發(fā)動機(jī)主動熱管理系統(tǒng)臺架耐久試驗(yàn)研究

楊競 孟亞鵬 范韜

摘要： 針對搭載主動熱管理系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)進(jìn)行臺架耐久試驗(yàn)研究，對比研究了主動熱管理系統(tǒng)的三種工作模式在不同的耐久試驗(yàn)規(guī)范下的試驗(yàn)特性，研究表明，主動熱管理系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)定自行工作將會提高暖機(jī)速度。在規(guī)范A試驗(yàn)過程中，散熱器冷卻水溫度低于其他兩種模式，出水溫度、缸頭溫度、缸體溫度則高于其他兩種模式。主動熱管理系統(tǒng)的三種工作模式在規(guī)范B試驗(yàn)中，旁通溫度、進(jìn)水溫度、出水溫度、缸頭溫度、缸體溫度加熱階段表現(xiàn)相同，而工作模式對于冷卻液流量影響最大，對機(jī)油溫度無影響，主動熱管理系統(tǒng)的工作模式對發(fā)動機(jī)的性能無影響。

Abstract： The bench endurance test of the engine equipped with the active thermal management system is carried out. The test characteristics of the three working modes of the active thermal management system under different endurance test specifications are compared and studied. The research shows that the active thermal management system is calibrated by itself work will increase the warm-up speed. During the specification A test， the radiator cooling water temperature is lower than the other two modes， while the outlet water temperature， cylinder head temperature， and cylinder block temperature are higher than the other two modes. The three working modes of the active thermal management system in the specification B test， the bypass temperature， the inlet water temperature， the outlet water temperature， the cylinder head temperature， the cylinder body temperature heating stage behave the same， and the working mode has the greatest influence on the coolant flow rate， and no influence on engine oil temperature， and the working mode of the active thermal management system has no influence on the performance of the engine.

關(guān)鍵詞： 熱管理;臺架;耐久;模式

Key words： thermal management;bench;durability;mode

中圖分類號：S219.031? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）17-0022-02

0? 引言

主動熱管理系統(tǒng)（ATM，Active Thermal Management）是新開發(fā)的一種由可變電子水泵、MRV（Main Rotating Valve）、BRV（Block Rotating Valve）和若干遍布于發(fā)動機(jī)本體上的水溫傳感器等模塊構(gòu)成的新型熱管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)最大的亮點(diǎn)就是可以對發(fā)動機(jī)內(nèi)的缸體、缸蓋、排氣、機(jī)油等進(jìn)行分離式冷卻。筆者相信主動熱管理系統(tǒng)將會是未來內(nèi)燃機(jī)的標(biāo)配技術(shù)[1-2]。

本文在發(fā)動機(jī)耐久試驗(yàn)臺架，將搭載有主動熱管理系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)和臺架冷卻系統(tǒng)耦合，通過主動熱管理系統(tǒng)三種工作模式在不同的耐久試驗(yàn)規(guī)范中研究了其試驗(yàn)特性，分析了主動熱管理系統(tǒng)的工作特點(diǎn)。

1? 試驗(yàn)臺的構(gòu)

1.1 發(fā)動機(jī)參數(shù)? 本文在一臺1.5L渦輪增壓直列四缸發(fā)動機(jī)上展開研究，發(fā)動機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

1.2 主動熱管理系統(tǒng)原理? 圖1是基于試驗(yàn)的發(fā)動機(jī)主動熱管理系統(tǒng)原理圖，主要包括：可變電子水泵、MRV、BRV、散熱器冷卻水溫度傳感器，進(jìn)水溫度傳感器，缸頭溫度傳感器，出水溫度傳感器，缸體溫度傳感器等水溫傳感器和機(jī)油溫度傳感器，主要工作原理是根據(jù)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，以及發(fā)動機(jī)各處的水溫傳感器所測量到的溫度，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速和MRV、BRV的球閥開度，調(diào)節(jié)各處的冷卻液的流量，實(shí)現(xiàn)和散熱器的熱量交換，保證發(fā)動機(jī)在最合適的水溫的狀態(tài)下工作。可變電子水泵自身有控制芯片，可以根據(jù)發(fā)動機(jī)的實(shí)時溫度情況進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)從而實(shí)現(xiàn)冷卻液流量控制，在發(fā)動機(jī)冷啟動時，電子水泵轉(zhuǎn)速較低，MRV和BRV閥接近0流量的控制，使發(fā)動機(jī)以最快的方式完成暖機(jī)，在其他的工況可以根據(jù)溫度傳感器數(shù)據(jù)，隨時修正水泵轉(zhuǎn)速，來控制冷卻液流量，保證發(fā)動機(jī)在最適合的溫度下工作，不僅可以降低油耗，還可以降低排放[3]。這跟傳統(tǒng)的機(jī)械水泵有著較大的區(qū)別，傳統(tǒng)的機(jī)械水泵的轉(zhuǎn)速隨著發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速按照固定的傳動比由皮帶驅(qū)動。MRV和BRV的作用主要有以下4個方面：①冷卻液回路流向和流量控制。②雙執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)分流式冷卻。③球閥旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)各對管口開度的控制。④回收EIM熱量，油冷器油溫按需管理。MRV主要負(fù)責(zé)外部循環(huán)，BRV主要負(fù)責(zé)內(nèi)部小循環(huán)。

1.3 臺架冷卻回路原理? 將試驗(yàn)樣機(jī)安裝在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架上，發(fā)動機(jī)從MRV模塊出來的冷卻液，經(jīng)過管道，到達(dá)臺架熱交換器，臺架的熱交換器替代了整車的散熱器，管道上布置有臺架出水溫度傳感器和臺架出水壓力傳感器，以及透明目視管，目視管可以監(jiān)控冷卻液的狀態(tài)，熱交換器根據(jù)臺架PID調(diào)節(jié)外部冷卻水流量，達(dá)到調(diào)節(jié)水溫的目的，然后經(jīng)過流量計，進(jìn)入發(fā)動機(jī)進(jìn)水端，進(jìn)水端布置有臺架進(jìn)水溫度傳感器和臺架進(jìn)水壓力傳感器，以及發(fā)動機(jī)線束上的傳感器，ECU散熱器出口溫度傳感器。臺架冷卻管路接有水箱，方便補(bǔ)充冷卻液，旁通溫度傳感器位于發(fā)動機(jī)的旁通管到進(jìn)入水泵的管路上。流量計和臺架傳感器均接入PUMA控制系統(tǒng)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.4 臺架的原理? 常規(guī)的發(fā)動機(jī)耐久臺架由控制室和測試間兩部分構(gòu)成，控制室中的AVL PUMA操作臺和ETAS INCA軟件和其他采集設(shè)備組成，PUMA系統(tǒng)的主要作用是采集記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)行自動程序等。臺架測試間中包括測功機(jī)、發(fā)動機(jī)、發(fā)動機(jī)小車，以及其他附屬能源供應(yīng)設(shè)備，發(fā)動機(jī)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備搭載在發(fā)動機(jī)小車上。試驗(yàn)過程中通過臺架溫度傳感器采集發(fā)動機(jī)的進(jìn)水、出水、旁通的溫度數(shù)據(jù)，用流量計采集管路中冷卻液的流量數(shù)據(jù)，發(fā)動機(jī)本體上的溫度傳感器通過ECU，由INCA軟件記錄相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2? 試驗(yàn)方法

耐久試驗(yàn)主要包括以下項(xiàng)目：暖機(jī)工況，性能確認(rèn)工況，企業(yè)耐久規(guī)范A和企業(yè)耐久規(guī)范B，本文基于上述的試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行試驗(yàn)。暖機(jī)工況主要是發(fā)動機(jī)啟動，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2000rpm，扭矩為70NM，暖機(jī)10分鐘。規(guī)范A的主要目的考核發(fā)動機(jī)本體結(jié)構(gòu)，超過90%的工況都在100%油門的狀態(tài)下進(jìn)行。規(guī)范B的主要目的是考核發(fā)動機(jī)的墊片，兩個規(guī)范均會在試驗(yàn)過程中考核發(fā)動機(jī)主動熱管理系統(tǒng)的工作狀態(tài)。規(guī)范B根據(jù)試驗(yàn)步驟進(jìn)行，主要特點(diǎn)是第1步驟到第12步為加熱階段，第13步到第19步為斷油斷火測功機(jī)倒拖冷卻階段，斷油斷火由ECU控制實(shí)現(xiàn)。

試驗(yàn)的主要條件是根據(jù)主動熱管理系統(tǒng)的標(biāo)定開發(fā)進(jìn)度，在臺架試驗(yàn)主動熱管理系統(tǒng)的工作狀態(tài)依次采用以下工作模式，模式一：固定水泵轉(zhuǎn)速、MRV和BRV開度到最大，模式二：水泵根據(jù)標(biāo)定自行工作（水泵on cal），固定MRV和BRV開度到最大，模式三：主動熱管理系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)定自行工作（on cal），根據(jù)這三個階段，在同一發(fā)動機(jī)上分別進(jìn)行耐久試驗(yàn)，每項(xiàng)試驗(yàn)進(jìn)行三次循環(huán)，取平均值，作為三項(xiàng)試驗(yàn)的最終結(jié)果。

3? 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 暖機(jī)工況對比? 試驗(yàn)結(jié)果表明：主動熱管理系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)定自行工作暖機(jī)效果最好，缸頭溫度不到300s就達(dá)到80℃，而固定水泵轉(zhuǎn)速、MRV和BRV開度到最大需要550s缸頭溫度才能達(dá)到80℃，主動熱管理系統(tǒng)on cal暖機(jī)工況水溫上升時間縮短了45.5%。水泵根據(jù)標(biāo)定自行工作（水泵on cal），固定MRV和BRV開度到最大，缸體溫度400s就可以達(dá)到80℃。

3.2 性能確認(rèn)工況對比? 性能確認(rèn)工況是發(fā)動機(jī)完成暖機(jī)后進(jìn)行的，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從1200rpm到6200rpm，油門保持100%。

試驗(yàn)結(jié)果表明：三種工作條件下，扭矩在各個轉(zhuǎn)速情況下基本無差別。主要原因是因?yàn)樾阅艽_認(rèn)是在暖機(jī)完成條件下進(jìn)行的，發(fā)動機(jī)都處于較好的工作狀態(tài)，三種工作模式對發(fā)動機(jī)性能無影響。

3.3 規(guī)范A對比? 規(guī)范A關(guān)注主動熱管理系統(tǒng)的五個發(fā)動機(jī)上的溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從發(fā)動機(jī)ECU獲得，從INCA軟件中記錄該數(shù)據(jù)。主動熱管理系統(tǒng)on cal工作模式下散熱器冷卻水溫度在試驗(yàn)過程中保持最低，主要原因是主動熱管理系統(tǒng)對冷卻回路進(jìn)行管理，相同工況下發(fā)動機(jī)由冷卻液帶出的熱量低于其他兩種模式。發(fā)動機(jī)進(jìn)水溫度傳感器位于水泵后端，主要是測量從熱交換器過來的冷卻水和缸體內(nèi)小循環(huán)的冷卻水混合由水泵泵入發(fā)動機(jī)內(nèi)部冷卻回路，試驗(yàn)結(jié)果表明，主動熱管理系統(tǒng)3種工作模式下，進(jìn)水溫度接近。發(fā)動機(jī)主動熱管理系統(tǒng)on cal的工作模式下，發(fā)動機(jī)的出水溫度、缸頭溫度、缸體溫度均高于其他兩種模式，主要原因是主動熱管理系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)定自行工作的模式下，會限制外部大循環(huán)，讓發(fā)動機(jī)熱量減少損耗，出水溫度、缸頭溫度和缸體溫度更高。

3.4 規(guī)范B對比? 和規(guī)范A不同，規(guī)范B關(guān)注旁通溫度、冷卻液流量、機(jī)油溫度、以及主動熱管理系統(tǒng)中五個溫度傳感器測量的溫度。加熱階段，主動熱管理系統(tǒng)on cal，在油門逐漸增加階段，旁通溫度上升速度較快，與暖機(jī)工況相吻合，但是對于負(fù)荷的變化，主動熱管理系統(tǒng)反應(yīng)更快。MRV、BRV全開，水泵on cal和固定轉(zhuǎn)速兩種模式下，旁通溫度近乎相同。而斷油斷火倒拖的冷卻階段，由于標(biāo)定控制，主動熱管理在標(biāo)定控制條件下水溫下降的最快。MRV、BRV全開、水泵on cal下降的最慢。后面不再贅述。

MRV、BRV開到最大，水泵固定轉(zhuǎn)速全試驗(yàn)過程流量最大，水泵on cal的流量次之，on cal模式流量最低，且隨著工況發(fā)生變化。

4? 3種工作模式下，機(jī)油溫度變化趨勢接近

3種工作模式下，散熱器冷卻水溫度對比，和規(guī)范A相同，加熱階段，主動熱管理系統(tǒng)on cal散熱器冷卻水在加熱階段上升速度低于其他兩種工作模式，主要原因是主動熱管理系統(tǒng)對冷卻回路進(jìn)行管理，相同工況下發(fā)動機(jī)由冷卻液帶出的熱量低于其他兩種模式。規(guī)范B試驗(yàn)中進(jìn)水溫度、出水溫度對比、缸頭溫度、缸體溫度，其規(guī)律和3種模式下旁通溫度的特性類似，原因也是一樣的。

5? 結(jié)論

①主動熱管理系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)定自行工作，暖機(jī)速度最快，缸頭溫度不到300s就達(dá)到80℃。比水泵根據(jù)標(biāo)定自行工作，和水泵固定轉(zhuǎn)速分別提高了25%和45.5%。②主動熱管理系統(tǒng)的工作模式對發(fā)動機(jī)的性能沒有影響。③主動熱管理系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)定自動工作，在規(guī)范A試驗(yàn)過程中，散熱器冷卻水溫度低于其他兩種模式，出水溫度、缸頭溫度、缸體溫度則高于其他兩種模式，主動熱管理系統(tǒng)的工作模式對進(jìn)水溫度無影響。④主動熱管理系統(tǒng)的3種工作模式在規(guī)范B試驗(yàn)中，旁通溫度、進(jìn)水溫度、出水溫度、缸頭溫度、缸體溫度加熱階段表現(xiàn)相同，而工作模式對于冷卻液流量影響最大，對機(jī)油溫度無影響。

參考文獻(xiàn)：

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