发动机热管理技术

发动机热管理技术

乔靖-2015520071 自从汽车产生以来，排放以及燃油经济性有关先进科学技术陆续应用到了内燃机上，汽车性能得到了明显的改善。在内燃机燃烧系统、气体热交换系统以及发动机控制系统的发展与改进方面都花费了大量的精力，为了提高发动机的性能，研究人员都在发动机及其动力总成上花费了很大的精力，收获却越来越小，成本越来越高。幸运的是，现代工业已经发现并探索出了“最后的领地”—发动机热管理。

1.发动机热管理系统概述

发动机热管理（ETMS, Engine Thermal Management System）是从系统整体角度，集成控制发动机的燃烧、增压与进排气、冷却系统和发动机舱等的传热，提高循环效率，减低热负荷，控制发动机部件高低温极限、温度分布及其规律变化，在提高发动机的冷却能力的同事，保持发动机良好的动力性、经济性、排放性能和可靠性。

应用发动机热管理系统技术，可以有效的将发动机中所涉及到的传热系统当作一个大的综合系统进行考虑并得到发动机各个热流系统的精确的边界参数，从而对各个热流系统的温度进行精确的控制，可以保证关键部件和系统安全高效运行，控制和优化热量传递过程，减小冷却系统的尺寸和功率消耗，合理利用热能，降低废热排放，提高能源利用效率，减少环境污染。发动机热管理与传统发动机的冷却系统有着显著区别。从发动机冷却到发动机热管理，不仅是技术上的进步，更是管理、设计思想的突破。发动机热管理技术已成为发动机节能、降低排放、提高动力性、可靠性及发动机寿命的重要措施。

2.发动机热管理的研究现状

国外大公司对动力系统主要部件及热管理部件如散热器、中冷器的研究已经相当成熟，系统匹配已经综合考虑整车动力性、经济性、排放、乘坐舒适性、可靠性等，并做到了智能化管理。并且国外整车公司于发动机公司都在做这方面的工作。而在国内将发动机热管理当作一个系统来进行考虑的比较少，这方面的工作基本局限于大学，整车企业和发动机企业只是刚开始，基本停留在冷却系统研究的初级阶段。主要还是对各子系统单独考虑，并在此基础上进行一些优化。整车和发动机企业缺乏合作研究，只是各自进行匹配，进行的工作也是基于冷却角度，不是热管理的角度，一般以要求发动机冷却系不过热为目的；只注重部件开发，不重视系统的匹配。没有能够意识到热管理系统对整车性能的影响，进而无法最合理的分配发动机所产出的能量，减少能量的无效损耗，将更多能量集中供给客车行驶；同时更好的控制发动机工作环境，延长发动机使用寿命。

3.发动机热管理系统优化

3.1热管理系统智能化控制

风扇传统的冷却系统中采用机械驱动的冷却风扇，风扇由发动机曲轴通过皮带驱动，冷却风量取决于发动机转速并与发动机的转速成正比，而非发动机实际运行时冷却量，无法对通过散热器的空气流量进行精确控制，从而难以使发动机在最佳的温度下工作，导致排放过高，燃料经济性和发动机性能变差。除此以外传统冷却风扇冷却调节的灵敏度不高，功率损失也很大，耗功严重，比如风扇消耗的功率可以达到发动机总功率输出的10%。为了解决这个问题就出现了自控电动风扇，电控风扇的转速能够根据冷却液温度和空气调节循环参数来调节，通

过传感器和计算机芯片根据实际的发动机温度控制运行，提供最佳的冷却介质流量和风扇转速，综合调节冷却能力，减少了在低温时发动机的传热损失、功率损失、和过度磨损，抑制了发动机过热的发生，降低了噪声和燃料消耗。冷却风扇由传统控制方式转化为智能控制方式，散热风扇的冷却能力随着发动机散热的需要而自动精确地调节，提高了发动机的预热速度，有效的防止水温过热或过冷，使其始终保持最佳工作温度，而且避免了能源的大量浪费，其中减少风扇功率消耗90%，节省燃油10%。另外，为提高冷却风扇的效率，用塑料翼形风扇取代

圆弧形直叶片冷却风扇；采用翼形断面塑料和流线型风罩，在风扇气流入口形成流线形气流，可提高风扇的液力效率。综合各项措施最终使电动风扇的效率达到85%。

水泵传统的机械驱动式冷却水泵由曲轴通过V带或齿轮驱动，运行速度

与发动机转速成正比，冷却介质流量取决于发动机转速。许多研究显示，传统水泵水量仅在5%的时间内正确，无法对通过散热器的冷却介质的流量进行精确控制，从而难以使发动机在最佳的温度下工作，导致燃料经济性和发动机性能不佳。而电控水泵由电机驱动，可以对流量进行独立控制。电控水泵由于不用曲轴驱动，安装位置比较灵活，可以优化水泵水利特性设计，同时由于不用齿轮或者带轮带动，减少了V带及齿轮对水泵轴承的循环侧向负载力，降低了驱动损失。电控

水泵根据发动机冷却要求而不是速度来供给冷却流量，避免了部分负荷及高速情况下的过冷状态，减少了不必要的功率消耗。国内郭新民等对装载机冷却系统控制装置进行了研究，利用单片机根据冷却水温度的变化调节电磁比例溢流阀的溢流量以实现冷却水泵转速的自动调节。结果表明，低温预热时，该控制装饰可使预热时间减少50%，提高了暖机速度，预热阶段节约燃油43%。1999年Valeo

公司提出了在发动机配置新型电子调节系统，来改善发动机的冷却性能。它实现了水泵和缸里的分离，泵的流量和通风装置都通过发动机的ECU来进行调整和控制，便于水泵的安装，而且远离缸体这一热源后，水泵可以用塑料制成，既降低了成本，又减轻了水泵的重量，达到了水泵的转速随水温的变化而变化，进一步降低了传热损失和机械损失，降低了污染和油耗的目的。Stepanoff曾提出高

效离心水泵和轴流水泵的设计理论，通过改变叶轮形状、提高表面光洁度，能使发动机冷却水泵的效率提高到75%。日本尼桑公司基于这一理论制造出了一种水泵，通过减小会泵的结构尺寸，该公司又通过增加叶片数目、改进叶片曲线设计，使水泵最大效率达到了75%。

节温器节温器功用是根据冷却水温度的高低自动调节进入散热器的水量，改变水的循环范围，以调节冷却系的散热能力，保证发动机在合适的温度范围内工作。节温器是内燃机冷却系统中控制冷却液流动路径的关键零部件，但是目前绝大多数的节温器都采用石蜡作为感温介质，其存在“相应延迟”和“滞回特性”，无法满足冷却系统精确控制的要求，致使发动机的燃油消耗增加，使用寿命缩短。为了进一步的提高发动机的冷却效率，电控节温器应运而生。电控节温器的控制系统有传感器、电机和控制模块组成，可以根据冷却液温度或者发动机部件温度来控制冷却液流量。当发动机运转时，控制单元根据传感器信号得出的计算值对温度调节单元加载电压，通过对加载电压大小的控制来控制石蜡的溶解速度，进而有效精确快速的控制大小循环的开度，使发动机各个部件始终处于最佳的温度范围，以提高燃油的燃烧效率，增加进气量，减少磨损，延长发动机的使用寿命。1997年，美国Oakland大学的X-ZHOU和B.CAHLON 等人引入带迟滞的延时差分方程来描述节温器在发动机冷却系统工作过程中的