關于車輛發動機恒溫冷卻節能系統的研究

張海花 張明偉 姚興 趙偉劍 李澗 賈旺旺

摘 要：作為機動車的核心部分，發動機決定著機動車的動力性、穩定性和環保性。如何將受熱零件吸收的多余熱量及時散發，從而保證發動機在最合適的溫度狀態下工作，冷卻系統起著至關重要的作用。但傳統汽車發動機冷卻系統存在水氣溫度變化大、有效功率低、壽命低、風扇噪聲高等缺點，研發一款節能、高效、靈活、環保的新型車輛發動機冷卻系統有著非常重要的意義。

關鍵詞：發動機;冷卻系統;機動車輛;節能

隨著人們生活品質的日益提高，家用車和其他機動車的數量不斷增大，導致現代車用發動機產生的熱流密度不斷增大。目前發動機行業面臨著如何解決高功率密度下的冷卻及熱平衡問題;此外，日益嚴格的排放標準也對冷卻系統提出了新的要求，傳統冷卻系統不能全面適應發動機實際運行時的冷卻需求，從而研發一款低功耗、低噪音、高壽命的智能發動機恒溫節能冷卻系統十分必要。

1 總體技術

發動機冷卻系統的核心作用就是冷卻發動機，確保發動機在正常的溫度范圍內工作。發動機工作時，其溫度可高達2000℃，若不能采取有效冷卻手段，不僅會使發動機過熱導致充氣效率下降、燃燒不正常、機油變質、零件磨損加劇，甚至會造成機件卡死或燒毀等事故性損傷。因此，必須對發動機進行適當冷卻，保證發動機始終處在最適宜的溫度狀態下工作。

《汽車發動機恒溫冷卻節能系統》項目的核心技術原理為：根據ECU監測到的各換熱器介質溫度，通過PID算法控制系統的冷卻強度。兩個換熱系統均采用完全獨立的電驅動風扇作為冷卻源，滿足各部分冷卻介質的恒溫控制，提高效率。該冷卻系統功率消耗小于發動機輸出功率的2%，可降低大于8%的油耗，減少約8分貝的噪音，提高了發動機的使用壽命。

2 溫控原理

發動機冷卻系統傳感器會把中冷器進氣口溫度、散熱器進水口溫度實時傳遞給ECU控制器，ECU控制器會根據預設溫度進行判斷是否啟動風機和風扇。為了達到溫度預設值，ECU控制器會控制冷卻系統風扇運轉對中冷器和水箱進行散熱，從而保證發動機始終在正常溫度范圍內運轉工作。整個溫控使用PID算法，通過判斷當前溫度與設置溫度的差值，不斷地調整占空比，進而影響風扇轉速，縮小差距，使溫度不斷逼近設置值，實現精準控制。當與預設值的差值較大時，能加大散熱力度，當與預設值差值較小時，散熱力度則會減弱，最終成功實現節能減排的效果。此方案相比傳統式串聯散熱系統更加高效。

3 PID算法公式

3.1 傳感器系統（精準測量）：

溫度傳感器總成、轉速傳感器、儀表顯示裝置。

其中精密靈敏的水溫和中冷溫度傳感器可實時檢測溫度變化。使用數字化顯示，數據更新連續，顯示參數齊全，直觀簡潔。而且傳感器皆為模塊化設計，便于維護維修，對環境適應性強。

3.2 散熱器和冷卻系統（獨立節能）：

冷卻系統一體化無刷直流電驅風扇（發明專利）、散熱器、中冷器、油冷器、護風罩、引風罩、車用快速泄放閥（發明專利）、懸置系統。

發動機水冷式冷卻系統主要由水泵、散熱器、冷卻風扇、補償水箱、節溫器、發動機機體、氣缸蓋中的水套等部分組成。

整體冷卻系統包含水冷，中冷，油冷三種不同的工作組。

其中，水冷系統通過水泵使環繞在氣缸水套中的冷卻液加快流動，通過行駛中的自然風和電動風扇，使冷卻液在散熱器中進行冷卻，冷卻后的冷卻液再次引入到水套中，周而復始，實現對發動機的冷卻。

中冷器是增壓系統的重要組成部件。在增壓器與發動機進氣歧管之間安裝中冷器，起到冷卻空氣的作用，高溫空氣經過中冷器的冷卻，再進入發動機中。在相同的條件下，增壓空氣的溫度每下降10℃，發動機功率就能提高3%～5%。

油冷器，一般有兩側，熱側是潤滑油或燃油，冷側是冷卻水或空氣。車輛在行駛過程中，各大潤滑系統中潤滑油依靠油泵動力，經過機油冷卻器熱側通道，將熱量傳給機油冷卻器的冷側，而冷卻水或冷風則通過機油冷卻器冷側通道將熱量帶走，實現冷熱流體之間的熱交換，確保潤滑油處于最合適的工作溫度。

不同的冷卻工作組采用完全獨立的電驅動風扇作為冷卻源，滿足各系統的冷卻介質的恒溫控制，有效控溫。同時中冷器加大“液——氣”溫差，滿足進氣系統，依靠渦輪增壓器來加大發動機進氣量，利用發動機排出的廢氣作為動力來推動渦輪室內的渦輪（位于排氣道內），渦輪又帶動同軸的葉輪（位于進氣道內），葉輪壓縮由空氣濾清器管道送來的新鮮空氣，再送入氣缸。當發動機轉速加快，廢氣排出速度與渦輪轉速也同步加快，空氣壓縮程度就得以加大，發動機的進氣量就相應地得到增加，促進渦輪發動機工作，提高輸出功率。

另一方面，獨立工作的電驅風扇能實現無履帶無離合器的無極變速，即連續獲得變速范圍內任何傳動比的變速系統。實現任意風速，按需散熱，同時與散熱器和中冷器等貼合，實現一體化，減少卡頓和避免傳動的低效，加強散熱效果，使散熱系統的功耗和噪聲都大幅度降低。

4 特色和創新點

1.實時控制二個相互獨立的中冷系統和水冷系統的風扇，控制其冷卻強度。

2.二個換熱系統均采用完全獨立的電驅動風扇作為冷卻源，滿足各系統的冷卻介質的恒溫控制。

3.采用PID溫度控制策略，精準控溫，按需散熱。

4.組合式冷卻風扇由ECU分別控制，水箱、中冷器獨立散熱。

5.無極變速，大幅度降低傳統機械式風扇變速造成的卡頓以及噪聲和震動。

6.冷卻系統功率消耗小于發動機功率的2%，油耗降低大于8%，噪音減少約8分貝。

7.提高發動機的使用壽命，冷卻系統改裝后綜合氣耗下降7.5%，一年節約費用約8775元（不考慮購入散熱系統成本）。

8.節能、高效、靈活和環保

基金項目：本文是2019年國家大學生創業訓練“車輛發動機恒溫冷卻節能系統”（項目編號：201910595060）項目成果.

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