劉系暠，豆佳永，張靜，譚建松，張艷青

(北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101106)

中國(guó)第四階段油耗法規(guī)已于2016年1月1日實(shí)施，企業(yè)100 km平均油耗在2020年須達(dá)到5 L的要求[1-2]，同時(shí)，第五階段油耗法規(guī)正在醞釀之中。雙積分政策已于2018年4月1日正式實(shí)行，2018年只鼓勵(lì)、不考核，2019年開(kāi)始考核[3]。國(guó)六排放法規(guī)將于2020年1月1日在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)施[4]，部分省市將于2019年提前實(shí)施。油耗和排放法規(guī)的雙重要求與壓力，推動(dòng)著乘用車汽油機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步。在眾多技術(shù)中，智能熱管理逐漸成為滿足未來(lái)油耗和排放法規(guī)的必備技術(shù)之一[5]。本研究在一輛搭載1.5T增壓直噴汽油機(jī)和6速自動(dòng)變速箱的B級(jí)車上進(jìn)行冷卻系統(tǒng)的熱管理研究，對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改制，對(duì)比不同熱管理控制策略下的油耗變化，分析油耗變化的原因。相關(guān)文獻(xiàn)顯示[6]，熱管理措施對(duì)排放有很大的改善潛力，但由于本次試驗(yàn)中樣車狀態(tài)，特別是后處理系統(tǒng)狀態(tài)，以及未對(duì)噴油、點(diǎn)火等更多的標(biāo)定進(jìn)行調(diào)整等原因，沒(méi)有對(duì)排放結(jié)果進(jìn)行過(guò)多關(guān)注。

1 智能熱管理系統(tǒng)

熱管理中的熱，可以泛指能量，熱管理即與能量管理有關(guān)的技術(shù)。通常的熱管理多指與溫度相關(guān)的領(lǐng)域，對(duì)于整車，則包括機(jī)艙溫度場(chǎng)、熱害、空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)、乘員艙溫度場(chǎng)等[7]。對(duì)于動(dòng)力總成系統(tǒng)，熱管理通常針對(duì)與溫度最直接相關(guān)的冷卻系統(tǒng)，本次研究主要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱的冷卻系統(tǒng)，同時(shí)拓展到潤(rùn)滑系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要針對(duì)最惡劣的工況進(jìn)行，確保機(jī)體和冷卻液溫度不超過(guò)限值。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況進(jìn)行調(diào)節(jié)的靈活度不夠，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常運(yùn)行的中低轉(zhuǎn)速、中小負(fù)荷工況而言，存在著過(guò)設(shè)計(jì)問(wèn)題，如過(guò)大的冷卻液流量、過(guò)長(zhǎng)的暖機(jī)時(shí)間、偏低的機(jī)體溫度等，會(huì)造成不必要的能量損失。針對(duì)這些問(wèn)題，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已朝著可變、智能化的方向發(fā)展，設(shè)計(jì)目標(biāo)可以概括為圖1示出的三個(gè)方面。熱得快，即發(fā)動(dòng)機(jī)由冷機(jī)迅速升溫，達(dá)到最佳工作狀態(tài)，不僅可以降低油耗和排放，還有助于減少機(jī)油稀釋，尤其對(duì)于北方冬天短距離行駛的工況作用更為明顯；按需分，即在暖機(jī)后，智能調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)，以盡量少的能量消耗使發(fā)動(dòng)機(jī)盡量保持在最佳工作狀態(tài)；不要超，即傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，確保發(fā)動(dòng)機(jī)安全。

圖1 智能熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

以下將對(duì)冷卻系統(tǒng)智能熱管理的主要技術(shù)作簡(jiǎn)要介紹。

1) 缸體、缸蓋分體冷卻

缸體、缸蓋水套采用并聯(lián)式的設(shè)計(jì)，相對(duì)獨(dú)立地控制二者的冷卻液流量和溫度。與傳統(tǒng)的串聯(lián)式缸體、缸蓋水套相比，這樣的設(shè)計(jì)在滿足最大冷卻需求的前提下，冷機(jī)時(shí)，缸體冷卻液不流動(dòng)，加快暖機(jī)速度，暖機(jī)中小負(fù)荷時(shí)，缸體冷卻液溫度相對(duì)更高，以減小摩擦，降低油耗。

2) 集成排氣歧管

與傳統(tǒng)獨(dú)立式排氣歧管相比，集成排氣歧管利用冷卻液對(duì)排氣進(jìn)行強(qiáng)制冷卻(見(jiàn)圖2)，在中高轉(zhuǎn)速中大負(fù)荷，可以減小缸內(nèi)加濃，降低油耗。冷起動(dòng)時(shí)，可以利用排氣能量對(duì)冷卻液進(jìn)行加熱，使冷卻液升溫速度加快。采用集成排氣歧管還可以使發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)更為緊湊，降低整機(jī)質(zhì)量。在獲得優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，集成排氣歧管也有一些相對(duì)劣勢(shì)、需要注意的地方：冷啟動(dòng)時(shí)，冷卻液在帶走排氣能量的同時(shí)，催化器起燃也有相應(yīng)變慢的風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，低速排溫降低，不利于低速動(dòng)力性；需適當(dāng)加大水泵，以提供冷卻集成排氣歧管需要的冷卻液流量；需要與缸體缸蓋分體冷卻配合應(yīng)用，否則會(huì)造成缸體過(guò)冷卻，除暖機(jī)速度和油耗問(wèn)題外，還會(huì)因缸體缸蓋溫差加大，帶來(lái)缸體變形和缸墊密封失效的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 集成排氣歧管示意[8]

3) 電子節(jié)溫器

與傳統(tǒng)蠟式節(jié)溫器相比，電子節(jié)溫器通過(guò)電加熱的方式，拓寬對(duì)冷卻液溫度的調(diào)節(jié)范圍，使發(fā)動(dòng)機(jī)小負(fù)荷時(shí)可以工作在相對(duì)更高的冷卻液溫度下，以降低油耗，但其對(duì)于快速暖機(jī)并無(wú)作用。

4) 智能熱管理模塊

智能熱管理模塊，即對(duì)各路冷卻循環(huán)進(jìn)行相對(duì)獨(dú)立控制的電子閥模塊(見(jiàn)圖3)。該模塊根據(jù)需求控制各路循環(huán)的通與斷，以及各路循環(huán)冷卻液流量的大小，以減小傳熱和水泵功耗，進(jìn)而降低油耗，并且控制精度和響應(yīng)速度遠(yuǎn)勝于節(jié)溫器的調(diào)節(jié)方式。該模塊理想狀態(tài)是各路完全獨(dú)立控制，但會(huì)帶來(lái)設(shè)計(jì)和控制難度增加、可靠性降低等問(wèn)題，實(shí)際應(yīng)用中，只能做到盡量多路的獨(dú)立控制和盡量合理的流量分配。目前此技術(shù)的應(yīng)用還較少，本研究將主要針對(duì)此技術(shù)，進(jìn)行樣車改制與試驗(yàn)研究。

圖3 智能熱管理模塊示意[9]

5) 機(jī)械可變水泵與電子水泵

常見(jiàn)的機(jī)械可變水泵為離合式，冷機(jī)時(shí)，水泵帶輪與泵輪機(jī)械分離，實(shí)現(xiàn)零流量，以快速暖機(jī)；暖機(jī)后，二者結(jié)合，與常規(guī)水泵工作方式相同。此外還有圖4所示調(diào)節(jié)方式的機(jī)械可變水泵，這種方式雖然能減小水泵流量，但并沒(méi)有改變水泵轉(zhuǎn)速，因而水泵功耗不會(huì)明顯降低。

圖4 機(jī)械可變水泵示意[10]

電子水泵則可以完全根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)需求調(diào)節(jié)水泵流量，控制精度高，響應(yīng)速度快(見(jiàn)圖5)。與智能熱管理模塊配合使用，可以更好地發(fā)揮對(duì)冷卻系統(tǒng)智能熱管理的作用[4]。電子水泵作為副水泵，在中冷器、增壓器的冷卻中已有一定應(yīng)用，而作為主水泵的應(yīng)用還較少。

6) 水-空中冷器

與傳統(tǒng)的空-空中冷器相比，水-空中冷器(見(jiàn)圖6)對(duì)于進(jìn)氣溫度的控制更加精細(xì)，并且與環(huán)境溫度的解耦程度更高，如環(huán)境溫度較低時(shí)，可以不對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行冷卻，以使進(jìn)氣溫度不至于過(guò)低。水冷中冷器的氣測(cè)流阻遠(yuǎn)小于空-空中冷器，更有利于增壓匹配和動(dòng)力性提升，對(duì)油耗降低也有一定幫助。

7) 可變排量機(jī)油泵

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況的需求，通過(guò)調(diào)節(jié)泵排量的方式調(diào)節(jié)機(jī)油泵流量與系統(tǒng)油壓。與傳統(tǒng)柱塞泄壓式機(jī)油泵相比，可以有效降低機(jī)油泵內(nèi)耗。此技術(shù)已逐漸成為新開(kāi)發(fā)機(jī)型的標(biāo)準(zhǔn)配置。

8) 可控活塞冷卻噴嘴

使用可變排量機(jī)油泵后，可在很大程度上實(shí)現(xiàn)活塞冷卻噴嘴的可控。如機(jī)油溫度低或中低轉(zhuǎn)速、中小負(fù)荷等不希望活塞冷卻噴嘴開(kāi)啟的工況，在滿足潤(rùn)滑需求的前提下，通過(guò)控制主油道油壓低于活塞冷卻噴嘴開(kāi)啟壓力的方式，使其不開(kāi)啟。

另一種實(shí)現(xiàn)方式是為活塞冷卻噴嘴設(shè)置單獨(dú)的油道，并控制油道的通斷，在油壓高又不希望噴嘴開(kāi)啟的工況關(guān)閉油道。

9) 電子風(fēng)扇

與電子水泵類似，電子風(fēng)扇根據(jù)散熱器、冷凝器等的散熱需求，智能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，控制精度高、響應(yīng)速度快。目前已較大范圍應(yīng)用。

10) 智能格柵

根據(jù)機(jī)艙吹拂需求開(kāi)關(guān)格柵，并調(diào)節(jié)格柵開(kāi)啟角度，以減小傳熱損失，同時(shí)還可以降低車輛風(fēng)阻。此技術(shù)在中高級(jí)車上已有一定范圍的應(yīng)用。

11) 尾氣余熱回收

利用尾氣余熱直接對(duì)潤(rùn)滑油或冷卻液進(jìn)行加熱，使其快速升溫(見(jiàn)圖7)。目前此技術(shù)的應(yīng)用較少，多處于研究階段。

圖7 尾氣余熱回收示意[13]

12) 動(dòng)力總成包裹技術(shù)

通過(guò)對(duì)動(dòng)力總成的有效包裹，在滿足散熱的前提下，減小熱損失。這樣的設(shè)計(jì)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后的保溫作用更大，在發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁啟停的混合動(dòng)力上可以發(fā)揮更大作用。該技術(shù)目前仍處于研究階段。

2 冷卻系統(tǒng)改制

2.1 現(xiàn)狀態(tài)冷卻系統(tǒng)

現(xiàn)狀態(tài)冷卻系統(tǒng)的主回路包含水泵、發(fā)動(dòng)機(jī)水套、電子節(jié)溫器和散熱器(見(jiàn)圖8)。水套為傳統(tǒng)缸體、缸蓋串聯(lián)式水套，該冷卻系統(tǒng)工作過(guò)程：小循環(huán)在大循環(huán)開(kāi)啟后關(guān)閉；發(fā)動(dòng)機(jī)油冷循環(huán)在水泵后取水，回水泵前；暖風(fēng)循環(huán)在缸蓋出水處取水，與大循環(huán)(或小循環(huán))和發(fā)動(dòng)機(jī)油冷循環(huán)匯合后，回水泵前；增壓器循環(huán)從缸體水套取水，回缸蓋出水處；變速箱油冷循環(huán)在散熱器出水管上通過(guò)節(jié)流建立壓差的方式獲得流量。

現(xiàn)狀態(tài)冷卻系統(tǒng)中，暖風(fēng)循環(huán)是常通的，在駕駛員沒(méi)有暖風(fēng)需求或大循環(huán)未開(kāi)啟時(shí)，其作用與小循環(huán)重疊，這樣不僅加大了參與循環(huán)的冷卻液流量，還增大了發(fā)動(dòng)機(jī)水套的流速，對(duì)于快速暖機(jī)是不利的。而當(dāng)大循環(huán)開(kāi)啟且駕駛員沒(méi)有暖風(fēng)需求時(shí)，暖風(fēng)循環(huán)對(duì)散熱器而言起到了分流作用，相對(duì)減少了散熱器流量，進(jìn)而可能需要選擇更大的散熱器以滿足整車熱平衡需求。

發(fā)動(dòng)機(jī)油冷循環(huán)也是常通的，考慮到冷卻液溫升速度一般都高于潤(rùn)滑油，因而現(xiàn)有的設(shè)計(jì)具有冷卻液加熱潤(rùn)滑油的功能。在這樣的設(shè)計(jì)下，冷卻液與潤(rùn)滑油的溫升是同步的，如果冷機(jī)時(shí)關(guān)閉此循環(huán)，待冷卻液溫度達(dá)到一定程度后，再利用加大的溫差去加熱潤(rùn)滑油，或許可以提升潤(rùn)滑油的升溫速度。

變速箱油冷循環(huán)的通斷與大循環(huán)是否開(kāi)啟直接關(guān)聯(lián)，且流量與散熱器流量相關(guān)。這樣的設(shè)計(jì)，主要是從確保變速箱油溫不超過(guò)限值的角度出發(fā)，而沒(méi)有考慮用熱得更快的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液對(duì)變速箱油進(jìn)行加熱。

圖8 現(xiàn)狀態(tài)冷卻系統(tǒng)示意

2.2 冷卻系統(tǒng)改制

通過(guò)2.1節(jié)對(duì)現(xiàn)狀態(tài)冷卻系統(tǒng)的描述與分析可以看出，其不具備快速暖機(jī)的特征。因而，本次冷卻系統(tǒng)熱管理改制的目標(biāo)是使各路循環(huán)能夠相對(duì)獨(dú)立控制，使冷卻系統(tǒng)具備快速暖機(jī)的功能。在上文介紹的熱管理技術(shù)中，目前發(fā)動(dòng)機(jī)采用了可變排量機(jī)油泵和電子風(fēng)扇，但對(duì)于集成排氣歧管、分體冷卻、電子水泵、智能格柵等熱管理技術(shù)，由于改制涉及面大，難度大，短時(shí)間內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)等原因，并未在此次試驗(yàn)中體現(xiàn)。

冷卻系統(tǒng)熱管理改制后的狀態(tài)見(jiàn)圖9，粗線為改動(dòng)部分。

發(fā)動(dòng)機(jī)油冷、變速箱油冷和散熱器循環(huán)的控制，由圖10示出的CCV(Continuous Control Valve)模塊負(fù)責(zé)，同時(shí)取消電子節(jié)溫器。三路循環(huán)初始狀態(tài)均為關(guān)閉狀態(tài)，并視水溫情況依次按順序開(kāi)啟，而不能任意次序開(kāi)啟。選擇發(fā)動(dòng)機(jī)油冷循環(huán)早于變速箱油冷循環(huán)開(kāi)啟，主要是考慮到在改制后盡量模擬原狀態(tài)的冷卻系統(tǒng)，這樣可以使測(cè)試結(jié)果對(duì)比更有效。改制后，變速箱油冷循環(huán)與原狀態(tài)區(qū)別最大，取水位置改為缸蓋出水口處，回水進(jìn)入CCV，與散熱器、暖風(fēng)等其他循環(huán)形成并聯(lián)關(guān)系。這樣的改制，在大循環(huán)打開(kāi)前，變速箱油冷循環(huán)已完全打開(kāi)，而不是像現(xiàn)狀態(tài)那樣與散熱器流量成比例。CCV模塊讀取在增壓器出水處單獨(dú)布置的水溫傳感器信號(hào)，通過(guò)單獨(dú)的控制器進(jìn)行控制。

圖10 CCV模塊示意

由于CCV模塊只能對(duì)三路循環(huán)進(jìn)行控制，因而在小循環(huán)加入了單獨(dú)的開(kāi)關(guān)電磁閥，開(kāi)關(guān)需要手動(dòng)控制。暖風(fēng)循環(huán)加入了手動(dòng)開(kāi)關(guān)閥。

改制后對(duì)各路循環(huán)可以相對(duì)獨(dú)立地進(jìn)行控制，與原車相比，改制后變化最大之處除前述的變速箱油冷循環(huán)之外，還有由于管路的延長(zhǎng)，造成了冷卻液總?cè)莘e6%的增加。這6%的增加主要體現(xiàn)在了發(fā)動(dòng)機(jī)油冷循環(huán)上，也就是主要體現(xiàn)在了大循環(huán)打開(kāi)前參與循環(huán)的冷卻液上。僅對(duì)比大循環(huán)打開(kāi)前參與循環(huán)的冷卻液容積，增加約12%，這樣有可能造成升溫變慢進(jìn)而基礎(chǔ)油耗升高，這一點(diǎn)將在試驗(yàn)方案中予以考慮和對(duì)比。

3 試驗(yàn)方案與控制策略

3.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)整體分為改制前、改制后模擬原車狀態(tài)和改制后熱管理策略三個(gè)階段。

測(cè)試僅進(jìn)行了NEDC循環(huán)。改制后CCV的控制策略較粗略，且受限于狹小機(jī)艙空間，改制涉及的外接油路始終存在微滲油，為了確保安全，沒(méi)有進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)整體負(fù)荷更高、工況變化更劇烈的WLTC循環(huán)測(cè)試。

優(yōu)先進(jìn)行25 ℃標(biāo)準(zhǔn)NEDC測(cè)試，低溫(-7 ℃)測(cè)試作為第二步，若25 ℃下節(jié)油效果不明顯，則進(jìn)行低溫測(cè)試。

每次測(cè)試至少重復(fù)1次，以保證結(jié)果的一致性。

3.2 控制策略

1) 原車

原車使用最新ECU和TCU版本進(jìn)行測(cè)試，NEDC區(qū)域不開(kāi)空調(diào)時(shí)的冷卻液溫度目標(biāo)是95～100 ℃。電子風(fēng)扇低速擋100 ℃開(kāi)啟。

2) 改制后模擬原車

暖風(fēng)、小循環(huán)、發(fā)動(dòng)機(jī)油冷循環(huán)調(diào)至全開(kāi)狀態(tài)；受限于CCV較粗略的控制邏輯，大循環(huán)溫度調(diào)節(jié)目標(biāo)設(shè)為單一的100 ℃，不像原車隨工況變化；變速箱油冷循環(huán)與大循環(huán)同步開(kāi)啟。

3) 改制后熱管理策略

各路循環(huán)初始狀態(tài)均為關(guān)閉狀態(tài)，僅保留增壓器和兩路除氣參與循環(huán)，由于除氣循環(huán)的流動(dòng)，缸蓋水套仍可保持微小流動(dòng)。

模擬駕駛員沒(méi)有暖風(fēng)需求，暖風(fēng)循環(huán)全程關(guān)閉。

小循環(huán)初始關(guān)閉，在確保安全的前提下，為盡量提高暖機(jī)速度，制定了50 ℃或250 s先到先開(kāi)的策略。在隨后試驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)表現(xiàn)，調(diào)整為60 ℃或250 s先到先開(kāi)。

發(fā)動(dòng)機(jī)油冷和變速箱油冷循環(huán)按照表1示出的策略進(jìn)行。發(fā)動(dòng)機(jī)油冷循環(huán)分別在65 ℃，75 ℃，85 ℃開(kāi)啟。由于幾何連接上變速箱油冷循環(huán)的開(kāi)啟晚于發(fā)動(dòng)機(jī)油冷循環(huán)，因而策略上分別有與發(fā)動(dòng)機(jī)油冷循環(huán)同步開(kāi)啟和98 ℃開(kāi)啟兩種，98 ℃開(kāi)啟的設(shè)置是從CCV控制角度出發(fā)，區(qū)別于大循環(huán)的設(shè)置。大循環(huán)冷卻液溫度控制目標(biāo)為100 ℃。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱油冷循環(huán)開(kāi)啟溫度 ℃

為了充分挖掘節(jié)油潛力，且認(rèn)為CCV的調(diào)節(jié)響應(yīng)速度和控制精度要優(yōu)于電子節(jié)溫器，將電子風(fēng)扇低速擋的開(kāi)啟溫度調(diào)升至103 ℃。

3.3 關(guān)注的試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)僅關(guān)注油耗變化，由于整車狀態(tài)和電控?cái)?shù)據(jù)的原因，不關(guān)注排放。主要關(guān)注的測(cè)試數(shù)據(jù)為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)油溫、變速箱油溫、怠速轉(zhuǎn)速、累計(jì)油耗等，此外，油門開(kāi)度、節(jié)氣門開(kāi)度、管路各處壓力、溫度、Lambda等ECU參數(shù)也進(jìn)行了采集，用于輔助分析并判斷結(jié)果的合理性、可用性和一致性。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 原車與改制后模擬原車對(duì)比

如前文2.2節(jié)所述，冷卻液容積的增加確實(shí)導(dǎo)致了升溫速度變慢(見(jiàn)圖11)，在循環(huán)接近結(jié)束時(shí)，才達(dá)到了100 ℃的控制水溫目標(biāo)。無(wú)論原車還是改制后，電子風(fēng)扇均未開(kāi)啟。冷卻液升溫變慢，也直接導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油升溫變慢。變速器油溫在前1 100 s幾乎沒(méi)有差別，1 100 s后，改制后變速器油溫升高加快，是因?yàn)樵囎兯傧溆屠溲h(huán)流量與大循環(huán)流量成比例，在電子節(jié)溫器時(shí)開(kāi)、時(shí)閉的狀態(tài)下，變速箱油冷循環(huán)流量很小，而改制后變速箱油冷循環(huán)打開(kāi)后即為全部打開(kāi)，流量增大，冷卻液對(duì)油的加熱效果明顯。

圖11 原車與改制后模擬原車的溫度對(duì)比

溫升變慢使得油耗有1.3%的升高(見(jiàn)圖12)，而油耗的升高主要體現(xiàn)在前500 s(見(jiàn)圖13)。溫升變慢導(dǎo)致傳熱和摩擦損失增加，是油耗升高的一方面原因，而與冷卻液溫度直接關(guān)聯(lián)的怠速轉(zhuǎn)速和VVT開(kāi)啟是另一原因。改制后前500 s怠速轉(zhuǎn)速升高(見(jiàn)圖14)，VVT開(kāi)啟時(shí)間也相應(yīng)延遲。在500～1 000 s之間，油耗差值趨于平穩(wěn)，略有升高，可以看出，當(dāng)溫度升高到一定程度后，溫度差異的影響已不大。1 000 s之后產(chǎn)生差異的原因不明。

圖12 原車與改制后模擬原車的累計(jì)燃油消耗率對(duì)比

圖13 原車與改制后模擬原車的燃油消耗率差值對(duì)比

圖14 原車與改制后模擬原車的轉(zhuǎn)速對(duì)比

4.2 改制后熱管理策略

原方案中按照50 ℃或250 s先到先開(kāi)的原則控制小循環(huán)，但實(shí)測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，不到150 s時(shí)，水溫就已經(jīng)達(dá)到50 ℃，為了最大限度挖掘省油潛力，將溫度由50 ℃提高至60 ℃，水溫達(dá)到60 ℃約用時(shí)235 s。調(diào)整小循環(huán)控制策略后，與原定的控制策略1中發(fā)動(dòng)機(jī)油冷循環(huán)開(kāi)啟溫度65 ℃比較接近，因而，試驗(yàn)中取消了策略1和策略4的測(cè)試。

冷卻液溫度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖15。小循環(huán)開(kāi)啟前，溫升加速明顯，恢復(fù)甚至略高于原車；小循環(huán)打開(kāi)后、油冷循環(huán)打開(kāi)前，溫度與原車基本一致。采用熱管理策略后，在油冷循環(huán)打開(kāi)前，與改制后模擬原車相比溫升明顯，參與循環(huán)的冷卻液容量大幅減少起到很大作用(油冷和暖風(fēng)循環(huán)均關(guān)閉、小循環(huán)先關(guān)后開(kāi))；與原車相比，參與循環(huán)的冷卻液容量減少很多(暖風(fēng)循環(huán)關(guān)閉)，但冷卻液溫度卻沒(méi)有明顯更高，原因有兩方面：一是雖然循環(huán)容積變小，但同時(shí)水套流量降低，冷卻液傳熱系數(shù)降低，帶走的熱量減少；二是水套流動(dòng)變差，水套內(nèi)溫度不均勻，流出水套的冷卻液不能充分反映水套內(nèi)冷卻液溫度。結(jié)合原車、改制后模擬原車以及改制后熱管理策略的冷卻液溫升可以看出，參與循環(huán)冷卻液容積的大小和發(fā)動(dòng)機(jī)水套冷卻液流量的大小，是影響冷卻液溫升的兩個(gè)重要因素。如果循環(huán)容積減小的同時(shí)，水套流量也減小，那么冷卻液溫升速度不一定提高，具體要看哪一方面的作用更大。

圖15 冷卻液溫度

在油冷循環(huán)打開(kāi)后，冷卻液溫度有一段時(shí)間遲滯不上升，原因是新加入循環(huán)的冷卻液需要一段時(shí)間進(jìn)行升溫加熱。待參與循環(huán)的冷卻液溫度一致后，溫度繼續(xù)上升。在循環(huán)結(jié)束時(shí)，水溫達(dá)到100 ℃，整個(gè)循環(huán)中，電子風(fēng)扇未開(kāi)啟。

采用熱管理策略后，冷卻液溫度的變化也使怠速轉(zhuǎn)速降低，降低至原車水平(見(jiàn)圖16)。

圖16 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

發(fā)動(dòng)機(jī)油溫在小循環(huán)打開(kāi)前升高最明顯(見(jiàn)圖17)，明顯高于原車溫度，分析原因是水套內(nèi)冷卻液流量很小，幾乎靜止，使得機(jī)體溫度迅速升高，起到了加熱潤(rùn)滑油的作用；在小循環(huán)打開(kāi)后，溫度與原車保持一致；在油冷循環(huán)打開(kāi)后，并未像預(yù)期的通過(guò)加大冷卻液與潤(rùn)滑油溫差使?jié)櫥蜕郎厮俣忍岣撸侵饾u與改制后模擬原車的油溫一致。由此認(rèn)為，發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的升溫，主要的影響因素不是冷卻液與潤(rùn)滑油的熱交換，而是發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的傳熱?；诖朔治觯瑫r(shí)由于轉(zhuǎn)轂臺(tái)架安排、改制滲油等因素，沒(méi)有進(jìn)行策略5和策略6先開(kāi)變速箱油冷循環(huán)的測(cè)試。

圖17 發(fā)動(dòng)機(jī)油溫

變速箱油溫在油冷循環(huán)打開(kāi)前與原車一致(見(jiàn)圖18)。在油冷循環(huán)打開(kāi)后且參與循環(huán)的冷卻液溫度一致后，冷卻液對(duì)潤(rùn)滑油的加熱作用開(kāi)始體現(xiàn)，油溫升高加快，溫度提升最大達(dá)到15 ℃，變速箱效率相應(yīng)有1.5%的提升。對(duì)比策略2和策略3，策略2在相對(duì)低一些的75 ℃打開(kāi)油冷循環(huán)，冷卻液與潤(rùn)滑油溫差相對(duì)低一些，但加熱時(shí)間更長(zhǎng)，使得油溫相對(duì)更高；而策略3在相對(duì)高一些的85 ℃開(kāi)啟，冷卻液與潤(rùn)滑油溫差相對(duì)高一些，油溫升高速度也更快，但加熱時(shí)間短，循環(huán)結(jié)束時(shí)，潤(rùn)滑油溫度相比策略2要低一些。由此可見(jiàn)，冷卻液對(duì)潤(rùn)滑油的加熱并不一定是溫差越大效果越好，在溫差與加熱時(shí)間之間存在著平衡關(guān)系。同時(shí)還可看出，由于NEDC循環(huán)總時(shí)間較短，冷機(jī)階段比重大，冷卻液對(duì)潤(rùn)滑油加熱的時(shí)間有限，若是時(shí)間更長(zhǎng)的WLTC循環(huán)或是實(shí)際駕駛工況，其能發(fā)揮更大的降低油耗作用[4]。

圖18 變速箱油溫

采用熱管理策略后，NEDC油耗相比改制后模擬原車有約3.6%的降低，相比原車有約2.2%的降低，策略2與策略3的節(jié)油效果相近，略有差異(見(jiàn)圖19)。

結(jié)合圖20可以看出，采用熱管理策略后，無(wú)論策略2還是策略3，無(wú)論與原車相比還是與改制后相比，省油最大的貢獻(xiàn)都是在前500 s。尤其是與原車相比，在冷卻液溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)油溫基本一致的情況下，仍然有較大幅度的油耗降低，原因在于水套冷卻液流量幾乎為0，壁溫和活塞溫度快速升高，不僅降低燃燒室傳熱損失，還可大幅降低摩擦損失，特別是摩擦占比最大的活塞摩擦損失。由此也可以看出，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理，提高冷卻液和潤(rùn)滑油升溫速度固然重要，但更重要的是其背后的機(jī)體溫度[4]。500～1 000 s之間油耗差值基本沒(méi)有變化，也就是說(shuō)，此段沒(méi)有節(jié)油。1 000 s之后，與改制后相比，油耗差值有小幅上升，原因是變速箱油溫的升高。

圖20 燃油消耗率差值

5 結(jié)論

a) 主要針對(duì)冷卻系統(tǒng)各路循環(huán)進(jìn)行熱管理樣車改制與測(cè)試，獲得了至少2%的NEDC循環(huán)油耗降低;

b) 油耗降低最主要的原因是發(fā)動(dòng)機(jī)的快速暖機(jī)，其中機(jī)體壁溫的快速升高比冷卻液快速升溫更為重要；現(xiàn)在常用的以冷卻液溫度表征機(jī)體熱負(fù)荷的方式，在水套零流量或接近零流量時(shí)，可能不再適用，需要在未來(lái)實(shí)車的熱管理策略中予以考慮，以充分發(fā)揮省油潛力;

c) 冷卻液對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的加熱對(duì)于降低油耗作用不大，發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的升溫主要依靠機(jī)體壁面?zhèn)鳠?

d) 冷卻液對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱油的加熱作用明顯，但受限于NEDC循環(huán)時(shí)間，節(jié)油貢獻(xiàn)較小，在更長(zhǎng)的WLTC循環(huán)或?qū)嶋H駕駛循環(huán)中，節(jié)油貢獻(xiàn)會(huì)更大。