Volvo公司重型載貨車(chē)柴油機(jī)的熱管理系統(tǒng)

【法】 N.Granottier

1 熱管理提高節(jié)油潛力

多年來(lái)，降低燃油耗和廢氣排放成為轎車(chē)和載貨車(chē)發(fā)展重心，已開(kāi)發(fā)出多種措施，例如廢氣再循環(huán)、可變幾何截面渦輪增壓器、電控燃油噴射系統(tǒng)等，以滿(mǎn)足越來(lái)越嚴(yán)苛的排放要求。這些技術(shù)已被轎車(chē)和載貨車(chē)制造商們廣泛應(yīng)用，它們?cè)诮档蛷U氣排放的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了顯著的節(jié)油潛力，但是由于提高了發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜程度并要進(jìn)行廣泛的修改，在實(shí)際使用中往往費(fèi)用非常昂貴。鑒于成本、質(zhì)量和復(fù)雜性等因素，改善內(nèi)燃機(jī)的熱管理系統(tǒng)相對(duì)是一種比較簡(jiǎn)單的措施，但在降低廢氣排放和節(jié)油方面能獲得明顯的效果。

2005年，在實(shí)施歐3廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，Volvo集團(tuán)推出了重型載貨車(chē)柴油機(jī)平臺(tái)，能覆蓋9～16L排量的柴油機(jī)。自從廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展到歐5、US10和pNLT以來(lái)，這種平臺(tái)的柴油機(jī)都具備熱管理系統(tǒng)，并且比原機(jī)型節(jié)油1.5%～2.0%。

2 熱管理的思路

內(nèi)燃機(jī)配備高可靠性的冷卻和潤(rùn)滑系統(tǒng)，但是越來(lái)越嚴(yán)厲的廢氣排放法規(guī)及低燃油耗為發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)帶來(lái)挑戰(zhàn)。

冷卻和潤(rùn)滑系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成即使在最嚴(yán)酷環(huán)境下也能無(wú)故障運(yùn)行，例如在持續(xù)全負(fù)荷和48℃環(huán)境溫度下也能確保功能無(wú)故障。但是這些運(yùn)行條件僅代表了稀少的極端情況，許多量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)在其整個(gè)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)僅很少甚至不會(huì)在這樣的條件下運(yùn)行。歐洲和北美汽車(chē)的平均負(fù)荷譜與設(shè)計(jì)參數(shù)相距甚遠(yuǎn)，而典型的運(yùn)行狀況是15℃環(huán)境溫度和1200r／min時(shí)的25%負(fù)荷，在系統(tǒng)不調(diào)節(jié)的情況下就導(dǎo)致了要輸送比可靠運(yùn)行所必需的更多的機(jī)油和冷卻水量，因此在節(jié)油方面存在著很大的潛力。因?yàn)樵诘湫偷倪\(yùn)行范圍內(nèi)所需的機(jī)油和冷卻水量要少得多，所以Volvo集團(tuán)重型載貨車(chē)柴油機(jī)平臺(tái)開(kāi)發(fā)熱管理功能，可以在實(shí)際運(yùn)行中獲得最佳的燃油耗。

要使冷卻系統(tǒng)與潤(rùn)滑系統(tǒng)之間密切配合，不僅要關(guān)注諸如氣缸蓋、活塞和軸承等要求高的重要零部件，還要考慮到駕駛室采暖、變速器冷卻和廢氣排放系統(tǒng)等外圍設(shè)備。

3 預(yù)試驗(yàn)研究

在具有熱管理系統(tǒng)的情況下，在原本的開(kāi)發(fā)工作之前還必須針對(duì)所有相關(guān)的消耗器件對(duì)冷卻和潤(rùn)滑系統(tǒng)的要求進(jìn)行精確的分析，盡可能設(shè)計(jì)精確和高效能的方案（壓力損失、回流量、泵設(shè)計(jì)等），在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)展工作。

開(kāi)發(fā)步驟首先根據(jù)一維模擬模型鑒定機(jī)油和冷卻循環(huán)回路中的主要消耗器件，然后針對(duì)最嚴(yán)酷的設(shè)計(jì)條件及典型運(yùn)行條件下重要負(fù)荷工況點(diǎn)精確地確定最大消耗器件對(duì)潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)的要求。因此必須經(jīng)歷全面的測(cè)量，以便獲得所有有關(guān)的重要零部件最精確的各種要求，特別是要通過(guò)以下測(cè)量工作來(lái)得到：（1）測(cè)量活塞溫度與機(jī)油流量、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩的關(guān)系；（2）測(cè)量軸承溫度與主油道機(jī)油壓力的關(guān)系。

這些工作是與各個(gè)零部件供應(yīng)商緊密合作共同完成的，從而獲得潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)要求與轉(zhuǎn)速和扭矩關(guān)系的特性曲線場(chǎng)。

接下來(lái)的開(kāi)發(fā)步驟是設(shè)計(jì)機(jī)油泵、冷卻液泵和機(jī)油冷卻器，使它們能可靠地滿(mǎn)足在極端要求情況下的最高要求，并從部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的要求，特別是典型運(yùn)行工況點(diǎn)的特性推導(dǎo)出控制策略，對(duì)泵的可控制性和可調(diào)節(jié)性提出進(jìn)一步的要求，因而對(duì)所選用的技術(shù)具有決定性作用。圖1示出了熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)策略。最后開(kāi)發(fā)步驟則是借助于已引用的模擬模型開(kāi)發(fā)優(yōu)化燃油耗的策略。

4 熱管理技術(shù)

通過(guò)上述研究就能開(kāi)發(fā)出熱管理系統(tǒng)，包括3個(gè)子系統(tǒng)，分別是液體流量的主動(dòng)調(diào)節(jié)、可調(diào)式活塞冷卻和機(jī)油溫度調(diào)節(jié)。

5 液體流量的主動(dòng)調(diào)節(jié)

冷卻液流量由兩級(jí)式冷卻液泵調(diào)節(jié)，其中冷卻液泵帶有1個(gè)電磁離合器，在一定的轉(zhuǎn)速下能實(shí)現(xiàn)2種不同的供應(yīng)量：（1）最大流量（高轉(zhuǎn)速）：泵被直接驅(qū)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速處于固定的傳動(dòng)比；（2）滑差運(yùn)行方式（低轉(zhuǎn)速）：泵通過(guò)電磁離合器驅(qū)動(dòng)，而滑差率（驅(qū)動(dòng)軸與從動(dòng)軸之間的轉(zhuǎn)速差）可調(diào)節(jié)，并隨著驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速的提高而變大，在全負(fù)荷時(shí)與直接驅(qū)動(dòng)相比，其供應(yīng)量減半。

圖2示出了最大流量和滑差運(yùn)行方式時(shí)冷卻液泵的冷卻液流量、功率消耗與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系。冷卻液泵的靈活性通過(guò)與之匹配的軟件策略加以利用，以便在運(yùn)行狀況容許的情況下減小冷卻液流量（圖3）。

與非調(diào)節(jié)冷卻液泵相比，在典型的行駛循環(huán)（高速公路）中可節(jié)油0.5%，實(shí)現(xiàn)這樣的節(jié)油效果在現(xiàn)有的平臺(tái)情況下發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)無(wú)需作較大的修改。

6 可調(diào)式活塞冷卻

可調(diào)式活塞冷卻的基本設(shè)想很簡(jiǎn)單，活塞的冷卻需求與負(fù)荷有關(guān)，因而在中小負(fù)荷下可減少冷卻。Volvo載貨車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理功能可減少活塞冷卻噴嘴的機(jī)油流量（圖4）。

通過(guò)活塞冷卻噴嘴的機(jī)油流量不僅能冷卻活塞，而且還潤(rùn)滑活塞、氣缸套、活塞銷(xiāo)和連桿，因此不能中斷，即使在低負(fù)荷時(shí)也必須維持在較低的水平。這借助于1個(gè)兩路電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)，該閥由發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元根據(jù)各種不同的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)通過(guò)脈沖調(diào)制信號(hào)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，通過(guò)改變閥的開(kāi)度使機(jī)油壓力不斷地適應(yīng)冷卻的需求。

減小機(jī)油流量直接降低了機(jī)油泵的負(fù)荷，因?yàn)槎嘤嗟臋C(jī)油在機(jī)油泵中通過(guò)短路返回實(shí)現(xiàn)再循環(huán)。除此之外，較高的活塞溫度能改善燃燒，從而間接地有助于提高能量效率。此外，“發(fā)動(dòng)機(jī)倒喘”現(xiàn)象（一種因潤(rùn)滑機(jī)油在燃燒室中不完全燃燒所引起的聲學(xué)現(xiàn)象）也減少了。應(yīng)用可調(diào)式活塞冷卻在長(zhǎng)途貨運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)行駛循環(huán)中總共可節(jié)油0.5%～0.8%。

7 機(jī)油溫度調(diào)節(jié)

除了減小機(jī)油泵驅(qū)動(dòng)功率獲得的節(jié)油效果之外，還可直接通過(guò)減少機(jī)油循環(huán)回路中的壓力損失獲得附加的節(jié)油效果。在發(fā)動(dòng)機(jī)典型的運(yùn)行范圍內(nèi)，僅需要通過(guò)機(jī)油循環(huán)回路相對(duì)較少的散熱，然而在非調(diào)節(jié)系統(tǒng)中機(jī)油仍然要引入機(jī)油冷卻器進(jìn)行冷卻，那么此時(shí)被調(diào)節(jié)到相對(duì)較低的機(jī)油溫度，其直接的結(jié)果是機(jī)油粘度較高，最終導(dǎo)致壓力損失和燃油耗提高，而且流經(jīng)機(jī)油冷卻器會(huì)進(jìn)一步增大壓力損失。

因此，調(diào)節(jié)機(jī)油溫度的主要目的與負(fù)荷工況點(diǎn)無(wú)關(guān)，并在盡可能較高的機(jī)油溫度下運(yùn)行，通過(guò)旁通機(jī)油冷卻器使機(jī)油粘度較小，降低燃油耗。為此，從歐4起最初系統(tǒng)中應(yīng)用了1個(gè)石蠟節(jié)溫器，非常好地提高了效果。但這種型式的節(jié)溫器的反應(yīng)時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，所以不得不作出保守的設(shè)計(jì)，以便在不連續(xù)轉(zhuǎn)換的情況下能確保全負(fù)荷時(shí)獲得足夠的冷卻。

應(yīng)用1個(gè)比例電磁閥就能進(jìn)一步改善調(diào)節(jié)的效果（圖5），如在活塞冷卻噴嘴處應(yīng)用該閥。該閥由發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元借助機(jī)油溫度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，可維持預(yù)先規(guī)定的機(jī)油溫度（圖3）。

在各種不同行駛循環(huán)中的測(cè)量結(jié)果表明，與采用石蠟節(jié)溫器調(diào)節(jié)溫度相比，電磁閥控制能獲得0.5%～1.2%的節(jié)油效果。

8 結(jié)論

上述工作實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理功能，在接近實(shí)際使用情況的行駛循環(huán)中能獲得1.5%～2.0%的顯著節(jié)油效果，并能高效地在現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)上實(shí)施，解決成本問(wèn)題。在精確詳細(xì)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出了一種工作能力強(qiáng)的熱管理方案，將低燃油耗值與高可靠性相結(jié)合。在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了精確的標(biāo)定，能充分利用其全部的節(jié)油潛力，在保持系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)確保迅速精確地進(jìn)行調(diào)節(jié)。除此之外，通過(guò)模擬模型、測(cè)量，以及在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)和試驗(yàn)汽車(chē)上的耐久性試驗(yàn)進(jìn)行了全面的鑒定和驗(yàn)證，其中包含了開(kāi)發(fā)新的試驗(yàn)大綱，以便驗(yàn)證熱管理系統(tǒng)專(zhuān)用的零部件并確保整機(jī)的可靠性。