電氣化冷卻系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)匹配試驗(yàn)與分析

劉清

摘 要：全世界都對發(fā)動機(jī)的排放作出了嚴(yán)格規(guī)定，同時(shí)隨著新能源的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)面臨著越來越大的壓力。發(fā)動機(jī)必須向著輕量化、高利用率、低排放的方向發(fā)展，這樣才能使傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)行業(yè)更好的應(yīng)對新能源帶來的發(fā)展壓力。發(fā)動機(jī)采用了電子水泵及溫控模塊等先進(jìn)電氣化熱管理技術(shù)，完成電子水泵選型及溫控模塊控制邏輯設(shè)計(jì)后，利用發(fā)動機(jī)臺架開展匹配試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：電子水泵布置保持出水口朝上，補(bǔ)水口位置降低至與水泵入口平齊，有利于水泵水室內(nèi)氣體排空，保證水泵正常工作;電子水泵性能滿足發(fā)動機(jī)冷卻需求，但水套隔板泄漏導(dǎo)致缸體缸蓋流量分配偏離設(shè)計(jì)值，缸體排氣側(cè)水溫異常高，需優(yōu)化水套隔板強(qiáng)度;降低電子水泵流量可減少冷卻液帶走的熱量，改變?nèi)紵腋浇膿Q熱，有利于熱效率提升;溫控模塊圓弧形球閥開口設(shè)計(jì)使得各支路開啟或關(guān)閉時(shí)發(fā)生流量突變，而水滴形球閥開口實(shí)現(xiàn)了流通面積緩慢增加，流量平緩過渡。

關(guān)鍵詞：電氣化;冷卻系統(tǒng);發(fā)動機(jī);匹配試驗(yàn)

引言

隨著智能技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械設(shè)備中零部件電氣化已成為趨勢，電子控制模塊通過對運(yùn)行工況的甄別，能夠使發(fā)動機(jī)各個(gè)系統(tǒng)、多個(gè)參數(shù)之間的配合達(dá)到最優(yōu)。傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)都處于被動控制，對發(fā)動機(jī)的工作性能和熱負(fù)荷的控制局限性很大，因此電子水泵、電子節(jié)溫器、溫控模塊簡稱TMM會成為未來發(fā)動機(jī)本體熱管理領(lǐng)域的主要研究及發(fā)展方向研究對象為已完成冷卻系統(tǒng)電氣化設(shè)計(jì)的2.0L自然吸氣發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)搭載了電子水泵、溫控模塊，通過自主控制電子水泵的轉(zhuǎn)速以及溫控模塊開度實(shí)現(xiàn)精確控制水溫，以適配發(fā)動機(jī)在不同工況下的不同需求，最終實(shí)現(xiàn)縮短暖機(jī)時(shí)間，減少摩擦損失，節(jié)能減排的目的。為分析電子水泵與該發(fā)動機(jī)的匹配性能，評估溫控模塊控制邏輯是否滿足設(shè)計(jì)要求，在發(fā)動機(jī)臺架上開展了匹配試驗(yàn)，保持散熱器、膨脹水壺、暖風(fēng)等附件的狀態(tài)、布置高度、管道的長度與整車狀態(tài)一致，同時(shí)散熱器配備風(fēng)機(jī)，用于散熱器的冷熱交換，精確控制發(fā)動機(jī)出水溫度。

1.電子水泵選型及溫控模塊原理

1.1電子水泵選型計(jì)算

考慮整個(gè)冷卻系統(tǒng)包括發(fā)動機(jī)本體水套、散熱器、機(jī)油冷卻器、暖風(fēng)、溫控模塊及管路等零部件在內(nèi)的壓力損失特性，結(jié)合發(fā)動機(jī)標(biāo)定工況的冷卻需求，該發(fā)動機(jī)標(biāo)定工況下水泵揚(yáng)程要求大于等于10m@105L/min。電子水泵所需功率約為381W，因此選配市場上現(xiàn)有的450W電子水泵。

1.2溫控模塊控制邏輯

區(qū)間1：Bypass支路全開，RAD和Block支路全關(guān)。此時(shí)冷卻液經(jīng)EWP流向缸蓋和暖風(fēng)進(jìn)入TMM后，從Bypass支路出。區(qū)間2：Bypass支路全開，Block支路流通面積逐漸增加。此時(shí)冷卻液經(jīng)EWP流向缸體、缸蓋和暖風(fēng)進(jìn)入TMM后，從Bypass支路出。區(qū)間3：Bypass和RAD支路均有一定開度，缸體支路全開。該狀態(tài)下TMM球閥開口與兩個(gè)入口和兩個(gè)出口均有重疊。區(qū)間4：RAD支路流通面積逐漸增加，Bypass支路關(guān)閉。冷卻液經(jīng)EWP流向缸體、缸蓋和暖風(fēng)進(jìn)入TMM后，全部從RAD支路流出，且隨著球閥開度的增加，冷卻系統(tǒng)壓損減少，流量將逐步增加。區(qū)間5：RAD支路全開。此時(shí)冷卻液經(jīng)電子水泵后流向缸體、缸蓋和暖風(fēng)，進(jìn)入溫控模塊，全部從溫控模塊散熱器管口出，冷卻系統(tǒng)流量達(dá)到最大。

2.系統(tǒng)布置對電子水泵性能的影響

按整車?yán)鋮s系統(tǒng)搭建好臺架，采用透明殼體電子水泵開展試驗(yàn)。往膨脹水箱緩慢加注冷卻液，直至充滿膨脹水箱，此時(shí)電子水泵不能完全接觸到冷卻液，從而造成電子水泵偶爾進(jìn)入空轉(zhuǎn)狀態(tài)并進(jìn)行自我保護(hù)。且水泵無論運(yùn)轉(zhuǎn)多長時(shí)間，水泵殼體水室內(nèi)上方的空氣始終無法排盡。結(jié)合當(dāng)前系統(tǒng)布置狀態(tài)進(jìn)行分析，水泵出水口向下，不利于水泵水室內(nèi)氣體排出，且水泵入水口高于補(bǔ)水口布置，導(dǎo)致電子水泵工作時(shí)水泵水室上方成為局部高點(diǎn)，且膨脹水壺補(bǔ)水需要克服一定的重力才能進(jìn)入水泵，補(bǔ)水不順暢，即使控制水泵轉(zhuǎn)速達(dá)到標(biāo)定轉(zhuǎn)速100%，水泵流量及功率均小于目標(biāo)值。將透明電子水泵從缸體安裝位置取下，旋轉(zhuǎn)電子水泵安裝角度，使水泵出水口向上，同時(shí)降低安裝高度，使得補(bǔ)水口與水泵入口平齊，且補(bǔ)水管斜向上布置，避免高低折拐，用相同的方法對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行加注及充分排氣后，透明電子水泵水室內(nèi)已充滿冷卻液，且運(yùn)行中未發(fā)現(xiàn)氣泡，可進(jìn)行下一步試驗(yàn)。綜上分析，因電子水泵由電機(jī)驅(qū)動，布置位置相對自由，受限于整車布置電子水泵出水口與發(fā)動機(jī)入水口需通過管路連接，適當(dāng)降低水泵安裝高度使水泵入口與補(bǔ)水口平齊，避免水泵出水管路的高低折拐，膨脹水壺補(bǔ)水亦大大改善，使得水泵靜止及運(yùn)轉(zhuǎn)條件下水室內(nèi)部均能充滿冷卻液，保障水泵正常工作。

3.電子水泵與發(fā)動機(jī)匹配分析

3.1各支路流量及壓損分析

電子水泵與發(fā)動機(jī)匹配臺架試驗(yàn)，目的之一是與冷卻系統(tǒng)一維仿真分析中散熱器全開條件下流量及壓力分布結(jié)果進(jìn)行對比分析，評估整個(gè)冷卻系統(tǒng)各支路流量，以及各零部件包括缸蓋/缸體水套、散熱器、機(jī)油冷卻器、暖風(fēng)等零部件壓力損失是否滿足設(shè)計(jì)要求，從而為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供方向及數(shù)據(jù)支撐。其中散熱器、暖風(fēng)和機(jī)油冷卻器的流量及壓損分布實(shí)測結(jié)果均滿足仿真需求，誤差很小。而機(jī)體流量，即缸體/缸蓋總流量與仿真結(jié)果基本相符，但流量分配比例偏離較大，缸體流量偏大。水套隔板泄漏時(shí)，流經(jīng)排氣側(cè)上下水套的冷卻液流速明顯降低，流量減小。原因?yàn)楦舭逍孤┰斐缮蠈铀變?nèi)的部分冷卻液提前進(jìn)入下層水套，缸體內(nèi)冷卻液流經(jīng)管路距離減小，阻力降低，缸體總流量增大，但排氣側(cè)水套流量減小，排氣側(cè)水溫反而高，冷卻液存在局部過熱，與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

3.2水泵流量對熱平衡的影響

調(diào)整電子水泵流量及風(fēng)機(jī)風(fēng)量使得發(fā)動機(jī)出水溫度為105℃，散熱器溫差6.9℃，達(dá)到初始熱平衡;保持風(fēng)機(jī)風(fēng)量不變，降低水泵轉(zhuǎn)速以降低散熱器流量，使發(fā)動機(jī)達(dá)到新的熱平衡。

4.TMM開啟特性分析

4.1球閥開啟流量特性

通過分析各支路流量與球閥開度的關(guān)系，得到球閥開啟特征值。結(jié)果顯示Block全開與Bypass初關(guān)的球閥開度特征值與設(shè)計(jì)值基本相符，但其他的球閥開度特征值與設(shè)計(jì)值均有不同程度的提前或滯后，且Block全開、RAD初開、Bypass全關(guān)臨界點(diǎn)，各支路流量均發(fā)生突變。

4.2球閥開啟特性分析與優(yōu)化

TMM球閥開口通過球形倒角過渡，當(dāng)球閥處于該邊界位置時(shí)，球閥倒角的外側(cè)阻斷了TMM球閥開口與某一支路的連通，此時(shí)流量為0，一旦越過該邊界位置，倒角位置流通面積瞬間增大，引起流量突變。

結(jié)束語

（1）電子水泵的布置對電子水泵水室內(nèi)氣體排空有較大影響，將水泵出水口朝上布置，補(bǔ)水口與水泵入口平齊，可有效避免管路高低折拐，補(bǔ)水更順暢，有效排盡水室內(nèi)空氣;（2）該電子水泵可滿足發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真需求，缸體缸蓋水套分層設(shè)計(jì)使得電子水泵在降低流量時(shí)，直接影響燃燒室附近的換熱情況，減少冷卻液帶走的熱量，提高熱效率，更大程度發(fā)揮電子水泵的作用，但水套隔板設(shè)計(jì)時(shí)需避免水套隔板變形引起泄漏;（3）溫控模塊開啟流量分布，大小循環(huán)交叉位置居中，流量分配合理;球閥開口使用水滴形設(shè)計(jì)代替圓弧狀設(shè)計(jì)，可使球閥開口與各支路相接或相離時(shí)流通面積緩慢增加，實(shí)現(xiàn)流量平緩變化。

參考文獻(xiàn)：

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