冷卻系統(tǒng)智能化研究

李文娟 曲景陽

摘 要：車輛及發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展、能源與環(huán)境問題的涌現(xiàn)和人們使用需求的提升使冷卻系統(tǒng)的功能定義不斷演變、技術(shù)路徑不斷進(jìn)化、性能要求不斷提升。智能化是兼顧各種問題與需求的關(guān)鍵技術(shù)，是車輛及發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的進(jìn)化與發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：冷卻系統(tǒng);智能化

1.車輛冷卻系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析

從世界上第一輛三輪內(nèi)燃機(jī)汽車和四輪內(nèi)燃機(jī)汽車開始，至今車輛取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，同時(shí)給能源和環(huán)境帶來了前所未有的壓力，而人們的使用需求也發(fā)生了與日俱增的提升。與此同時(shí)，冷卻系統(tǒng)作為車輛及發(fā)動(dòng)機(jī)的重要子系統(tǒng)，其技術(shù)水平也取得了相應(yīng)發(fā)展，并扮演著愈加重要的角色。

在此期間，多氣門結(jié)構(gòu)、增壓中冷、直噴稀燃等技術(shù)的先后采用，使內(nèi)燃機(jī)的熱效率由最初的不足5%提高到最高可迗50%以上，越來越接近理論循環(huán)熱效率。同時(shí)，內(nèi)燃機(jī)的功率密度越來越高，熱負(fù)荷越來越大，散熱需求也越來越大。燃?xì)鈱?duì)燃燒室壁的放熱量約占燃料燃燒總放熱量的20%-30%，該部分熱量大部分由冷卻系統(tǒng)帶走并散失到大氣中;除此之外，增壓空氣、制冷劑、液壓油、變矩器油等流體介質(zhì)也需要通過冷卻系統(tǒng)來冷卻，增加了冷卻系統(tǒng)的散熱能力需求。另外，由于系統(tǒng)布置更加復(fù)雜、空間尺寸更加緊湊，冷卻系統(tǒng)需要在更惡劣的環(huán)境下以更高的效率進(jìn)行應(yīng)對(duì)。

另一方面，現(xiàn)行排放法規(guī)的排放測(cè)試循環(huán)中取消了發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后的息速40s暖機(jī)時(shí)間，并且初始測(cè)試溫度降至-7℃，有研究表明起動(dòng)出氣300s時(shí)間的CO和HC排放占整排放測(cè)試階段中的60%-80%。這意味著，暖機(jī)過程的冷卻狀況必須給予足夠重視。同時(shí)，為了抑制NOx排放，冷卻的廢氣再循環(huán)技術(shù)的采用，給冷卻系統(tǒng)的散熱能力進(jìn)一步施加了壓力。另外，有研究表明車輛冷卻系統(tǒng)僅在3-5%的運(yùn)行時(shí)間里工作在其設(shè)計(jì)能力狀態(tài)，其佘均處于冷卻能力過剩狀態(tài)，一方面增加發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦磨損，一方面增加水泵與風(fēng)扇的寄生損失，都給油耗水平帶來負(fù)面影響。不僅如此，在人們的使用需求方面，汽車已經(jīng)由最初的“沒有馬的馬車”演變?yōu)榧瘎?dòng)力性、舒適性以及功能性于一身的交通工具。冷卻系統(tǒng)需兼顧各項(xiàng)需求，不僅需要在高動(dòng)力輸出時(shí)保障車輛及發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性，又要在不論炎熱或寒冷的環(huán)境中保持乘員艙的適宜溫度，并降低運(yùn)行嗓聲。

2.冷卻系統(tǒng)零件的智能化趨勢(shì)

縱觀車用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的發(fā)展歷史，除新材料的使用外，推進(jìn)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)行技術(shù)路徑主要有三大類型：冷卻機(jī)制的優(yōu)化，主要代表是沸騰換熱技術(shù)應(yīng)用研究;冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)化，主要表現(xiàn)為分體式冷卻系統(tǒng)、多回路及多級(jí)冷卻系統(tǒng)的研究與應(yīng)用;冷卻系統(tǒng)的智能化，包括可控水系、可控風(fēng)扇、可控節(jié)溫器等部件的應(yīng)用與集成控制等。其中智能冷卻技術(shù)是未來滿足各種需求的關(guān)鍵技術(shù)，也是其他技術(shù)路徑得以實(shí)施的重要輔助手段。

3.車用發(fā)動(dòng)機(jī)智能冷卻系統(tǒng)的研究進(jìn)展

可控的冷卻風(fēng)扇：在汽車及內(nèi)燃機(jī)發(fā)展史上，最先實(shí)現(xiàn)可控的是冷卻風(fēng)扇?？煽氐睦鋮s風(fēng)扇按驅(qū)動(dòng)形式劃分主要有：離合器式風(fēng)扇、電子風(fēng)扇、液壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。相比之下，電子風(fēng)扇可以不受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速限制，可進(jìn)行獨(dú)立控制，而且可靈活布置。電子風(fēng)扇采用脈寬調(diào)制（PWM）方式進(jìn)行無級(jí)調(diào)速。該系統(tǒng)不僅提高了電能轉(zhuǎn)換效率，還實(shí)現(xiàn)了電子風(fēng)扇的無級(jí)調(diào)速，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

可控的冷卻水泵：以柴油機(jī)為主要?jiǎng)恿Φ纳逃密嚰疤胤N車型方面，見諸報(bào)道的以EMP公司的電子水果為主，并已形成系列，見圖該系列電子水系由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，體積小巧，采用混流設(shè)計(jì)。應(yīng)用于15L柴油機(jī)的電子水系與原機(jī)機(jī)械水系相比體積、重量均減少至少50%，可安裝在發(fā)電機(jī)下方，節(jié)約空間;電機(jī)可由通往外殼周圍的冷卻液來冷卻;此外，相比皮帶驅(qū)動(dòng)的機(jī)械水果可減小水系軸的彎曲應(yīng)力。許多相關(guān)研均基于EMP公司提供的電子水泵。

可控的節(jié)溫器：節(jié)溫器用來調(diào)節(jié)旁通管路的壓降，從而調(diào)節(jié)通過水箱和旁通的冷卻液流量。而可控的智能節(jié)溫器不應(yīng)只是用來調(diào)節(jié)冷卻液的混合從而決定冷卻液溫度，而是應(yīng)該可針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度進(jìn)行更復(fù)雜的控制早在1988年和1996年，便有研究者進(jìn)行了可控節(jié)溫器的原型設(shè)計(jì)及仿真研究現(xiàn)今可控的節(jié)溫器主要有兩種型式：電控蠟式節(jié)溫器和電子節(jié)溫器。兩種可控節(jié)溫器均可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制，其中電控錯(cuò)式節(jié)溫器體型較小，對(duì)原機(jī)改動(dòng)較小，但控制精度較低;電子節(jié)溫器可實(shí)現(xiàn)反饋控制，控制精度高，并且布置靈活，但成本較高，并且控制相對(duì)復(fù)雜。國內(nèi)成熟產(chǎn)品鮮見，控制策略尚處研究階段。

4. 系統(tǒng)集成開發(fā)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

智能冷卻系統(tǒng)的集成開發(fā)與相關(guān)研究已有20年歷史。智能冷卻系統(tǒng)在改善燃油經(jīng)濟(jì)性、延長機(jī)油使用壽命、減少有害物排放、延長發(fā)動(dòng)機(jī)壽命以及增加系統(tǒng)靈活性方面的具體效果一方面依托于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一方面決定于所采用的控制策略以及控制系統(tǒng)特性。國內(nèi)外見諸報(bào)道的相關(guān)研究更多的注重于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在控制方面多采用PID控制，但發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)是一個(gè)多輸入多輸出且存在非線性和滯后效應(yīng)的復(fù)雜系統(tǒng)，采用簡(jiǎn)單的PID控制算法，很難在復(fù)雜多變的實(shí)際使用工況下執(zhí)行多參數(shù)多目標(biāo)的精確控制。

另外，由于節(jié)能效果主要來自水泵和風(fēng)扇等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的寄生損失，那么對(duì)智能冷卻系統(tǒng)的可控水泵與可控風(fēng)扇等耗能部件進(jìn)行控制的過程中，在按需完成冷卻目標(biāo)的同時(shí)，應(yīng)兼顧部件耗能，以冷卻系統(tǒng)部件總功率最小化為控制原則。

5. 結(jié)語

智能冷卻系統(tǒng)的研究過程應(yīng)是由發(fā)動(dòng)機(jī)至整車、由實(shí)驗(yàn)室至產(chǎn)品的過程，但智能化并非孤立的技術(shù)手段，而與其他技術(shù)路徑相輔相承;智能冷卻系統(tǒng)各部件的運(yùn)行亦非孤立，而是依據(jù)車輛行駛路況及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的變化協(xié)同工作。正因如此，在車輛及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的全工況下針對(duì)多個(gè)目標(biāo)作系統(tǒng)化協(xié)調(diào)控制運(yùn)行才是智能冷卻系統(tǒng)技術(shù)的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.1

[2] 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)（第三版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011

[3] 姚仲鵬，王新國.車輛冷卻傳熱[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2001

[4] 楊世銘，陶文鈴.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1998B97283E5-BDC1-476E-94FC-122B046FFA45