胡 攀 安聰慧 秦萬(wàn)里 陳東亞 李連豹 韋 虹 王瑞平，3

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波315336 2-浙江吉利控股集團(tuán)有限公司3-浙江吉利動(dòng)力總成有限公司）

引言

在純電動(dòng)汽車(chē)尚未成熟的條件下，混合動(dòng)力車(chē)型成為了未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)汽車(chē)發(fā)展的主力，而對(duì)于混動(dòng)車(chē)型而言對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的最大要求就是高效，本文的這款增程器發(fā)動(dòng)機(jī)正是運(yùn)用了米勒循環(huán)技術(shù)使得發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率高達(dá)39%。但在高效的同時(shí)也面臨一些問(wèn)題，其一就是進(jìn)氣冷卻，由于采用米勒循環(huán)技術(shù)使得增壓壓比提高，進(jìn)氣溫度高，需要中冷系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，所以本文將針對(duì)該問(wèn)題，提供一更為全面的進(jìn)氣冷卻方案，為該類(lèi)問(wèn)題提供新穎的設(shè)計(jì)思路。

1 進(jìn)氣溫度驗(yàn)證

高效渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)作為增程器使用時(shí)，工作工況如圖1 所示，相對(duì)于傳統(tǒng)動(dòng)力而言，增程式發(fā)動(dòng)機(jī)工況單一，工作穩(wěn)定，其主要作用是作為動(dòng)力源帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。從圖1 可看出增程器的工況在18 kW～60 kW 之間，額定功率較低，但由于采用米勒循環(huán)技術(shù)，增壓壓比較高，因此需要對(duì)進(jìn)氣溫度進(jìn)行評(píng)估來(lái)決定是否需要中冷器。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況

圖2 進(jìn)氣溫度對(duì)油耗的影響

圖4 進(jìn)氣溫度對(duì)排氣溫度的影響

如圖2、3、4、5 所示，我們對(duì)68 kW 工況點(diǎn)進(jìn)行了進(jìn)氣溫度驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)氣溫度的上升，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗逐步增加[1]；同時(shí)隨著進(jìn)氣溫度的上升，導(dǎo)致進(jìn)氣效率低功率下降，當(dāng)進(jìn)氣溫度超過(guò)73 ℃時(shí)功率開(kāi)始下降；排氣溫度與壓后溫度也隨著進(jìn)氣溫度的上升而上升，提高了整車(chē)溫度場(chǎng)溫度，不利于熱害管控，同時(shí)壓后溫度達(dá)到150 ℃以上，超出了節(jié)氣門(mén)以及傳感器的安全溫度限制，由此必須增加中冷器控制進(jìn)氣溫度在合理范圍。

圖5 進(jìn)氣溫度對(duì)壓后溫度的影響

2 中冷方案的選擇

目前市場(chǎng)上普遍的中冷器方案為風(fēng)冷中冷器，該方案相對(duì)于傳統(tǒng)水冷中冷器而言的主要優(yōu)勢(shì)是成本低，從表1 的對(duì)比中可看出傳統(tǒng)的水冷中冷系統(tǒng)成本比風(fēng)冷中冷降低了340 元。雖然風(fēng)冷中冷成本低但是風(fēng)冷中冷的尺寸大，換熱效率低，并且在冬季易發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，目前尚未產(chǎn)生有效的解決方案。對(duì)于高效增程器發(fā)動(dòng)機(jī)而言更應(yīng)對(duì)中冷結(jié)冰問(wèn)題引起重視，由于采用米勒循環(huán)技術(shù)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)壓比上升，導(dǎo)致在增程器各工作點(diǎn)的曲通壓力處于正壓狀態(tài)。如圖6 所示，當(dāng)曲通壓力處于正壓狀態(tài)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)油氣流動(dòng)處于外循環(huán)狀態(tài)（即油氣流向增壓前，經(jīng)過(guò)中冷器進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室），由于油氣內(nèi)含水量較高，在冬季環(huán)境下在風(fēng)冷中冷器中容易出現(xiàn)更多的冷凝結(jié)冰問(wèn)題，而如采用水冷中冷器則可通過(guò)控制冷卻液溫度降低中冷器中的冷凝風(fēng)險(xiǎn)[2]。為此我們選擇了水冷中冷器的方案。

表1 風(fēng)冷與水冷成本對(duì)比

考慮到傳統(tǒng)水冷中冷方案的成本問(wèn)題，結(jié)合增程式電動(dòng)車(chē)的電機(jī)冷卻系統(tǒng)特性，我們將中冷系統(tǒng)與電機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行集成化的設(shè)計(jì)[3]，如圖7 所示，模型如圖8 所示。根據(jù)中冷系統(tǒng)和電機(jī)冷卻系統(tǒng)中各部件的溫度要求，將水冷中冷器集成在電機(jī)冷卻系統(tǒng)中，這樣由于與電機(jī)冷卻系統(tǒng)共用了散熱器、電子水泵以及膨脹壺，所以成本得到大幅降低，與風(fēng)冷中冷器成本持平。并且由于水冷中冷器冷卻效率遠(yuǎn)高于風(fēng)冷中冷器，所以水冷中冷器還具有尺寸小，有利于布置的特點(diǎn)。

圖6 曲通系統(tǒng)流向

圖7 冷卻系統(tǒng)布置圖

圖8 水冷中冷器

3 水冷中冷系統(tǒng)匹配計(jì)算

由于水冷中冷器與電機(jī)冷卻系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)，使得WCAC 的出水溫度必須滿(mǎn)足電機(jī)冷卻系統(tǒng)冷卻液溫度T≤65 ℃的要求，根據(jù)該要求我們進(jìn)行以下匹配計(jì)算。

3.1 WCAC 選型計(jì)算

通常我們根據(jù)公式（1）可初步確定增程器發(fā)動(dòng)機(jī)在各個(gè)轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣溫度的限值，但由于圖3 中的測(cè)試結(jié)果我們可以設(shè)定73 ℃為高溫環(huán)境下的極限進(jìn)氣溫度（功率未下降）。

式中：T環(huán)境-環(huán)境溫度（℃）；

n-發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm）。

通過(guò)公式（2）可計(jì)算出中冷器所需的換熱量，如表1 所示增程器在68 kW@4 000 rpm 工況點(diǎn)中冷器散熱量必須≥4.3 kW，此時(shí)根據(jù)計(jì)算所得散熱量并且輸入預(yù)估的進(jìn)水流量，供應(yīng)商可通過(guò)CFD 仿真軟件對(duì)中冷器的尺寸進(jìn)行匹配計(jì)算，從而選定中冷器大小。

式中：P-散熱量（kW）；Q-進(jìn)氣質(zhì)量流量（kg/s）；

Tin-中冷進(jìn)氣溫度（℃）；

Tout-中冷出氣溫度（℃）；

C-進(jìn)氣比熱容（kJ/（kg·℃））。

表2 WCAC 選配計(jì)算

3.2 電子水泵性能校核

在WCAC 集成于電機(jī)冷卻系統(tǒng)后，由于串聯(lián)在系統(tǒng)中，系統(tǒng)壓損增大，需要對(duì)電子水泵的性能進(jìn)行校核，一般采用GT—COOL 軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。圖9為1D 中冷系統(tǒng)的仿真模型，計(jì)算結(jié)果如圖10 所示，增加水冷中冷器后，電子水泵的最大流量滿(mǎn)足冷卻需求（≥15 L/min）。

除了WCAC 選配以及電子水泵的校核計(jì)算以外，我們還需要結(jié)合電機(jī)電器所需的散熱量對(duì)散熱器以及風(fēng)扇進(jìn)行校核，該過(guò)程在本文中不再做過(guò)多的描述。

圖9 WCAC 冷卻系統(tǒng)1D 建模

圖10 電子水泵性能計(jì)算結(jié)果

4 WCAC 效果驗(yàn)證及分析

4.1 WCAC 冷卻效果驗(yàn)證

通過(guò)搭載水冷中冷器，控制電子水泵流量與設(shè)計(jì)流量（15 L/min）的情況下，測(cè)試高溫環(huán)境下中冷冷卻效果如圖11 所示，增程器4 個(gè)工作點(diǎn)下的進(jìn)氣溫度均滿(mǎn)足≤73 ℃的設(shè)計(jì)要求。

圖11 進(jìn)氣溫度驗(yàn)證曲線(xiàn)

4.2 增壓器響應(yīng)驗(yàn)證

原風(fēng)冷中冷器相較于水冷中冷器而言，其進(jìn)氣側(cè)管路遠(yuǎn)長(zhǎng)于水冷中冷的進(jìn)氣管路。通過(guò)計(jì)算更改為水冷中冷器后進(jìn)氣側(cè)壓后到進(jìn)氣歧管處的進(jìn)氣管路體積縮小了50%以上，意味著增壓器響應(yīng)效果更佳，有利于增程器到各目標(biāo)功率點(diǎn)的響應(yīng)控制。通過(guò)檢測(cè)原風(fēng)冷中冷增壓器響應(yīng)時(shí)間（35 kW 常用工況點(diǎn)）在5.5 s。而如圖12 所示，搭載WCAC 后的增壓器響應(yīng)時(shí)間在3.5 s，整整縮短了2 s，從這一點(diǎn)可看出混合動(dòng)力車(chē)型如采用水冷中冷系統(tǒng)，加速性能可以得到有效提升。

4.3 低溫進(jìn)氣溫度驗(yàn)證

WCAC 冷卻系統(tǒng)與電機(jī)電器冷卻系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)后，在低溫環(huán)境下，結(jié)合電子水泵的控制可使得熱機(jī)效果（循環(huán)內(nèi)冷卻液上升）更快，使得WCAC 的冷卻液更快地達(dá)到合適的溫度（≥20 ℃），始終將發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度保持在較好的水平，如圖13 所示。水冷中冷可通過(guò)控制電子水泵流量，將進(jìn)氣溫度始終保持在≥30 ℃，從而降低了WCAC 內(nèi)部冷凝現(xiàn)象，從而規(guī)避結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)。

圖12 WCAC 增壓器響應(yīng)測(cè)試

圖13 進(jìn)氣溫度對(duì)比（低溫-20 ℃）

5 結(jié)論

通過(guò)WCAC 冷卻系統(tǒng)與電機(jī)電器冷卻系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)后，主要具備以下優(yōu)勢(shì)：

1）可以有效控制成本，將成本控制在與空冷中冷相當(dāng)?shù)乃?，并且布置更為靈活。

2）WCAC 進(jìn)氣系統(tǒng)的管路大大縮短，增壓器響應(yīng)快，對(duì)于增程器而言有利于功率響應(yīng)，同時(shí)對(duì)于傳統(tǒng)動(dòng)力和混和動(dòng)力而言有利于加速性能的提升。

3）在保證冷卻性能的同時(shí)，WCAC 冷卻系統(tǒng)還可以有效降低低溫環(huán)境下的冷凝結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)。