關(guān)于車輛發(fā)動機(jī)恒溫冷卻節(jié)能系統(tǒng)的研究

張海花 張明偉 姚興 趙偉劍 李澗 賈旺旺

摘 要：作為機(jī)動車的核心部分，發(fā)動機(jī)決定著機(jī)動車的動力性、穩(wěn)定性和環(huán)保性。如何將受熱零件吸收的多余熱量及時散發(fā)，從而保證發(fā)動機(jī)在最合適的溫度狀態(tài)下工作，冷卻系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。但傳統(tǒng)汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)存在水氣溫度變化大、有效功率低、壽命低、風(fēng)扇噪聲高等缺點，研發(fā)一款節(jié)能、高效、靈活、環(huán)保的新型車輛發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)有著非常重要的意義。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī);冷卻系統(tǒng);機(jī)動車輛;節(jié)能

隨著人們生活品質(zhì)的日益提高，家用車和其他機(jī)動車的數(shù)量不斷增大，導(dǎo)致現(xiàn)代車用發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的熱流密度不斷增大。目前發(fā)動機(jī)行業(yè)面臨著如何解決高功率密度下的冷卻及熱平衡問題;此外，日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)也對冷卻系統(tǒng)提出了新的要求，傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)不能全面適應(yīng)發(fā)動機(jī)實際運行時的冷卻需求，從而研發(fā)一款低功耗、低噪音、高壽命的智能發(fā)動機(jī)恒溫節(jié)能冷卻系統(tǒng)十分必要。

1 總體技術(shù)

發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的核心作用就是冷卻發(fā)動機(jī)，確保發(fā)動機(jī)在正常的溫度范圍內(nèi)工作。發(fā)動機(jī)工作時，其溫度可高達(dá)2000℃，若不能采取有效冷卻手段，不僅會使發(fā)動機(jī)過熱導(dǎo)致充氣效率下降、燃燒不正常、機(jī)油變質(zhì)、零件磨損加劇，甚至?xí)斐蓹C(jī)件卡死或燒毀等事故性損傷。因此，必須對發(fā)動機(jī)進(jìn)行適當(dāng)冷卻，保證發(fā)動機(jī)始終處在最適宜的溫度狀態(tài)下工作。

《汽車發(fā)動機(jī)恒溫冷卻節(jié)能系統(tǒng)》項目的核心技術(shù)原理為：根據(jù)ECU監(jiān)測到的各換熱器介質(zhì)溫度，通過PID算法控制系統(tǒng)的冷卻強(qiáng)度。兩個換熱系統(tǒng)均采用完全獨立的電驅(qū)動風(fēng)扇作為冷卻源，滿足各部分冷卻介質(zhì)的恒溫控制，提高效率。該冷卻系統(tǒng)功率消耗小于發(fā)動機(jī)輸出功率的2%，可降低大于8%的油耗，減少約8分貝的噪音，提高了發(fā)動機(jī)的使用壽命。

2 溫控原理

發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)傳感器會把中冷器進(jìn)氣口溫度、散熱器進(jìn)水口溫度實時傳遞給ECU控制器，ECU控制器會根據(jù)預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行判斷是否啟動風(fēng)機(jī)和風(fēng)扇。為了達(dá)到溫度預(yù)設(shè)值，ECU控制器會控制冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇運轉(zhuǎn)對中冷器和水箱進(jìn)行散熱，從而保證發(fā)動機(jī)始終在正常溫度范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)工作。整個溫控使用PID算法，通過判斷當(dāng)前溫度與設(shè)置溫度的差值，不斷地調(diào)整占空比，進(jìn)而影響風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，縮小差距，使溫度不斷逼近設(shè)置值，實現(xiàn)精準(zhǔn)控制。當(dāng)與預(yù)設(shè)值的差值較大時，能加大散熱力度，當(dāng)與預(yù)設(shè)值差值較小時，散熱力度則會減弱，最終成功實現(xiàn)節(jié)能減排的效果。此方案相比傳統(tǒng)式串聯(lián)散熱系統(tǒng)更加高效。

3 PID算法公式

3.1 傳感器系統(tǒng)（精準(zhǔn)測量）：

溫度傳感器總成、轉(zhuǎn)速傳感器、儀表顯示裝置。

其中精密靈敏的水溫和中冷溫度傳感器可實時檢測溫度變化。使用數(shù)字化顯示，數(shù)據(jù)更新連續(xù)，顯示參數(shù)齊全，直觀簡潔。而且傳感器皆為模塊化設(shè)計，便于維護(hù)維修，對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。

3.2 散熱器和冷卻系統(tǒng)（獨立節(jié)能）：

冷卻系統(tǒng)一體化無刷直流電驅(qū)風(fēng)扇（發(fā)明專利）、散熱器、中冷器、油冷器、護(hù)風(fēng)罩、引風(fēng)罩、車用快速泄放閥（發(fā)明專利）、懸置系統(tǒng)。

發(fā)動機(jī)水冷式冷卻系統(tǒng)主要由水泵、散熱器、冷卻風(fēng)扇、補(bǔ)償水箱、節(jié)溫器、發(fā)動機(jī)機(jī)體、氣缸蓋中的水套等部分組成。

整體冷卻系統(tǒng)包含水冷，中冷，油冷三種不同的工作組。

其中，水冷系統(tǒng)通過水泵使環(huán)繞在氣缸水套中的冷卻液加快流動，通過行駛中的自然風(fēng)和電動風(fēng)扇，使冷卻液在散熱器中進(jìn)行冷卻，冷卻后的冷卻液再次引入到水套中，周而復(fù)始，實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)的冷卻。

中冷器是增壓系統(tǒng)的重要組成部件。在增壓器與發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管之間安裝中冷器，起到冷卻空氣的作用，高溫空氣經(jīng)過中冷器的冷卻，再進(jìn)入發(fā)動機(jī)中。在相同的條件下，增壓空氣的溫度每下降10℃，發(fā)動機(jī)功率就能提高3%～5%。

油冷器，一般有兩側(cè)，熱側(cè)是潤滑油或燃油，冷側(cè)是冷卻水或空氣。車輛在行駛過程中，各大潤滑系統(tǒng)中潤滑油依靠油泵動力，經(jīng)過機(jī)油冷卻器熱側(cè)通道，將熱量傳給機(jī)油冷卻器的冷側(cè)，而冷卻水或冷風(fēng)則通過機(jī)油冷卻器冷側(cè)通道將熱量帶走，實現(xiàn)冷熱流體之間的熱交換，確保潤滑油處于最合適的工作溫度。

不同的冷卻工作組采用完全獨立的電驅(qū)動風(fēng)扇作為冷卻源，滿足各系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)的恒溫控制，有效控溫。同時中冷器加大“液——氣”溫差，滿足進(jìn)氣系統(tǒng)，依靠渦輪增壓器來加大發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量，利用發(fā)動機(jī)排出的廢氣作為動力來推動渦輪室內(nèi)的渦輪（位于排氣道內(nèi)），渦輪又帶動同軸的葉輪（位于進(jìn)氣道內(nèi)），葉輪壓縮由空氣濾清器管道送來的新鮮空氣，再送入氣缸。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速加快，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步加快，空氣壓縮程度就得以加大，發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量就相應(yīng)地得到增加，促進(jìn)渦輪發(fā)動機(jī)工作，提高輸出功率。

另一方面，獨立工作的電驅(qū)風(fēng)扇能實現(xiàn)無履帶無離合器的無極變速，即連續(xù)獲得變速范圍內(nèi)任何傳動比的變速系統(tǒng)。實現(xiàn)任意風(fēng)速，按需散熱，同時與散熱器和中冷器等貼合，實現(xiàn)一體化，減少卡頓和避免傳動的低效，加強(qiáng)散熱效果，使散熱系統(tǒng)的功耗和噪聲都大幅度降低。

4 特色和創(chuàng)新點

1.實時控制二個相互獨立的中冷系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)的風(fēng)扇，控制其冷卻強(qiáng)度。

2.二個換熱系統(tǒng)均采用完全獨立的電驅(qū)動風(fēng)扇作為冷卻源，滿足各系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)的恒溫控制。

3.采用PID溫度控制策略，精準(zhǔn)控溫，按需散熱。

4.組合式冷卻風(fēng)扇由ECU分別控制，水箱、中冷器獨立散熱。

5.無極變速，大幅度降低傳統(tǒng)機(jī)械式風(fēng)扇變速造成的卡頓以及噪聲和震動。

6.冷卻系統(tǒng)功率消耗小于發(fā)動機(jī)功率的2%，油耗降低大于8%，噪音減少約8分貝。

7.提高發(fā)動機(jī)的使用壽命，冷卻系統(tǒng)改裝后綜合氣耗下降7.5%，一年節(jié)約費用約8775元（不考慮購入散熱系統(tǒng)成本）。

8.節(jié)能、高效、靈活和環(huán)保

基金項目：本文是2019年國家大學(xué)生創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練“車輛發(fā)動機(jī)恒溫冷卻節(jié)能系統(tǒng)”（項目編號：201910595060）項目成果.

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