发动机主动热管理系统台架耐久试验研究

杨竞 孟亚鹏 范韬

摘要： 针对搭载主动热管理系统的发动机进行台架耐久试验研究，对比研究了主动热管理系统的三种工作模式在不同的耐久试验规范下的试验特性，研究表明，主动热管理系统根据标定自行工作将会提高暖机速度。在规范A试验过程中，散热器冷却水温度低于其他两种模式，出水温度、缸头温度、缸体温度则高于其他两种模式。主动热管理系统的三种工作模式在规范B试验中，旁通温度、进水温度、出水温度、缸头温度、缸体温度加热阶段表现相同，而工作模式对于冷却液流量影响最大，对机油温度无影响，主动热管理系统的工作模式对发动机的性能无影响。

Abstract： The bench endurance test of the engine equipped with the active thermal management system is carried out. The test characteristics of the three working modes of the active thermal management system under different endurance test specifications are compared and studied. The research shows that the active thermal management system is calibrated by itself work will increase the warm-up speed. During the specification A test， the radiator cooling water temperature is lower than the other two modes， while the outlet water temperature， cylinder head temperature， and cylinder block temperature are higher than the other two modes. The three working modes of the active thermal management system in the specification B test， the bypass temperature， the inlet water temperature， the outlet water temperature， the cylinder head temperature， the cylinder body temperature heating stage behave the same， and the working mode has the greatest influence on the coolant flow rate， and no influence on engine oil temperature， and the working mode of the active thermal management system has no influence on the performance of the engine.

關键词： 热管理;台架;耐久;模式

Key words： thermal management;bench;durability;mode

中图分类号：S219.031                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）17-0022-02

0  引言

主动热管理系统（ATM，Active Thermal Management）是新开发的一种由可变电子水泵、MRV（Main Rotating Valve）、BRV（Block Rotating Valve）和若干遍布于发动机本体上的水温传感器等模块构成的新型热管理系统，该系统最大的亮点就是可以对发动机内的缸体、缸盖、排气、机油等进行分离式冷却。笔者相信主动热管理系统将会是未来内燃机的标配技术[1-2]。

本文在发动机耐久试验台架，将搭载有主动热管理系统的发动机和台架冷却系统耦合，通过主动热管理系统三种工作模式在不同的耐久试验规范中研究了其试验特性，分析了主动热管理系统的工作特点。

1  试验台的构

1.1 发动机参数  本文在一台1.5L涡轮增压直列四缸发动机上展开研究，发动机的主要参数如表1所示。

1.2 主动热管理系统原理  图1是基于试验的发动机主动热管理系统原理图，主要包括：可变电子水泵、MRV、BRV、散热器冷却水温度传感器，进水温度传感器，缸头温度传感器，出水温度传感器，缸体温度传感器等水温传感器和机油温度传感器，主要工作原理是根据发动机的转速和负荷，以及发动机各处的水温传感器所测量到的温度，调节水泵转速和MRV、BRV的球阀开度，调节各处的冷却液的流量，实现和散热器的热量交换，保证发动机在最合适的水温的状态下工作。可变电子水泵自身有控制芯片，可以根据发动机的实时温度情况进行转速调节从而实现冷却液流量控制，在发动机冷启动时，电子水泵转速较低，MRV和BRV阀接近0流量的控制，使发动机以最快的方式完成暖机，在其他的工况可以根据温度传感器数据，随时修正水泵转速，来控制冷却液流量，保证发动机在最适合的温度下工作，不仅可以降低油耗，还可以降低排放[3]。这跟传统的机械水泵有着较大的区别，传统的机械水泵的转速随着发动机的转速按照固定的传动比由皮带驱动。MRV和BRV的作用主要有以下4个方面：①冷却液回路流向和流量控制。②双执行器实现分流式冷却。③球阀旋转实现各对管口开度的控制。④回收EIM热量，油冷器油温按需管理。MRV主要负责外部循环，BRV主要负责内部小循环。

1.3 台架冷却回路原理  将试验样机安装在发动机试验台架上，发动机从MRV模块出来的冷却液，经过管道，到达台架热交换器，台架的热交换器替代了整车的散热器，管道上布置有台架出水温度传感器和台架出水压力传感器，以及透明目视管，目视管可以监控冷却液的状态，热交换器根据台架PID调节外部冷却水流量，达到调节水温的目的，然后经过流量计，进入发动机进水端，进水端布置有台架进水温度传感器和台架进水压力传感器，以及发动机线束上的传感器，ECU散热器出口温度传感器。台架冷却管路接有水箱，方便补充冷却液，旁通温度传感器位于发动机的旁通管到进入水泵的管路上。流量计和台架传感器均接入PUMA控制系统，记录试验数据。

1.4 台架的原理  常规的发动机耐久台架由控制室和测试间两部分构成，控制室中的AVL PUMA操作台和ETAS INCA软件和其他采集设备组成，PUMA系统的主要作用是采集记录试验数据，运行自动程序等。台架测试间中包括测功机、发动机、发动机小车，以及其他附属能源供应设备，发动机和数据采集设备搭载在发动机小车上。试验过程中通过台架温度传感器采集发动机的进水、出水、旁通的温度数据，用流量计采集管路中冷却液的流量数据，发动机本体上的温度传感器通过ECU，由INCA软件记录相关的试验数据。

2  试验方法

耐久试验主要包括以下项目：暖机工况，性能确认工况，企业耐久规范A和企业耐久规范B，本文基于上述的试验项目进行试验。暖机工况主要是发动机启动，发动机转速为2000rpm，扭矩为70NM，暖机10分钟。规范A的主要目的考核发动机本体结构，超过90%的工况都在100%油门的状态下进行。规范B的主要目的是考核发动机的垫片，两个规范均会在试验过程中考核发动机主动热管理系统的工作状态。规范B根据试验步骤进行，主要特点是第1步骤到第12步为加热阶段，第13步到第19步为断油断火测功机倒拖冷却阶段，断油断火由ECU控制实现。

试验的主要条件是根据主动热管理系统的标定开发进度，在台架试验主动热管理系统的工作状态依次采用以下工作模式，模式一：固定水泵转速、MRV和BRV开度到最大，模式二：水泵根据标定自行工作（水泵on cal），固定MRV和BRV开度到最大，模式三：主动热管理系统根据标定自行工作（on cal），根据这三个阶段，在同一发动机上分别进行耐久试验，每项试验进行三次循环，取平均值，作为三项试验的最终结果。

3  试验结果

3.1 暖机工况对比  试验结果表明：主动热管理系统根据标定自行工作暖机效果最好，缸头温度不到300s就达到80℃，而固定水泵转速、MRV和BRV开度到最大需要550s缸头温度才能达到80℃，主动热管理系统on cal暖机工况水温上升时间缩短了45.5%。水泵根据标定自行工作（水泵on cal），固定MRV和BRV开度到最大，缸体温度400s就可以达到80℃。

3.2 性能确认工况对比  性能确认工况是发动机完成暖机后进行的，发动机转速从1200rpm到6200rpm，油门保持100%。

试验结果表明：三种工作条件下，扭矩在各个转速情况下基本无差别。主要原因是因为性能确认是在暖机完成条件下进行的，发动机都处于较好的工作状态，三种工作模式对发动机性能无影响。

3.3 规范A对比  规范A关注主动热管理系统的五个发动机上的温度数据，数据从发动机ECU获得，从INCA软件中记录该数据。主动热管理系统on cal工作模式下散热器冷却水温度在试验过程中保持最低，主要原因是主动热管理系统对冷却回路进行管理，相同工况下发动机由冷却液带出的热量低于其他两种模式。发动机进水温度传感器位于水泵后端，主要是测量从热交换器过来的冷却水和缸体内小循环的冷却水混合由水泵泵入发动机内部冷却回路，试验结果表明，主动热管理系统3种工作模式下，进水温度接近。发动机主动热管理系统on cal的工作模式下，发动机的出水温度、缸头温度、缸体温度均高于其他两种模式，主要原因是主动热管理系统根据标定自行工作的模式下，会限制外部大循环，让发动机热量减少损耗，出水温度、缸头温度和缸体温度更高。

3.4 规范B对比  和规范A不同，规范B关注旁通温度、冷却液流量、机油温度、以及主动热管理系统中五个温度传感器测量的温度。加热阶段，主动热管理系统on cal，在油门逐渐增加阶段，旁通温度上升速度较快，与暖机工况相吻合，但是对于负荷的变化，主动热管理系统反应更快。MRV、BRV全開，水泵on cal和固定转速两种模式下，旁通温度近乎相同。而断油断火倒拖的冷却阶段，由于标定控制，主动热管理在标定控制条件下水温下降的最快。MRV、BRV全开、水泵on cal下降的最慢。后面不再赘述。

MRV、BRV开到最大，水泵固定转速全试验过程流量最大，水泵on cal的流量次之，on cal模式流量最低，且随着工况发生变化。

4  3种工作模式下，机油温度变化趋势接近

3种工作模式下，散热器冷却水温度对比，和规范A相同，加热阶段，主动热管理系统on cal散热器冷却水在加热阶段上升速度低于其他两种工作模式，主要原因是主动热管理系统对冷却回路进行管理，相同工况下发动机由冷却液带出的热量低于其他两种模式。规范B试验中进水温度、出水温度对比、缸头温度、缸体温度，其规律和3种模式下旁通温度的特性类似，原因也是一样的。

5  结论

①主动热管理系统根据标定自行工作，暖机速度最快，缸头温度不到300s就达到80℃。比水泵根据标定自行工作，和水泵固定转速分别提高了25%和45.5%。②主动热管理系统的工作模式对发动机的性能没有影响。③主动热管理系统根据标定自动工作，在规范A试验过程中，散热器冷却水温度低于其他两种模式，出水温度、缸头温度、缸体温度则高于其他两种模式，主动热管理系统的工作模式对进水温度无影响。④主动热管理系统的3种工作模式在规范B试验中，旁通温度、进水温度、出水温度、缸头温度、缸体温度加热阶段表现相同，而工作模式对于冷却液流量影响最大，对机油温度无影响。

参考文献：

[1]穆远超.车用发动机热管理技术研究[J].时代汽车，2020（22）：157-158.

[2]高干，倪计民，石秀勇，等.基于NEDC工况的发动机热管理系统匹配研究[J].车用发动机，2018（002）：51-56.

[3]谢孙寅.现代发动机智能化热管理系统模块研究现状与望[J].江苏科技信息，2014（022）：55-56.