PHEV發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱福堂，岳 輝，黃秋萍，張 明

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東，深圳 518118）

傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)是基于發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工況下的最大散熱量需求進(jìn)行設(shè)計(jì)的，這種粗放的設(shè)計(jì)方法無法同時(shí)兼顧到水泵的工作效率以及傳統(tǒng)蠟式節(jié)溫器的閥門開度、滯后性等因素，只能保證發(fā)動(dòng)機(jī)在任何工況下都不發(fā)生過溫等故障。因此，傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)通常在常溫及低溫環(huán)境下，大部分工況會(huì)出現(xiàn)過冷以及暖機(jī)時(shí)間長(zhǎng)等問題，直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、可靠性以及使用壽命[1-2]。

隨著越來越嚴(yán)苛的油耗標(biāo)準(zhǔn)以及排放標(biāo)準(zhǔn)，要求將各個(gè)工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)溫度控制在最佳工作區(qū)間，減小機(jī)械損失，提高熱效率[3-5]。本文以PHEV 2.0TGDI國(guó)六發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，基于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)，測(cè)試水泵在不同轉(zhuǎn)速下冷卻系統(tǒng)各支路流量分布情況和發(fā)動(dòng)機(jī)在不同負(fù)荷下的熱量分布及燃油消耗量情況，評(píng)估冷卻系統(tǒng)各部件性能匹配是否合理，從而指導(dǎo)熱管理系統(tǒng)方案制定。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)臺(tái)架測(cè)試

本次試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為2.0T國(guó)六發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)帶電子水泵和兩個(gè)蠟式節(jié)溫器，一個(gè)控制大循環(huán)高溫散熱器回路，一個(gè)控制變速器油冷器回路，副水箱水路連接節(jié)溫器入水口，氣路一端連接發(fā)動(dòng)機(jī)出水口，一端連接暖風(fēng)入水口除氣。具體原理如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)原理

1.1 試驗(yàn)臺(tái)架

為了測(cè)試某PHEV發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的能耗情況和溫度分布、流量分布，采用了試驗(yàn)設(shè)備以確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，設(shè)備主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、溫度、壓力、流量傳感器等。試驗(yàn)臺(tái)架如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)架

1.2 試驗(yàn)布點(diǎn)

本次試驗(yàn)分為兩個(gè)試驗(yàn)，一個(gè)是流量試驗(yàn)，測(cè)得不同工況下的冷卻系統(tǒng)流量分布，一個(gè)是熱量分布試驗(yàn)，測(cè)得不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)熱量分布和燃油消耗量情況。傳感器布局簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 傳感器布局簡(jiǎn)圖

1.3 流量試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)流量阻力分配試驗(yàn)通過ECU上位機(jī)來控制電子水泵轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度通過調(diào)節(jié)風(fēng)扇占空比來控制，測(cè)得不同水泵轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的流量分配和壓力分配。本次試驗(yàn)主要研究節(jié)溫器全開和節(jié)溫器全關(guān)時(shí)的冷卻系統(tǒng)流量分配。

1.3.1 節(jié)溫器全開流量分配分析

當(dāng)大循環(huán)節(jié)溫器開啟，變速器油冷器節(jié)溫器開啟時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)有大循環(huán)、小循環(huán)、變速器油冷器、前暖風(fēng)、后暖風(fēng)5條冷卻回路。各回路的流量及流量占比分布如圖4和圖5所示。

圖4 節(jié)溫器全開流量分布

圖5 節(jié)溫器全開流量占比分布

節(jié)溫器全開時(shí)，也就是在行車?yán)鋮s模式下，散熱器水流量占比均在60%左右，各支路流量分配較合理。

1.3.2 節(jié)溫器全關(guān)流量分配分析

當(dāng)大循環(huán)節(jié)溫器關(guān)閉，變速器油冷器節(jié)溫器關(guān)閉時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)此時(shí)僅有前暖風(fēng)、后暖風(fēng)、小循環(huán)3條冷卻回路。各回路的流量及流量占比分布如圖6和圖7所示。

圖6 節(jié)溫器全關(guān)流量分布

圖7 節(jié)溫器全關(guān)流量占比分布

大循環(huán)節(jié)溫器變速器節(jié)溫器全關(guān)時(shí)，此時(shí)小循環(huán)管路流量占比55%左右，前暖風(fēng)流量占比23%左右，后暖風(fēng)占比22%左右，在有采暖需求時(shí)，不為采暖提供能量的小循環(huán)管路流量占比過大，這一部分流量相當(dāng)于浪費(fèi)掉了，往往需要加大風(fēng)加熱PTC或水加熱PTC功率才能滿足采暖需求，造成水泵功耗偏大。

1.3.3 系統(tǒng)阻力匹配分析

對(duì)比系統(tǒng)阻力與水泵理想阻力曲線可知，冷卻系統(tǒng)阻力過大，如圖8所示，對(duì)應(yīng)的效率值在效率圖中的落點(diǎn)都在36%邊緣，如果落點(diǎn)在42%效率邊緣，可降低水泵功耗，通過優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)及降低各零部件阻力，可降低系統(tǒng)阻力。

圖8 冷卻系統(tǒng)阻力特性對(duì)比

圖9 冷卻系統(tǒng)效率落點(diǎn)對(duì)比

1.4 溫度試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)溫度試驗(yàn)通過EMS上位機(jī)控制電子水泵轉(zhuǎn)速和風(fēng)扇占空比，從而控制出水溫度，測(cè)得不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速負(fù)荷不同發(fā)動(dòng)機(jī)水溫下的發(fā)動(dòng)機(jī)性能數(shù)據(jù)。本次試驗(yàn)主要研究3個(gè)水溫下的發(fā)動(dòng)機(jī)性能：90 ℃、95 ℃、100 ℃。

1.4.1 不同負(fù)荷對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱量分配的影響（100 ℃）

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理能量流機(jī)理分析和熱力學(xué)第一定律可知，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油燃燒的熱量分別流向發(fā)動(dòng)機(jī)有效功、冷卻液帶走的熱量、排氣帶走的熱量和余項(xiàng)損失（發(fā)動(dòng)機(jī)輻射和未完全燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能等熱量）[6-7]。選取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3000 r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度為100 ℃的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

從整體變化趨勢(shì)來看，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的提高，除了余項(xiàng)損失，發(fā)動(dòng)機(jī)的其他部分負(fù)荷都在增加，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)燃油產(chǎn)生的總熱量增長(zhǎng)趨勢(shì)十分迅速，發(fā)動(dòng)機(jī)有效功的熱量和排氣帶走的熱量占了發(fā)動(dòng)機(jī)總熱量很大一部分，兩者之間基本保持相似增速。余項(xiàng)損失低負(fù)荷時(shí)熱量最大，然后逐漸減小，到60%負(fù)荷后逐漸升高。

由圖10可知，發(fā)動(dòng)機(jī)有效功和排氣帶走的熱量基本保持一致趨勢(shì)，帶走熱量最少的是余項(xiàng)損失。由圖11可知，所有熱量的占比都在40%以下，占比最大的是排氣帶走的熱量，在發(fā)動(dòng)機(jī)40%～80%負(fù)荷區(qū)間，排氣帶走的熱量約為33%左右，處在較高狀態(tài)，原因是該負(fù)荷區(qū)間1缸進(jìn)氣溫度較高，約為55～65 ℃左右，點(diǎn)火角推遲，造成渦前排溫偏高。其次低負(fù)荷工況下余項(xiàng)損失占比較高，也是需要優(yōu)化的部分。

圖10 不同負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)熱量分布

圖11 不同負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)熱量分布占比

1.4.2 不同出水溫度對(duì)燃燒熱量的影響

不同發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度下，發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油粘度、油耗等參數(shù)有所變化[8-9]，本次選取3000 r/min工況不同出水溫度的參數(shù)，具體變化趨勢(shì)如圖12所示。

圖12 不同出水溫度燃燒熱量變化

3000 r/min工況下，對(duì)比90 ℃、95 ℃、100 ℃，可以看出100 ℃下發(fā)動(dòng)機(jī)總發(fā)熱量最低，主要是隨著溫度升高，機(jī)油粘度升高，摩擦損失減少，油耗量減少，而發(fā)動(dòng)機(jī)有效功基本不變，從而發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒熱量下降。因此，100 ℃是發(fā)動(dòng)機(jī)適宜工作溫度，可以作為發(fā)動(dòng)機(jī)電子水泵目標(biāo)溫度制定的依據(jù)。

綜合上述分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)采暖過程中，小循環(huán)流量占比約55%，這一部分流量沒有作用，占比過大，相當(dāng)于能量浪費(fèi)，下一步可以通過優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)減小甚至取消小循環(huán)流量。

（2）冷卻系統(tǒng)阻力相比水泵理想阻力過大，造成水泵效率偏低，水泵功耗偏大，下一步優(yōu)化方向是減小系統(tǒng)阻力，減小水泵功耗。

（3）除了余項(xiàng)損失，發(fā)動(dòng)機(jī)各熱量均隨著負(fù)荷增加而增加。從熱量分布來看，排氣帶走的熱量占比最大，低負(fù)荷工況下余項(xiàng)損失占比較高。

（4）對(duì)比不同溫度，100 ℃發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度下的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒熱量最小，可以作為發(fā)動(dòng)機(jī)電子水泵策略目標(biāo)溫度制定的依據(jù)。

2 仿真分析與對(duì)標(biāo)

2.1 仿真模型搭建

根據(jù)某PHEV車型發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置圖，在AMESim軟件中搭建模型，如圖13所示。該車型采用2.0T發(fā)動(dòng)機(jī)，系統(tǒng)模型由缸體、缸蓋、渦輪增壓器、高溫散熱器、電子水泵、電子風(fēng)扇、節(jié)溫器、膨脹水箱、前后暖風(fēng)芯體、變速器油冷器、變速器節(jié)溫器及相應(yīng)管路組成，較為真實(shí)地反映了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行原理。

圖13 仿真模型

2.2 仿真結(jié)果及對(duì)標(biāo)

通過仿真分析，與臺(tái)架測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)標(biāo)。由圖14～15可知，節(jié)溫器全開和節(jié)溫器全關(guān)各工況流量仿真值與試驗(yàn)值均在5%以內(nèi)，說明仿真模型滿足精度要求。

圖14 節(jié)溫器全開各工況仿真對(duì)標(biāo)結(jié)果

圖15 節(jié)溫器全關(guān)各工況仿真對(duì)標(biāo)結(jié)果

3 方案評(píng)估及優(yōu)化分析

3.1 方案評(píng)估

某經(jīng)濟(jì)車型基于成本等因素考慮在原系統(tǒng)基礎(chǔ)上對(duì)暖風(fēng)支路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，需要對(duì)新方案進(jìn)行性能評(píng)估。具體方案如圖16所示：

圖16 某車型發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)新方案

對(duì)比原發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)（圖1）可知，新方案增加了發(fā)動(dòng)機(jī)油冷器，暖風(fēng)支路增加了四通閥來控制暖風(fēng)回路連通，采暖方案通過暖風(fēng)水泵、水暖PTC和暖風(fēng)芯體串聯(lián)取代原來的風(fēng)PTC方案。

仿真工況選取發(fā)動(dòng)機(jī)電子水泵常用工作轉(zhuǎn)速，分別取高轉(zhuǎn)速（5500 r/min）和中轉(zhuǎn)速（3000 r/min）工況進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果如圖17所示。

圖17 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)流量占比對(duì)比

由圖17可知，大循環(huán)開啟時(shí)（四通閥全關(guān)時(shí)），不同水泵轉(zhuǎn)速四通閥流量和小循環(huán)流量總占比均在34%左右，占比過大，這一部分流量相當(dāng)于能量浪費(fèi)，造成水泵電功耗偏高。

3.2 優(yōu)化分析

根據(jù)上述分析可知，四通閥流量和小循環(huán)管路流量在整個(gè)系統(tǒng)流量中占比過大，因此，其中一個(gè)優(yōu)化方向是減小或取消這一部分流量，減少水泵功耗。此外，現(xiàn)方案中水PTC與前后暖風(fēng)串聯(lián)，相當(dāng)于增加回路水阻，前后暖風(fēng)會(huì)較沒有水PTC時(shí)流量有所減小，因此，第2個(gè)優(yōu)化方向可以考慮在不使用水PTC加熱時(shí)使冷卻液不經(jīng)過水PTC，從而減小暖風(fēng)支路水阻，增大前后暖風(fēng)流量，有利于提高采暖效果。根據(jù)分析提出優(yōu)化方案，如圖18所示。

圖18 某車型發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)優(yōu)化方案

綜上可知，優(yōu)化新方案主要是取消了四通閥，采取了截止閥來控制暖風(fēng)支路和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)其他回路的關(guān)閉，并將暖風(fēng)水泵和水PTC回路與前后暖風(fēng)芯體并聯(lián)，然后再通過單向閥控制暖風(fēng)水泵和水PTC回路的流向。此外，還取消了小循環(huán)管路。

通過仿真分析，對(duì)比兩個(gè)方案的系統(tǒng)性能，具體如圖19～20所示。

圖19 不同方案系統(tǒng)流量對(duì)比

圖20 不同方案水泵功率對(duì)比

暖風(fēng)回路斷開時(shí)（HEV模式無采暖需求），兩種方案的發(fā)動(dòng)機(jī)油冷器流量差別不大，但新方案水泵電功耗比原方案下降了68.16%。暖風(fēng)回路串聯(lián)時(shí)（HEV模式有采暖需求），新方案水泵電功耗比原方案下降了23%，而且前后暖風(fēng)流量比原方案增加了27%。主要是因?yàn)樾路桨钢斜苊饬怂耐ㄩy短接支路流量和小循環(huán)支路流量的浪費(fèi)，從而降低了水泵功耗，并且暖風(fēng)回路串聯(lián)時(shí)，沒有流量經(jīng)過水PTC，整個(gè)暖風(fēng)支路的水阻相比原方案減小了，從而流量增大（滿足暖風(fēng)流量需求6 L/min）。

綜上所述，優(yōu)化方案從性能上比原方案更有優(yōu)勢(shì)，在相同暖風(fēng)芯體流量需求下，優(yōu)化方案水泵電功耗更低。

4 結(jié)論

本文基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試，對(duì)某PHEV整車的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析，得出以下結(jié)論：

（1）通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試分析可發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)采暖過程中，小循環(huán)流量占比約55%，這一部分流量沒有作用，占比過大，相當(dāng)于能量浪費(fèi)。冷卻系統(tǒng)阻力相比水泵理想阻力過大，造成水泵效率偏低，水泵功耗偏大。除了余項(xiàng)損失，發(fā)動(dòng)機(jī)各熱量均隨著負(fù)荷的增加而增加。從熱量分布來看，排氣帶走的熱量占比最大，低負(fù)荷工況下余項(xiàng)損失占比也較高。對(duì)比不同溫度，100℃發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度下的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒熱量最小，可以作為發(fā)動(dòng)機(jī)電子水泵策略目標(biāo)溫度制定的依據(jù)。

（2）根據(jù)臺(tái)架測(cè)試數(shù)據(jù)標(biāo)定基于AMESim建立的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真模型，模型精度均在5%以內(nèi)，通過優(yōu)化暖風(fēng)回路連接控制以及取消無效流量回路，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)水阻降低2.8%，電子水泵功耗下降23%，暖風(fēng)回路流量提高27%。

（3）試驗(yàn)結(jié)果表明，通過臺(tái)架測(cè)試和仿真優(yōu)化分析能夠有效指導(dǎo)PHEV熱管理系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，縮短了研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本。