張振培，周朝軍，沈玉芳

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)降油耗的優(yōu)化設(shè)計及驗證

張振培，周朝軍，沈玉芳

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)，影響著發(fā)動機的燃油經(jīng)濟(jì)性、加速性、可靠性以及使用壽命。為此，針對某機型發(fā)動機，使用開關(guān)式水泵與電動閥節(jié)溫器進(jìn)行冷卻系統(tǒng)優(yōu)化。為確保其理論優(yōu)勢，采用NEDC工況下的試驗進(jìn)行驗證，為優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。

冷卻系統(tǒng)；開關(guān)式水泵；電動閥節(jié)溫器；試驗驗證

傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)是基于發(fā)動機全負(fù)荷時的最大散熱量設(shè)計的，同時還需要考慮到水泵的工作效率以及傳統(tǒng)蠟式節(jié)溫器的閥門開度、滯后性等因素，保證發(fā)動機在任何工況下都不能出現(xiàn)開鍋的現(xiàn)象。因此，傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)存在著發(fā)動機在大部分工況下過冷以及暖機時間長等問題，影響著發(fā)動機的燃油經(jīng)濟(jì)性、加速性、可靠性以及使用壽命［1］。

提高發(fā)動機性能的方法有很多，比如缸體缸蓋分流式冷卻，缸蓋集成排氣歧管，增加EGR冷卻回路等措施。這些方法雖然在技術(shù)上可行，但是對發(fā)動機改動較大，實施成本較高，不適用于已量產(chǎn)的發(fā)動機。而本文所討論的開關(guān)式水泵與電動閥節(jié)溫器對發(fā)動機改動較小，節(jié)油效果明顯，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均具有可行性。（1）縮短暖機時間；（2）提高機油溫度；（3）提高發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)溫度，得到較少溫度的波動。因此在設(shè)計過程中，主要也是通過這三種方式進(jìn)行優(yōu)化。

發(fā)動機暖機是指發(fā)動機本體溫度從低溫上升到正常溫度的過程。用戶在實際使用和法規(guī)測試NEDC工況中（New European Driving Cycle），車輛均為冷機啟動，此時發(fā)動機內(nèi)部溫度低，摩擦大，燃燒不充分，導(dǎo)致油耗增加，排放變差［2］。

通過提高機油溫度，可以降低機油粘度，減少運動副的摩擦損失。從圖1可以看出，機油80℃時的粘度較20℃降低了75%.

圖1　機油溫度與運動副摩擦力矩的關(guān)系圖

1　設(shè)計優(yōu)化及工作原理

1.1設(shè)計優(yōu)化

開關(guān)式水泵：在原有傳統(tǒng)水泵的基礎(chǔ)上，加裝一個電磁離合器，在發(fā)動機冷啟動階段，離合器分離，水泵皮帶輪空轉(zhuǎn)，水泵不工作，縮短暖機時間。

電動閥節(jié)溫器：拆除發(fā)動機上原有的蠟式節(jié)溫器，外接上電動閥節(jié)溫器，將散熱器管路和通暖風(fēng)管路一起引至電動閥節(jié)溫器處進(jìn)行控制。通過控制閥門的開度，調(diào)節(jié)散熱器管路和暖風(fēng)機管路的流量分配，進(jìn)而使發(fā)動機的水溫控制在目標(biāo)溫度上。

1.2設(shè)計優(yōu)化原理

發(fā)動機通過冷卻系統(tǒng)降油耗節(jié)油主要方式為：

由于電動閥節(jié)溫器相應(yīng)快（3～5 s），因此可以將發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)水溫提高，同時水溫的波動也會更小，這樣更利于燃燒。

1.3開關(guān)式水泵

開關(guān)式水泵是在水泵殼體上加裝一個電磁式的離合器，通過PMW信號控制離合器的通斷。當(dāng)離合器處于斷電狀態(tài)時，水泵和傳統(tǒng)水泵一樣工作，而當(dāng)離合器處于通電狀態(tài)時，離合器帶動水泵皮帶輪與水泵軸承分開，水泵皮帶輪空轉(zhuǎn)，水泵不轉(zhuǎn)。

開關(guān)式水泵可縮短暖機時間，提高機油溫度。

1.4電動閥節(jié)溫器

圖2為某車型的冷卻系統(tǒng)循環(huán)圖，該車型冷卻系統(tǒng)循環(huán)包括大循環(huán)（去散熱器）、暖風(fēng)循環(huán)、發(fā)動機和散熱器排氣循環(huán)，沒有單獨的小循環(huán)。

圖2　冷卻系統(tǒng)循環(huán)圖

通過電機驅(qū)動閥門運動，控制冷卻系統(tǒng)各個循環(huán)管路的流量，可達(dá)到控制溫度的目的?，F(xiàn)有的電動閥節(jié)溫器通方案是采用1個閥門分別控制散熱器與暖風(fēng)循環(huán)。

圖3為電磁閥節(jié)溫器控制策略圖。在冷啟動階段，電動閥節(jié)溫器會將大循環(huán)和暖風(fēng)循環(huán)全部關(guān)閉，縮短暖機時間；等發(fā)動機達(dá)到較高溫度后（X點），電動閥節(jié)溫器會先將暖風(fēng)循環(huán)緩緩打開。當(dāng)發(fā)動機溫度達(dá)到Y(jié)點后，此時暖風(fēng)回路全部打開，散熱器回路緩緩打開。當(dāng)達(dá)到較高溫度點Z點后，為了保證發(fā)動機更好的冷卻，電動閥節(jié)溫器會將散熱器回路全部打開，同時關(guān)閉暖風(fēng)回路。

圖3　電磁閥節(jié)溫器控制策略圖

2　NEDC工況下試驗條件

NEDC工況下整個運轉(zhuǎn)循環(huán)由1部（市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)）和2部（市郊運轉(zhuǎn)循環(huán)）組成。具體工況圖如圖4所示。

圖4　整車模擬運行工況圖

試驗時，大氣溫度23.5℃，風(fēng)速為0.

3　試驗結(jié)果

3.1開關(guān)式水泵

從圖5 NEDC工況下水溫與油溫曲線圖可以看出：

（其中SWP Oil&Coolant指裝載開關(guān)式水泵后的油溫與水溫曲線，CWP Oil&Coolant指原車的油溫與水溫曲線）。

（1）開關(guān)式水泵（SWP）較傳統(tǒng)水泵（CWP）提前160 s達(dá)到80℃，縮短了暖機時間。

（2）整個試驗過程，開關(guān)式水泵（SWP）的油溫比傳統(tǒng)水泵（CWP）高2℃～5℃.

圖5　NEDC工況下水溫與油溫曲線

表1的油耗結(jié)果對比可知：在NEDC前半段城市工況節(jié)油明顯，節(jié)油率達(dá)到了3.6%，在NEDC后半段，，郊區(qū)工況的節(jié)油率為0.4%.

表1　油耗結(jié)果對比

3.2電動閥節(jié)溫器

從圖6 NEDC工況下水溫曲線可以看出：（1）原車達(dá)到84℃的時間為520 s，采用電動閥節(jié)溫器后到達(dá)84℃時間為370 s，提前了150 s，縮短了暖機時間；（2）原車的穩(wěn)態(tài)溫度在86℃左右，而由于電動閥節(jié)溫器響應(yīng)時間短，采用電動閥節(jié)溫器后的穩(wěn)態(tài)溫度控制在了96℃，提高了將近10℃.

圖6　NEDC工況下水溫曲線

表2的油耗結(jié)果對比可知：在NEDC前半段城市工況節(jié)油明顯，節(jié)油率達(dá)到了2.6%，在NEDC后半段，郊區(qū)工況的節(jié)油率也達(dá)到了3%.

表2　油耗結(jié)果對比

4　結(jié)束語

在NEDC工況下開關(guān)式水泵可縮短暖機時間，提高機油溫度。由于暖機時間的縮短，在NEDC前半段城市工況節(jié)油明顯，節(jié)油率達(dá)到了3.6%，而在NEDC后半段，由于傳統(tǒng)蠟式節(jié)溫器靈敏度（70 s）的限制，發(fā)動機穩(wěn)態(tài)溫度僅提高3℃左右，油耗降低不明顯。

在NEDC工況下電動閥節(jié)溫器可縮短暖機時間，提高發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)溫度。由于暖機時間的縮短，在NEDC前半段城市工況節(jié)油明顯，節(jié)油率達(dá)到了2.6%，而在NEDC后半段，由于穩(wěn)態(tài)溫度的提高，郊區(qū)工況的節(jié)油率也達(dá)到了3%.

此實驗驗證了此次冷卻系統(tǒng)優(yōu)化的可靠性，也為以后的冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。

［1］張明.淺議發(fā)動機冷卻系統(tǒng)［J］.商業(yè)經(jīng)濟(jì)，2009，（2）：100-101.

［2］何艷則，劉紅領(lǐng)，付永宏，等.集成發(fā)動機暖機過程的油耗仿真研究［J］.機械設(shè)計與制造，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

張振培（1990-），男，安徽阜陽人，本科，助理工程師，從事發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設(shè)計研究；周朝軍（1986-），男，廣西桂林人，本科，助理工程師，從事發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設(shè)計研究；沈玉芳（1987-），女，湖北武漢人，本科，助理工程師，從事發(fā)動機零部件設(shè)計及開發(fā)研究。