現代發動機智能化熱管理系統模塊研究現狀與展望

謝孫寅

（同濟大學經濟與管理學院，上海 200092）

0 引言

隨著全球能源危機的出現以及汽車排放法規的越發嚴格，各個汽車制造商紛紛開始結合最新科技手段及先進的制造工藝，不斷降低汽車油耗以及所帶來的排放污染，而在其中汽車發動機熱管理系統一直是行業內所追捧的一個熱點，對于每個汽車制造商來說，如果能精確控制發動機溫度，就能更好地改善發動機的燃燒性能，從而能進一步發揮發動機的性能，這樣一來就能有效地提高發動機效率以及燃油經濟性，最終減少尾氣排放。

1 現代汽車發動機熱管理系統智能化概念簡述

現代汽車發動機熱管理系統已經成為各個汽車生產商進行節能減排的重要手段，而熱管理系統的智能化、結構優化和材料多元化是其中最主要的研究方向。其中發動機熱管理系統的智能化較早地被研發并且已經取得一定成果，研發生產出許多智能化的熱管理系統模塊。

發動機熱管理系統概念很早以前就已經提出，對于每個汽車生產商來說，其具體的含義有所不同，有些廠商會針對冷卻水泵進行智能化更新，有些廠商會對于節溫器進行智能化設計，更有甚者，會全新開發智能化控制的模塊取代冷卻系統內傳統的溫度控制部件，因此對于熱管理系統智能化，可謂是多種多樣，但最終的目的都是使汽車更加環保節能。

目前隨著計算機技術的不斷發展以及相關發動機電控技術的革新，越來越多的零部件廠商開始研究和開發機電一體化的產品，例如電控可變水泵、電子節溫器、電子風扇等一系列發動機冷卻系統部件，這些機電一體化產品都是通過安裝在其內部的傳感器以及控制芯片根據發動機實際工況進行溫度控制，以此來精確地控制冷卻液的流量及其溫度，最終使熱管理系統模塊控制智能化，降低了能耗，提高了效率。

2 國內外智能化熱管理系統模塊介紹

麥格納公司研發出電子可變水泵（見圖1），此電子水泵通過電控系統和計算機芯片，結合發動機實際的工況進行冷卻液流量控制，同時在汽車發動機冷啟動時，此電子水泵可以進行接近零流量的控制，以最快的速度給發動機冷卻液升溫，使潤滑油快速達到最佳工作溫度，減少因潤滑不佳造成的發動機機體磨損，當發動機在正常運行過程中，可以根據功率轉速進行實時修正冷卻液流量，以保證發動機在最佳的溫度工況下運作，最終能減少耗油1.5%左右，同時降低排放量。

美國伊頓公司在1998年提出了汽車發動機電子節溫器系統的概念。利用電動蝶閥對冷卻液的循環流量進行控制，并開發了相應的實驗研究。他們認為電控節溫器在提升車輛排放性和經濟性方面有著很大的潛力。

EMP 公司給美國陸軍的軍用貨車中安裝了一款先進的熱管理系統（見圖2），這個熱管理系統主要由電控風扇、電控水泵和電控節溫器組成，同時還添加了動力系統的散熱器和中冷器德散熱器以及混合水箱。該熱管理系統采用PID 控制方法，縮短暖機時間約50%，穩態下的燃油經濟性提升5%～20%。

Valeo Engine Cooling（VEC）公司早在1992 年就開發出一種發動機熱管理系統控制整個冷卻系統，這個系統主要由電控水泵、電子節溫器和電動風扇組成控制。電控水泵負責根據發動機轉速，通過電機驅動對冷卻液流量進行獨立控制。電子節溫器通過溫度傳感器傳輸信號，經過控制模塊策略處理，再發送信號給電機執行器運行，整個工作過程主要根據冷卻液溫度進行冷卻液流量控制。電動風扇轉速則被分成高速和低速2檔。該系統大約可以節省燃油消耗5%左右，同時還能有效地降低HC 排放達10%左右，但是由于發動機冷卻液溫度升高使燃燒溫度增加，導致NOX反而增加了10%～20%。

圖1 麥格納公司電子可變水泵

Valeo Engine Cooling VEC 公司在1999 年提出一種先進的發動機熱管理系統裝置THEMIS，其主要系統由電控水泵、電子節溫器和電控風扇組成，而其中風扇控制系統名叫FANTRONIC 系統，而水泵或者電子水閥控制被叫做PUMPTRONIC。整套系統有效地減少了噪音程度，CO 排放量減少20%和HC 降低10%并使NOX保持不變，同時也降低了汽車油耗2%～5%，改善了其舒適性能和發動機耐久性能。

郭新民等人對某款發動機的冷卻系統進行了詳細研究，由于此款發動機冷卻系統中的風扇和水泵由液壓馬達驅動，因此通過單片機根據冷卻水溫度的變化對電磁比例閥進行調節，控制溢流量，以此最終實現冷卻風扇和水泵轉速的自動調節。經過試驗表明，在冷啟動狀態下，發動機的預熱時間減少50%，大大提高了暖機速度，同時在預熱階段的燃油消耗量也減少了43%。

鄭州宇通集團有限公司在2007 年生產的客車首次采用了發動機熱管理技術，智能控制冷卻液溫度和風扇運行狀態，使客車發動機始終工作在最佳運行溫度，可使百公里油耗降低5%～10%。

舍弗勒公司在2011 年和奧迪汽車共同研發出一款發動機熱管理系統模塊（見圖3），此系統模塊被運用安裝在大眾最新EA888 第3 代發動機上，主要由DC 馬達、角度控制芯片、渦輪蝸桿機構以及2 個特殊設計的內置轉閥組成，運行方式通過發動機ECU 獲取各個部件內冷卻液溫度以及發動機的實際工況來對此模塊進行控制，有效并精確地管理發動機各個部件的溫度，從而替代了傳統的節溫器方是控制發動機溫度。根據實驗結果，此款熱管理系統可以有效減少發動機冷啟動時間，同時降低油耗達4%左右，大大增加了發動機各個部件的使用壽命，并減少了車廂內預熱時間達40%，此款熱管理系統模塊在節能減排、增加舒適性以及發動機耐久性方面都有著顯著的提高。小型化、集成化、高效率也是將來發動機熱管理系統模塊的重要的發展方向。

圖2 EMP 公司電控節溫器

圖3 舍弗勒公司發動機熱管理系統模塊

舍弗勒公司的發動機熱管理系統模塊由DC 電機馬達、位置度傳感器、渦輪蝸桿系統以及2 個特殊設計的球閥和相關密封圈組成。此款熱管理系統模塊也是通過接受車輛ECU 的相關轉速、扭矩以及水溫和油溫信號，設計控制策略，控制馬達的通電時長，來控制球閥開啟角度，同時經過角度傳感器的反饋信號給車輛ECU，ECU 再根據此角度信號來檢驗和精確控制整個系統模塊的運轉。

此款熱管理系統模塊優勢在于控制精度較高，共有4 個出口來控制流量，并且可以更加詳細且精確地根據不同的策略方案設計出不同的流量控制手段，以此可以更加合理和有效地控制整體發動機的冷卻溫度，進一步有效地達到節能減排的效果。

3 智能化熱管理系統模塊的發展趨勢

結合以上已投產的發動機智能化熱管理系統模塊可知，現有的發動機熱管理系統模塊都是以執行器的工作方式進行，并沒有將智能控制系統整合其中，目前階段的控制手段則都是由ECU 控制系統處理，而真正的熱管理系統模塊智能化必須擁有自我調節功能，因此如何設計系統優化控制策略和與發動機的運行狀態匹配成為未來發展的關鍵所在。根據以往的經驗來看，如何真正發揮熱管理系統的作用很大程度上取決于系統控制策略，而如何有效地控制水泵轉速、電子節溫器的開度大小以及電子風扇的運轉速度都需要進行大量的標定試驗，確保在實際運行過程中，可以根據實際發動機工作狀態進行相應調整，以此達到最佳的發動機工作溫度，縮短發動機冷啟動期間的升溫時間，最終實現節能減排的目的。

未來智能化的熱管理系統模塊不單單只是具有發動機冷卻液調節分配功能的執行模塊，更加需要有一個自主控制策略的模塊，成為發動機系統控制單元中的一個獨立控制分區，具有自行解析發動機運行狀況，并根據相應的控制策略結合從ECU 內部讀取的發動機各個運行參數進行自我調節控制，以此達到真正發動機智能化熱管理系統模塊。

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