電氣化冷卻系統(tǒng)與發(fā)動機匹配試驗與分析

陽焱屏，林承伯，王延昭，郭遷，葉文臨

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434)

隨著智能技術(shù)的發(fā)展，汽車電子技術(shù)開始應(yīng)用于汽車行業(yè)，零部件電氣化已成為趨勢，電子控制模塊通過對運行工況的甄別，能夠使發(fā)動機各個系統(tǒng)、多個參數(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)動機的工作性能和熱負(fù)荷的控制局限性很大，因此電子水泵(Electric Water Pump，以下簡稱EWP)、電子節(jié)溫器、溫控模塊(Thermal Management Module，簡稱TMM)會成為未來發(fā)動機本體熱管理領(lǐng)域的主要研究及發(fā)展方向[1-2]。

研究對象為已完成冷卻系統(tǒng)電氣化設(shè)計的2.0 L自然吸氣發(fā)動機，該發(fā)動機搭載了電子水泵、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現(xiàn)精確控制水溫，以適配發(fā)動機在不同工況下的不同需求，最終實現(xiàn)縮短暖機時間，減少摩擦損失，節(jié)能減排的目的[3-8]。為分析電子水泵與該發(fā)動機的匹配性能，評估溫控模塊控制邏輯是否滿足設(shè)計要求，在發(fā)動機臺架上開展了匹配試驗，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，同時散熱器配備風(fēng)機，用于散熱器的冷熱交換，精確控制發(fā)動機出水溫度。

1 電子水泵選型及溫控模塊原理

該機型冷卻系統(tǒng)組成如圖1所示。冷卻液經(jīng)電子水泵加壓后分流三路：一路經(jīng)缸蓋，一路經(jīng)暖風(fēng)，一路經(jīng)缸體。其中前兩個支路混合后由入口in_1進(jìn)入TMM，而缸體支路由入口in_2進(jìn)入TMM。TMM出口out_1為散熱器，經(jīng)散熱器后回到電子水泵前；出口out_2為小循環(huán)，直接回到電子水泵前。

圖1 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)示意

1.1 電子水泵選型計算

考慮整個冷卻系統(tǒng)包括發(fā)動機本體(缸蓋與缸體)水套、散熱器、機油冷卻器、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)動機標(biāo)定工況的冷卻需求，該發(fā)動機標(biāo)定工況下水泵揚程要求大于等于10 m@105 L/min[9]。

按照式(1)計算，電子水泵所需功率約為381 W，因此選配市場上現(xiàn)有的450 W電子水泵，電子水泵主要參數(shù)如表1所示。

(1)

式中：P為電子水泵功率；Q為水泵流量；H為水泵揚程；ρ為冷卻液密度；g為重力加速度；η為電子水泵效率(取45%)。

1.2 溫控模塊控制邏輯

溫控模塊(TMM)通過電機驅(qū)動球閥，調(diào)節(jié)球閥開口位置：當(dāng)球閥開口與對應(yīng)管路對齊，該支路打開；當(dāng)球閥開口與對應(yīng)管路錯開，該支路關(guān)閉；亦可實現(xiàn)半開閉的狀態(tài)。從圖1看出，TMM設(shè)計為二進(jìn)二出，二進(jìn)口分別為缸蓋+暖風(fēng)、缸體，二出口分別為散熱器、小循環(huán)。TMM改變球閥開度來調(diào)節(jié)缸體(Block)、散熱器(Radiator，以下簡稱RAD)及小循環(huán)(Bypass)流量分布。表2示出TMM球閥開度特征值，體現(xiàn)的是各支路初開、全開、初關(guān)、全關(guān)等特征狀態(tài)下球閥開度設(shè)計值。

球閥開度與各個支路流通面積的關(guān)系如圖2所示。將溫控模塊球閥開度定義為5個區(qū)間，因缸蓋支路常開，不作詳細(xì)說明。

圖2 球閥開度與支路流通面積的關(guān)系

區(qū)間1：Bypass支路全開，RAD和Block支路全關(guān)。此時冷卻液經(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球閥開口與兩個入口和兩個出口均有重疊。

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。往膨脹水箱緩慢加注冷卻液，直至充滿膨脹水箱，此時電子水泵不能完全接觸到冷卻液[10-12]，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。且水泵無論運轉(zhuǎn)多長時間，水泵殼體水室內(nèi)上方的空氣始終無法排盡(見圖3)。

圖3 水室情況

結(jié)合當(dāng)前系統(tǒng)布置狀態(tài)(見圖4)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水口布置，導(dǎo)致電子水泵工作時水泵水室上方成為局部高點，且膨脹水壺補水需要克服一定的重力才能進(jìn)入水泵，補水不順暢，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。

圖4 當(dāng)前布置

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，同時降低安裝高度，使得補水口與水泵入口平齊，且補水管斜向上布置，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(見圖5)，且運行中未發(fā)現(xiàn)氣泡，可進(jìn)行下一步試驗。

圖5 調(diào)整水泵布置

綜上分析，因電子水泵由電機驅(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水口平齊，避免水泵出水管路的高低折拐，膨脹水壺補水亦大大改善，使得水泵靜止及運轉(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)動機匹配臺架試驗，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、機油冷卻器、暖風(fēng)等零部件壓力損失是否滿足設(shè)計要求，從而為設(shè)計優(yōu)化提供方向及數(shù)據(jù)支撐[13]。

圖6、圖7分別示出仿真與實測各支路流量、壓損對比。其中散熱器、暖風(fēng)和機油冷卻器的流量及壓損分布實測結(jié)果均滿足仿真需求，誤差很小。而機體流量，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。

圖6 仿真與實測流量對比

圖7 仿真與實測壓損對比

基于上述異常結(jié)果，測量標(biāo)定工況內(nèi)各測點溫度分布，發(fā)現(xiàn)缸體上層水套出水溫度反而比缸體出水溫度高。結(jié)合缸體水套結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，該機型缸體水套通過隔板分成上下兩層，冷卻液從前端排氣側(cè)進(jìn)入上層水套，先后流經(jīng)進(jìn)氣側(cè)、排氣側(cè)，回到上層水套入口臨近位置，通過水套隔板上下通道進(jìn)入下層水套。隨冷卻液流向水溫應(yīng)逐漸升高，與試驗結(jié)果相反，可能原因為排氣側(cè)水套隔板發(fā)生泄漏。假定排氣側(cè)水套隔板發(fā)生泄漏(見圖8)，利用STAR CCM+進(jìn)行仿真分析，對比水套隔板正常及泄漏情況下冷卻液流速分布，如圖9、圖10所示。

圖8 水套隔板泄漏位置設(shè)定

圖9 水套隔板正常時流速分布

圖10 水套隔板泄漏時流速分布

水套隔板泄漏時，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。原因為隔板泄漏造成上層水套內(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，與試驗結(jié)果相吻合。

3.2 水泵流量對熱平衡的影響

圖11示出某中速中等負(fù)荷工況下，電子水泵流量對發(fā)動機熱平衡的影響。調(diào)整電子水泵流量及風(fēng)機風(fēng)量使得發(fā)動機出水溫度為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)動機達(dá)到新的熱平衡。

圖11 水泵流量對熱平衡的影響

結(jié)果顯示，調(diào)整電子水泵占空比降低水泵轉(zhuǎn)速，散熱器流量為23.6 L/min時，發(fā)動機進(jìn)水溫度迅速降低，出水溫度則緩慢升高，原因是水泵轉(zhuǎn)速降低，流經(jīng)散熱器的冷卻液流量降低，在風(fēng)機風(fēng)量保持不變的情況下，散熱器出水(發(fā)動機進(jìn)水)溫度降低。

出水溫度升高是當(dāng)前流量及風(fēng)機風(fēng)量達(dá)到新的熱平衡的體現(xiàn)，響應(yīng)時間較長，故而升高趨勢較緩。

發(fā)動機進(jìn)出水溫差升高至16.9 ℃，是進(jìn)出水溫度變化的疊加作用的結(jié)果。圖11中所示冷卻液帶走的熱量通過式(2)計算：

Q=Cp×m×ΔT。

(2)

式中：Q為冷卻液帶走的熱量；Cp為冷卻液比定壓熱容；m為冷卻液流量；ΔT為冷卻液溫差。

由圖11可知，當(dāng)流經(jīng)散熱器的冷卻液流量降低至23.6 L/min時，冷卻液溫差增大，冷卻液帶走的熱量相對于初始熱平衡減小2.6 kW。根據(jù)發(fā)動機能量分布，其中部分熱量將轉(zhuǎn)化成指示功，一部分轉(zhuǎn)化成排氣能量[14]。尤其是該發(fā)動機缸體及缸蓋水套均采用上下分層設(shè)計，水泵流量減小，發(fā)動機進(jìn)水溫度變低，缸蓋下層水套及缸體上層水套沿冷卻液流動方向處于上游位置，冷卻液溫度降低，大大改變了燃燒室附近機體換熱，可一定程度上提高熱效率，降低油耗。

4 TMM開啟特性分析

TMM通過控制球閥開度來調(diào)節(jié)缸體流量、大/小循環(huán)流量分布，試驗時對各支路流量進(jìn)行監(jiān)控測量，得到流量分布特性及球閥開度特征值，進(jìn)一步分析球閥形狀及控制邏輯是否滿足使用需求。

4.1 球閥開啟流量特性

各支路的流量分布隨TMM球閥角度的變化如圖12所示。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)果見表3。結(jié)果顯示Block全開與Bypass初關(guān)的球閥開度特征值與設(shè)計值基本相符，但其他的球閥開度特征值與設(shè)計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，各支路流量均發(fā)生突變。

圖12 TMM球閥開啟流量特性分布

表3 球閥開度特征值

結(jié)合圖12、表2進(jìn)行分析，Block初開、RAD初開、Bypass全關(guān)時的球閥角度與設(shè)計不符，主要是受各支路初開或全關(guān)時流量突變影響，任一支路的流量突變對水溫的精準(zhǔn)控制及散熱控制均不利；另一方面，RAD全開角度較設(shè)計值提前了16%，即散熱器初開到全開過程對應(yīng)的球閥角度范圍變窄，且小循環(huán)關(guān)閉和散熱器完全開啟間隔非常小(區(qū)間4)，不利于高熱負(fù)荷工況水溫的精準(zhǔn)控制，需要進(jìn)一步優(yōu)化球閥形狀。

4.2 球閥開啟特性分析與優(yōu)化

圖13示出球閥開口剖面圖，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，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。

圖13 球閥開口剖面圖

解決流量突變的關(guān)鍵在于優(yōu)化球閥開口形狀，使得球閥開口與支路管路在對齊或錯開的過程中，流通截面積緩慢增加。圖14示出優(yōu)化前后球閥開口形狀展開圖。優(yōu)化后的球閥開口形狀設(shè)計成水滴形，從而實現(xiàn)流通面積緩慢過渡。另一方面，針對散熱器全開角度提前16%的問題，優(yōu)化了球閥開口長度及寬度。優(yōu)化前后的球閥開啟流量特性如圖15所示，優(yōu)化后各支路流量突變已徹底解決，且球閥特征開啟角度與設(shè)計目標(biāo)相吻合，滿足使用需求。

圖14 球閥開口形狀展開示意

圖15 優(yōu)化前后球閥開啟流量特性對比

5 結(jié)論

a) 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，補水口與水泵入口平齊，可有效避免管路高低折拐，補水更順暢，有效排盡水室內(nèi)空氣；

b) 該電子水泵可滿足發(fā)動機冷卻系統(tǒng)仿真需求，缸體缸蓋水套分層設(shè)計使得電子水泵在降低流量時，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)計時需避免水套隔板變形引起泄漏；

c) 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)計代替圓弧狀設(shè)計，可使球閥開口與各支路相接或相離時流通面積緩慢增加，實現(xiàn)流量平緩變化。