代永剛，張世豪，曹慧穎，程劍峰，李杰，解小超

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

1 概述

如何提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，一直是發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的主要課題，尤其隨著油耗法規(guī)的日益加嚴(yán)，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，降低油耗的任務(wù)更顯急迫。據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生熱量的30%被冷卻系統(tǒng)帶走，并經(jīng)冷卻風(fēng)扇，消散在空氣中，因此冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化，對(duì)提升發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率大有可為。隨著零部件技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)用節(jié)溫器已發(fā)展出電機(jī)球閥式節(jié)溫器，相較傳統(tǒng)蠟式機(jī)械節(jié)溫器，電機(jī)球閥式節(jié)溫器可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)大、小冷卻水循環(huán)進(jìn)行控制。本文基于電機(jī)球閥式節(jié)溫器的特性和發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的功能擴(kuò)展，設(shè)計(jì)了一種用于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水運(yùn)行的控制策略，使發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)后快速暖機(jī)，并在安全、高效的水溫區(qū)間運(yùn)行，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，降低油耗。

2 電機(jī)球閥式節(jié)溫器結(jié)構(gòu)

電機(jī)球閥式節(jié)溫器內(nèi)部為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的球閥，環(huán)繞球閥腔室，有五路通道與冷卻系統(tǒng)連接，分別連膨脹水壺補(bǔ)水口、散熱器回水口、暖風(fēng)回水口、發(fā)動(dòng)機(jī)小循環(huán)出水、水泵進(jìn)水口。球閥驅(qū)動(dòng)電機(jī)為直流電機(jī)，電機(jī)傳動(dòng)采用渦桿結(jié)構(gòu)（電機(jī)斷電后，球閥會(huì)保持在當(dāng)前開度位置）。球閥開度檢測(cè)采用電磁感應(yīng)原理，并經(jīng)球閥內(nèi)部單片機(jī)處理后，按照SENT協(xié)議格式發(fā)送給發(fā)動(dòng)機(jī) ECU，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)為：SAE J2716-2010。

圖1 電機(jī)球閥式節(jié)溫器結(jié)構(gòu)

3 電機(jī)球閥節(jié)溫器在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

電機(jī)球閥式節(jié)溫器的控制是基于發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。為此，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單位ECU需增加一路H橋，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)球閥式節(jié)溫器的直流電機(jī)，控制球閥轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)為能更精確地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫進(jìn)行閉環(huán)控制，還需增加一路sent接口讀取球閥的當(dāng)前位置開度。

圖2 電子球閥節(jié)溫器控制硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.2 控制邏輯設(shè)計(jì)

相比傳統(tǒng)蠟式機(jī)械節(jié)溫器，應(yīng)用電機(jī)球閥式節(jié)溫器后，ECU通過主動(dòng)調(diào)冷卻水循環(huán)的流動(dòng)，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行水溫。通過快速暖機(jī)和整體提高發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷的運(yùn)行水溫，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失，提高機(jī)械效率，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。

下圖為電機(jī)球閥節(jié)溫器的流量曲線，橘黃色線為小循環(huán)流量曲線，紅色線為大循環(huán)流量曲線。

圖3 球閥開度-流量曲線圖

冷啟動(dòng)暖機(jī)階段，所有水循環(huán)切斷，讓發(fā)動(dòng)機(jī)快速升溫。當(dāng)水溫升到60℃后，逐步開啟小循環(huán)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱均勻性，對(duì)機(jī)油進(jìn)行更好加熱。部門負(fù)荷時(shí)，將水溫控制在高位運(yùn)行，以提高熱效率，提升燃油經(jīng)濟(jì)性。全負(fù)荷時(shí)，防止爆震，提高發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性，可適當(dāng)降低運(yùn)行水溫。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)水溫控制要求

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行水溫采用PID閉環(huán)控制。根據(jù)對(duì)水溫的影響因素，定義發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷（進(jìn)氣歧管壓力值）_轉(zhuǎn)速、車速_進(jìn)氣溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷_車速與水溫的三維標(biāo)定表格。通過查詢以上三個(gè)標(biāo)定表格，并取最小值，即為發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期望水溫。發(fā)動(dòng)機(jī)期望水溫與實(shí)際水溫（水溫傳感器測(cè)得水溫）之差，即水溫差值?；A(chǔ)輸出占空比由差值與水溫、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷查表得到。同時(shí)水溫差值輸入PID控制輸出修正占空比，該值與基礎(chǔ)輸出占空比之和即為發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器控制模型的輸出占空比。

另外根據(jù)電機(jī)球閥節(jié)溫器的物理特性（直流電機(jī)執(zhí)行器響應(yīng)延遲、閥體回位彈簧阻力、不同負(fù)荷下變化的冷卻液水流阻力等影響因素），對(duì)期望的球閥位置開度采用閉環(huán) PID控制，該P(yáng)ID控制輸出的基于電機(jī)球閥節(jié)溫器物理特性的補(bǔ)償占空比，此值與發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器控制模型的輸出占空比之后，即為ECU最終輸出控制球閥運(yùn)行的執(zhí)行占空比。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)水溫控制模型

3.3 車輛改造及測(cè)試

在江淮2.0T+_M6_DCT車型上，將傳統(tǒng)蠟式機(jī)械節(jié)溫器（初開水溫85℃，全開95℃，NEDC測(cè)試，高速水溫平衡在91℃左右），替換成電機(jī)球閥節(jié)溫器，同時(shí)對(duì)水路進(jìn)行改造。改造后的冷卻系統(tǒng)見下圖。當(dāng)大、小循環(huán)均關(guān)閉時(shí)，暖風(fēng)和DCT冷卻水路關(guān)閉。為確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫分布情況，在圖示中紅色箭頭標(biāo)示3地方和發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼（T1）安裝熱電偶傳感器。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水路

試驗(yàn)前車輛靜止 24h小時(shí)，轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)室溫 25℃，電壓12.1V，濕度50%，測(cè)試中空調(diào)關(guān)閉,冷卻風(fēng)扇關(guān)閉。發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡控制（發(fā)動(dòng)機(jī)水溫）在95°C，在轉(zhuǎn)鼓上進(jìn)行NEDC測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如下：

圖6 NEDC工況運(yùn)行水溫

暖機(jī)階段球閥不開啟，在水溫達(dá)到60℃（游標(biāo)1處，此時(shí)球閥開度為14.2°），高速階段水溫平衡96℃（游標(biāo)2處，此時(shí)球閥開度為 16.1°）。實(shí)際上，由于小循環(huán)開度小下，缸體、缸蓋熱交換差，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行水溫處于圖6中黃色線與紅色線之間。

4 結(jié)束語(yǔ)

為滿足日益嚴(yán)格的油耗和排放法規(guī)，通過提高發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行水溫，降低摩擦功能，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，本文設(shè)計(jì)了一種使用電機(jī)球閥節(jié)溫器控制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行水溫的方法，該方法基于發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)。在江淮2.0T+_M6_DCT應(yīng)用測(cè)試后，表明使用該方法可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行水溫。

參考文獻(xiàn)

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