或关闭时发生流量突变，而水滴形球阀开口实现了流通面积缓慢增加，流量平缓过渡。

关键词：电气化;冷却系统;发动机;匹配试验

引言

随着智能技术的发展，机械设备中零部件电气化已成为趋势，电子控制模块通过对运行工况的甄别，能够使发动机各个系统、多个参数之间的配合达到最优。传统的冷却系统都处于被动控制，对发动机的工作性能和热负荷的控制局限性很大，因此电子水泵、电子节温器、温控模块简称TMM会成为未来发动机本体热管理领域的主要研究及发展方向研究对象为已完成冷却系统电气化设计的2.0L自然吸气发动机，该发动机搭载了电子水泵、温控模块，通过自主控制电子水泵的转速以及温控模块开度实现精确控制水温，以适配发动机在不同工况下的不同需求，最终实现缩短暖机时间，减少摩擦损失，节能减排的目的。为分析电子水泵与该发动机的匹配性能，评估温控模块控制逻辑是否满足设计要求，在发动机台架上开展了匹配试验，保持散热器、膨胀水壶、暖风等附件的状态、布置高度、管道的长度与整车状态一致，同时散热器配备风机，用于散热器的冷热交换，精确控制发动机出水温度。

1.电子水泵选型及温控模块原理

1.1电子水泵选型计算

考虑整个冷却系统包括发动机本体水套、散热器、机油冷却器、暖风、温控模块及管路等零部件在内的压力损失特性，结合发动机标定工况的冷却需求，该发动机标定工况下水泵扬程要求大于等于10m@105L/min。电子水泵所需功率约为381W，因此选配市场上现有的450W电子水泵。

1.2溫控模块控制逻辑

区间1：Bypass支路全开，RAD和Block支路全关。此时冷却液经EWP流向缸盖和暖风进入TMM后，从Bypass支路出。区间2：Bypass支路全开，Block支路流通面积逐渐增加。此时冷却液经EWP流向缸体、缸盖和暖风进入TMM后，从Bypass支路出。区间3：Bypass和RAD支路均有一定开度，缸体支路全开。该状态下TMM球阀开口与两个入口和两个出口均有重叠。区间4：RAD支路流通面积逐渐增加，Bypass支路关闭。冷却液经EWP流向缸体、缸盖和暖风进入TMM后，全部从RAD支路流出，且随着球阀开度的增加，冷却系统压损减少，流量将逐步增加。区间5：RAD支路全开。此时冷却液经电子水泵后流向缸体、缸盖和暖风，进入温控模块，全部从温控模块散热器管口出，冷却系统流量达到最大。

2.系统布置对电子水泵性能的影响

按整车冷却系统搭建好台架，采用透明壳体电子水泵开展试验。往膨胀水箱缓慢加注冷却液，直至充满膨胀水箱，此时电子水泵不能完全接触到冷却液，从而造成电子水泵偶尔进入空转状态并进行自我保护。且水泵无论运转多长时间，水泵壳体水室内上方的空气始终无法排尽。结合当前系统布置状态进行分析，水泵出水口向下，不利于水泵水室内气体排出，且水泵入水口高于补水口布置，导致电子水泵工作时水泵水室上方成为局部高点，且膨胀水壶补水需要克服一定的重力才能进入水泵，补水不顺畅，即使控制水泵转速达到标定转速100%，水泵流量及功率均小于目标值。将透明电子水泵从缸体安装位置取下，旋转电子水泵安装角度，使水泵出水口向上，同时降低安装高度，使得补水口与水泵入口平齐，且补水管斜向上布置，避免高低折拐，用相同的方法对冷却系统进行加注及充分排气后，透明电子水泵水室内已充满冷却液，且运行中未发现气泡，可进行下一步试验。综上分析，因电子水泵由电机驱动，布置位置相对自由，受限于整车布置电子水泵出水口与发动机入水口需通过管路连接，适当降低水泵安装高度使水泵入口与补水口平齐，避免水泵出水管路的高低折拐，膨胀水壶补水亦大大改善，使得水泵静止及运转条件下水室内部均能充满冷却液，保障水泵正常工作。

3.电子水泵与发动机匹配分析

3.1各支路流量及压损分析

电子水泵与发动机匹配台架试验，目的之一是与冷却系统一维仿真分析中散热器全开条件下流量及压力分布结果进行对比分析，评估整个冷却系统各支路流量，以及各零部件包括缸盖/缸体水套、散热器、机油冷却器、暖风等零部件压力损失是否满足设计要求，从而为设计优化提供方向及数据支撑。其中散热器、暖风和机油冷却器的流量及压损分布实测结果均满足仿真需求，误差很小。而机体流量，即缸体/缸盖总流量与仿真结果基本相符，但流量分配比例偏离较大，缸体流量偏大。水套隔板泄漏时，流经排气侧上下水套的冷却液流速明显降低，流量减小。原因为隔板泄漏造成上层水套内的部分冷却液提前进入下层水套，缸体内冷却液流经管路距离减小，阻力降低，缸体总流量增大，但排气侧水套流量减小，排气侧水温反而高，冷却液存在局部过热，与试验结果相吻合。

3.2水泵流量对热平衡的影响

调整电子水泵流量及风机风量使得发动机出水温度为105℃，散热器温差6.9℃，达到初始热平衡;保持风机风量不变，降低水泵转速以降低散热器流量，使发动机达到新的热平衡。

4.TMM开启特性分析

4.1球阀开启流量特性

通过分析各支路流量与球阀开度的关系，得到球阀开启特征值。结果显示Block全开与Bypass初关的球阀开度特征值与设计值基本相符，但其他的球阀开度特征值与设计值均有不同程度的提前或滞后，且Block全开、RAD初开、Bypass全关临界点，各支路流量均发生突变。

4.2球阀开启特性分析与优化

TMM球阀开口通过球形倒角过渡，当球阀处于该边界位置时，球阀倒角的外侧阻断了TMM球阀开口与某一支路的连通，此时流量为0，一旦越过该边界位置，倒角位置流通面积瞬间增大，引起流量突变。

结束语

（1）电子水泵的布置对电子水泵水室内气体排空有较大影响，将水泵出水口朝上布置，补水口与水泵入口平齐，可有效避免管路高低折拐，补水更顺畅，有效排尽水室内空气;（2）该电子水泵可满足发动机冷却系统仿真需求，缸体缸盖水套分层设计使得电子水泵在降低流量时，直接影响燃烧室附近的换热情况，减少冷却液带走的热量，提高热效率，更大程度发挥电子水泵的作用，但水套隔板设计时需避免水套隔板变形引起泄漏;（3）温控模块开启流量分布，大小循环交叉位置居中，流量分配合理;球阀开口使用水滴形设计代替圆弧状设计，可使球阀开口与各支路相接或相离时流通面积缓慢增加，实现流量平缓变化。

参考文献：

[1]朱彩帆.发动机冷却系统匹配设计与性能优化[D].镇江：江苏大学，2017.

[2]史礴.汽车柴油发动机制造工艺发展前景分析[J].科技展望，2017，19（11）：135-137.

（徐州徐工挖掘机械有限公司，江苏 徐州 221100）