發動機熱管理技術研究

張強 韓令海 王占峰 史鵬禮

（中國第一汽車集團有限公司 研發總院，長春 130013）

主題詞：發動機 熱管理 電子節溫器 電動水泵 智能熱管理

1 前言

面對日益嚴峻的環境問題，全球對汽車油耗及排放法規制定得越來越苛刻。其中發動機冷起動的油耗和排放又是法規中明確要求的關鍵工況，因此如何有效降低冷起動階段的油耗和排放就成為了各大汽車企業的研究重點。加上消費者對發動機動力性要求的不斷提高，排量小、動力高的增壓直噴發動機受到了行業的熱烈推崇。然而直噴發動機冷起動階段機油稀釋帶來機油液面升高、機油粘度降低從而導致燒瓦等問題又使得很多消費者對其望而卻步。要解決以上問題，設計一款符合消費者需要又能滿足法規的理想發動機，就不得不重視發動機熱管方案，優化發動機暖機時間。經研究證實，通過熱管理技術優化暖機時間可使燃油經濟性提升5%，HC排放降低20%左右[1]。

目前，發動機熱管理技術不止要考慮如何保證發動機大負荷工作環境下的散熱問題，而且要考慮如何保證發動機熱負荷的情況下盡量減少冷卻強度、降低冷起動工況冷卻液流量等。本文介紹了幾種典型的發動機熱管理技術，并對其優缺點、尤其在冷起動快速暖機方面進行了詳細的分析。

2 發動機熱管理技術概述

熱管理技術最早由美國載人空間站提出，在上世紀80年代，該技術是由國外一些汽車公司引入到發動機開發中的概念[2-5]。發動機熱管理系統主要由水泵、發動機水套、節溫器、暖風、散熱器及管路等部分組成。如圖1所示，通過水泵將散熱器中的冷卻液泵入到發動機水套內，冷卻液與發動機壁面通過熱交換帶走發動機燃燒產生的熱量，從而降低發動機熱負荷，降低其在大負荷工況下溫度過高的風險。冷卻液流出發動機后，分兩路分別流向節溫器和暖風散熱器，暖風水路在發動機任何工況下均處于流通狀態，以確保駕駛員根據需求隨時可通過暖風的熱交換將發動機熱機后的冷卻液的熱氣吹入駕駛室內。節溫器水路則在發動機內冷卻液溫度達到87℃前處于關閉狀態，以防止發動機冷起動狀態下過多的冷卻液流過發動機而增長發動機的暖機時間，當冷卻液溫度達到87℃后，節溫器打開，冷卻液流經節溫器后流入散熱器，經過散熱器降溫后的冷卻液再通過水泵進入發動機進行循環冷卻。

圖1 傳統熱管理系統原理圖

3 典型發動機熱管理技術

3.1 電子節溫器技術

電子節溫器技術與傳統熱管理方案相似，其主要差異在于將傳統的機械式節溫器（如圖2所示）更換成電子節溫器（如圖3所示）。傳統節溫器是將感應溫度的石蠟結構浸泡在發動機冷卻液中，當冷卻液溫度升高后，石蠟受熱膨脹后將節溫器閥門頂開，從而開啟冷卻系統大循環。

圖2 機械節溫器

圖3 電子節溫器

電子節溫器是通過ECU發送信號加熱電阻來實現石蠟加熱膨脹，從而開啟冷卻大循環。與傳動的節溫器相比，電子節溫器的響應更快、溫度調節范圍更寬[6]，如圖4所示。

圖4 電子節溫器與傳統節溫器工作范圍對比[3]

在同一車型經過試驗證實，由傳統節溫器更換成電子節溫器后中小負荷工況可實現2%～6%的節油效果[7]，具體試驗結果如表1所示。但電子節溫器相對價格較高，而且需要ECU增加控制策略進行控制。

表1 傳統節溫器與電子節溫器節油效果對比[7]

3.2 電動水泵技術

傳統熱管理方案中大循環驅動水泵為機械水泵，機械水泵通過發動機曲軸驅動輪系多楔帶帶動轉動，當水泵帶輪與曲軸皮帶輪速比確定后，水泵的轉速完全由發動機轉速決定，因此水泵的泵水能力無法與發動機負荷完全匹配，只能隨轉速提升而增大流量。電動水泵[8]則從根本上解決了這個問題，電動水泵可以根據發動機不同的工況通過ECU控制實現開關，尤其在發動機冷起動階段，電動水泵可以停止泵水，從而使發動機內部冷卻液處在小循環，實現快速升溫，以達到快速暖機的效果。但與機械水泵相比，電動水泵成本較高，且需要通過ECU實現對水泵的開關控制，同時因電動水泵的開關時刻需與發動機的實際工況相對應，從而也使得標定的工作量有一定程度的增加。

電動水泵也可以與電子節溫器配合使用，以達到更好的冷卻控制效果，實現快速暖機，圖5為將傳統冷卻系統同時更換成電動水泵和電子節溫器后發動機升溫曲線變化情況，圖中的智能冷卻系統是指同時更換電動水泵和電子節溫器后的冷卻系統。由此圖可見同時更換了電子節溫器和電動水泵的冷卻系統較傳統冷卻系統冷起動階段冷卻液升溫速度有了明顯的提升[9]。

圖5 傳統冷卻系統與智能冷卻系統冷卻液升溫速度對比[9]

3.3 分體冷卻技術

由于發動機運轉過程中，缸體與缸蓋熱負荷狀態不同，缸蓋部分冷卻液升溫速度快于缸體，因此傳統熱管理系統必須在缸蓋冷卻液溫度達到節溫器開啟溫度后打開大循環，此時由于缸體溫度較低，使得整機無法較快的實現發動機暖機。大眾汽車在EA111系列發動機上通過雙節溫器分體冷卻技術解決了這一問題[10]，并在后來的EA211系列發動機中得到了推廣應用。EA111發動機的雙節溫器結構如圖6所示。

該分體冷卻技術通過兩個傳統節溫器實現了缸體、缸蓋水溫的單獨控制，冷卻液通過單獨的通道分別進入缸體和缸蓋，如圖7所示。發動機冷起動初始，兩個節溫器均處于關閉狀態，當缸蓋水溫升高一定溫度后缸蓋節溫器開啟，缸體節溫器仍然處于關閉狀態，使缸體快速升溫，直至缸體內冷卻液到達指定溫度后缸體節溫器才會打開，該策略通過單獨控制缸體、缸蓋的溫度實現了冷起動階段的快速暖機，其冷卻原理如圖8所示。

圖6 EA111雙節溫器結構圖[10]

圖7 EA111分體冷卻結構示意圖[11]

圖8 EA111冷卻原理圖[11]

福特的三缸1.0 L發動機[12]也同樣采用了分體冷卻技術，與大眾分體冷卻不同的是，福特1.0 L發動機的缸體節溫器安裝在了水泵后缸體冷卻液入口處，大眾缸體節溫器裝配位置在缸體冷卻液出口處。福特方案相對于大眾方案缸體節溫器不能直接的接觸到缸體出水的溫度，冷卻液流出缸體后流經一段管路后才能到達缸體節溫器，流經發動機體外管路后的冷卻液溫度會有一定程度降低，無法直觀的反映出缸體內部實時的冷卻液溫度。因此缸體節溫器的開啟溫度需要經過一定的標定修正后確定。福特1.0 L發動機冷卻原理如圖9所示。

圖9 福特分體冷卻原理圖[13]

發動機分體冷卻熱管理技術僅在傳統熱管理方案的基礎上增加了一個傳統節溫器就實現缸體和缸蓋溫度的單獨控制，在成本增加不多的情況下達到了快速暖機的目的，是性價比較高的一種熱管理方案。

3.4 智能熱管理技術

為了實現更精細化的熱管理，提高發動機暖機速度，大眾汽車在EA888三代發動機上采用了智能熱管理技術[14]，該技術通過智能熱管理模塊（如圖10所示）將暖風、機油冷卻器、大循環單獨控制，根據冷起動過程中冷卻液溫度的變化依次開啟暖風、機油冷卻器、大循環通路，且智能熱管理模塊采用球閥結構取代了傳統節溫器的蠟塊結構，可根據需求調節球閥開度從而實現了各通路流量大小的控制，圖11為EA888三代發動機智能冷卻系統示意圖[15]。

圖10 EA888三代發動機智能熱管理模塊結構圖[15]

圖11 EA888三代發動機冷卻系統示意圖[15]

通過智能熱管理技術，EA888三代發動機實現了水溫的全MAP控制，有效的提升了發動機冷起動的暖機速度，并且通過熱管理模塊控制，可以使發動機在低速、低負荷工況冷卻液溫度控制在107℃，而在高速、大負荷將冷卻液溫度控制在85℃，這既保證了發動機低速低負荷的水溫，又可以降低發動機高速大負荷時熱負荷及爆震風險。圖12為EA888三代發動機與不帶智能熱管理模塊的EA888二代發動機冷起動工況冷卻液升溫時間對比[15]。對比可見EA888三代發動機的冷起動升溫速度比EA888二代發動機有了較大的提升。雖然智能熱管理系統可實現發動機水溫的全MAP控制，但該控制策略需要進行詳細的發動機及整車標定，且因智能熱管理模塊成本相對較高而無法在一些低成本發動機上得到應用。

圖12 EA888三代發動機與EA888二代發動機冷起動升溫時間對比[15]

4 結論

發動機熱管理技術是發動機開發中的一個重要領域，良好的熱管理技術既可以確保發動機大負荷工況的可靠性，又可以縮短冷起動暖機的時間，從而達到降低冷起動油耗和排放的效果。本文介紹的電子節溫器、電動水泵、分體冷卻、智能熱管理技術均在發動機冷起動工況提升了發動機的暖機速度，但不同技術方案的成本也略有不同，因此需綜合不同技術的改善效果和系統成本選擇適合的熱管理方案。