現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)智能化熱管理系統(tǒng)模塊研究現(xiàn)狀與展望

謝孫寅

（同濟(jì)大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海 200092）

0 引言

隨著全球能源危機(jī)的出現(xiàn)以及汽車排放法規(guī)的越發(fā)嚴(yán)格，各個(gè)汽車制造商紛紛開始結(jié)合最新科技手段及先進(jìn)的制造工藝，不斷降低汽車油耗以及所帶來的排放污染，而在其中汽車發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)一直是行業(yè)內(nèi)所追捧的一個(gè)熱點(diǎn)，對(duì)于每個(gè)汽車制造商來說，如果能精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)溫度，就能更好地改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒性能，從而能進(jìn)一步發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，這樣一來就能有效地提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率以及燃油經(jīng)濟(jì)性，最終減少尾氣排放。

1 現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)智能化概念簡述

現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)已經(jīng)成為各個(gè)汽車生產(chǎn)商進(jìn)行節(jié)能減排的重要手段，而熱管理系統(tǒng)的智能化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料多元化是其中最主要的研究方向。其中發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)的智能化較早地被研發(fā)并且已經(jīng)取得一定成果，研發(fā)生產(chǎn)出許多智能化的熱管理系統(tǒng)模塊。

發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)概念很早以前就已經(jīng)提出，對(duì)于每個(gè)汽車生產(chǎn)商來說，其具體的含義有所不同，有些廠商會(huì)針對(duì)冷卻水泵進(jìn)行智能化更新，有些廠商會(huì)對(duì)于節(jié)溫器進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)，更有甚者，會(huì)全新開發(fā)智能化控制的模塊取代冷卻系統(tǒng)內(nèi)傳統(tǒng)的溫度控制部件，因此對(duì)于熱管理系統(tǒng)智能化，可謂是多種多樣，但最終的目的都是使汽車更加環(huán)保節(jié)能。

目前隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展以及相關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)的革新，越來越多的零部件廠商開始研究和開發(fā)機(jī)電一體化的產(chǎn)品，例如電控可變水泵、電子節(jié)溫器、電子風(fēng)扇等一系列發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)部件，這些機(jī)電一體化產(chǎn)品都是通過安裝在其內(nèi)部的傳感器以及控制芯片根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況進(jìn)行溫度控制，以此來精確地控制冷卻液的流量及其溫度，最終使熱管理系統(tǒng)模塊控制智能化，降低了能耗，提高了效率。

2 國內(nèi)外智能化熱管理系統(tǒng)模塊介紹

麥格納公司研發(fā)出電子可變水泵（見圖1），此電子水泵通過電控系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)芯片，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際的工況進(jìn)行冷卻液流量控制，同時(shí)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)，此電子水泵可以進(jìn)行接近零流量的控制，以最快的速度給發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液升溫，使?jié)櫥涂焖龠_(dá)到最佳工作溫度，減少因潤滑不佳造成的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體磨損，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行過程中，可以根據(jù)功率轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)修正冷卻液流量，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳的溫度工況下運(yùn)作，最終能減少耗油1.5%左右，同時(shí)降低排放量。

美國伊頓公司在1998年提出了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電子節(jié)溫器系統(tǒng)的概念。利用電動(dòng)蝶閥對(duì)冷卻液的循環(huán)流量進(jìn)行控制，并開發(fā)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。他們認(rèn)為電控節(jié)溫器在提升車輛排放性和經(jīng)濟(jì)性方面有著很大的潛力。

EMP 公司給美國陸軍的軍用貨車中安裝了一款先進(jìn)的熱管理系統(tǒng)（見圖2），這個(gè)熱管理系統(tǒng)主要由電控風(fēng)扇、電控水泵和電控節(jié)溫器組成，同時(shí)還添加了動(dòng)力系統(tǒng)的散熱器和中冷器德散熱器以及混合水箱。該熱管理系統(tǒng)采用PID 控制方法，縮短暖機(jī)時(shí)間約50%，穩(wěn)態(tài)下的燃油經(jīng)濟(jì)性提升5%～20%。

Valeo Engine Cooling（VEC）公司早在1992 年就開發(fā)出一種發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)控制整個(gè)冷卻系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)主要由電控水泵、電子節(jié)溫器和電動(dòng)風(fēng)扇組成控制。電控水泵負(fù)責(zé)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)冷卻液流量進(jìn)行獨(dú)立控制。電子節(jié)溫器通過溫度傳感器傳輸信號(hào)，經(jīng)過控制模塊策略處理，再發(fā)送信號(hào)給電機(jī)執(zhí)行器運(yùn)行，整個(gè)工作過程主要根據(jù)冷卻液溫度進(jìn)行冷卻液流量控制。電動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速則被分成高速和低速2檔。該系統(tǒng)大約可以節(jié)省燃油消耗5%左右，同時(shí)還能有效地降低HC 排放達(dá)10%左右，但是由于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度升高使燃燒溫度增加，導(dǎo)致NOX反而增加了10%～20%。

圖1 麥格納公司電子可變水泵

Valeo Engine Cooling VEC 公司在1999 年提出一種先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)裝置THEMIS，其主要系統(tǒng)由電控水泵、電子節(jié)溫器和電控風(fēng)扇組成，而其中風(fēng)扇控制系統(tǒng)名叫FANTRONIC 系統(tǒng)，而水泵或者電子水閥控制被叫做PUMPTRONIC。整套系統(tǒng)有效地減少了噪音程度，CO 排放量減少20%和HC 降低10%并使NOX保持不變，同時(shí)也降低了汽車油耗2%～5%，改善了其舒適性能和發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性能。

郭新民等人對(duì)某款發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)研究，由于此款發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中的風(fēng)扇和水泵由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，因此通過單片機(jī)根據(jù)冷卻水溫度的變化對(duì)電磁比例閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制溢流量，以此最終實(shí)現(xiàn)冷卻風(fēng)扇和水泵轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)。經(jīng)過試驗(yàn)表明，在冷啟動(dòng)狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)熱時(shí)間減少50%，大大提高了暖機(jī)速度，同時(shí)在預(yù)熱階段的燃油消耗量也減少了43%。

鄭州宇通集團(tuán)有限公司在2007 年生產(chǎn)的客車首次采用了發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù)，智能控制冷卻液溫度和風(fēng)扇運(yùn)行狀態(tài)，使客車發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在最佳運(yùn)行溫度，可使百公里油耗降低5%～10%。

舍弗勒公司在2011 年和奧迪汽車共同研發(fā)出一款發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)模塊（見圖3），此系統(tǒng)模塊被運(yùn)用安裝在大眾最新EA888 第3 代發(fā)動(dòng)機(jī)上，主要由DC 馬達(dá)、角度控制芯片、渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)以及2 個(gè)特殊設(shè)計(jì)的內(nèi)置轉(zhuǎn)閥組成，運(yùn)行方式通過發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 獲取各個(gè)部件內(nèi)冷卻液溫度以及發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工況來對(duì)此模塊進(jìn)行控制，有效并精確地管理發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件的溫度，從而替代了傳統(tǒng)的節(jié)溫器方是控制發(fā)動(dòng)機(jī)溫度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，此款熱管理系統(tǒng)可以有效減少發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)間，同時(shí)降低油耗達(dá)4%左右，大大增加了發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件的使用壽命，并減少了車廂內(nèi)預(yù)熱時(shí)間達(dá)40%，此款熱管理系統(tǒng)模塊在節(jié)能減排、增加舒適性以及發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性方面都有著顯著的提高。小型化、集成化、高效率也是將來發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)模塊的重要的發(fā)展方向。

圖2 EMP 公司電控節(jié)溫器

圖3 舍弗勒公司發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)模塊

舍弗勒公司的發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)模塊由DC 電機(jī)馬達(dá)、位置度傳感器、渦輪蝸桿系統(tǒng)以及2 個(gè)特殊設(shè)計(jì)的球閥和相關(guān)密封圈組成。此款熱管理系統(tǒng)模塊也是通過接受車輛ECU 的相關(guān)轉(zhuǎn)速、扭矩以及水溫和油溫信號(hào)，設(shè)計(jì)控制策略，控制馬達(dá)的通電時(shí)長，來控制球閥開啟角度，同時(shí)經(jīng)過角度傳感器的反饋信號(hào)給車輛ECU，ECU 再根據(jù)此角度信號(hào)來檢驗(yàn)和精確控制整個(gè)系統(tǒng)模塊的運(yùn)轉(zhuǎn)。

此款熱管理系統(tǒng)模塊優(yōu)勢在于控制精度較高，共有4 個(gè)出口來控制流量，并且可以更加詳細(xì)且精確地根據(jù)不同的策略方案設(shè)計(jì)出不同的流量控制手段，以此可以更加合理和有效地控制整體發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻溫度，進(jìn)一步有效地達(dá)到節(jié)能減排的效果。

3 智能化熱管理系統(tǒng)模塊的發(fā)展趨勢

結(jié)合以上已投產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)智能化熱管理系統(tǒng)模塊可知，現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)模塊都是以執(zhí)行器的工作方式進(jìn)行，并沒有將智能控制系統(tǒng)整合其中，目前階段的控制手段則都是由ECU 控制系統(tǒng)處理，而真正的熱管理系統(tǒng)模塊智能化必須擁有自我調(diào)節(jié)功能，因此如何設(shè)計(jì)系統(tǒng)優(yōu)化控制策略和與發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)匹配成為未來發(fā)展的關(guān)鍵所在。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)來看，如何真正發(fā)揮熱管理系統(tǒng)的作用很大程度上取決于系統(tǒng)控制策略，而如何有效地控制水泵轉(zhuǎn)速、電子節(jié)溫器的開度大小以及電子風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)速度都需要進(jìn)行大量的標(biāo)定試驗(yàn)，確保在實(shí)際運(yùn)行過程中，可以根據(jù)實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以此達(dá)到最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)期間的升溫時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

未來智能化的熱管理系統(tǒng)模塊不單單只是具有發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液調(diào)節(jié)分配功能的執(zhí)行模塊，更加需要有一個(gè)自主控制策略的模塊，成為發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)控制單元中的一個(gè)獨(dú)立控制分區(qū)，具有自行解析發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況，并根據(jù)相應(yīng)的控制策略結(jié)合從ECU 內(nèi)部讀取的發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行自我調(diào)節(jié)控制，以此達(dá)到真正發(fā)動(dòng)機(jī)智能化熱管理系統(tǒng)模塊。

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