冷卻系統智能化研究

李文娟 曲景陽

摘 要：車輛及發動機技術的發展、能源與環境問題的涌現和人們使用需求的提升使冷卻系統的功能定義不斷演變、技術路徑不斷進化、性能要求不斷提升。智能化是兼顧各種問題與需求的關鍵技術，是車輛及發動機冷卻系統的進化與發展趨勢。

關鍵詞：冷卻系統;智能化

1.車輛冷卻系統的現狀分析

從世界上第一輛三輪內燃機汽車和四輪內燃機汽車開始，至今車輛取得了突飛猛進的發展，同時給能源和環境帶來了前所未有的壓力，而人們的使用需求也發生了與日俱增的提升。與此同時，冷卻系統作為車輛及發動機的重要子系統，其技術水平也取得了相應發展，并扮演著愈加重要的角色。

在此期間，多氣門結構、增壓中冷、直噴稀燃等技術的先后采用，使內燃機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熱效率。同時，內燃機的功率密度越來越高，熱負荷越來越大，散熱需求也越來越大。燃氣對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也需要通過冷卻系統來冷卻，增加了冷卻系統的散熱能力需求。另外，由于系統布置更加復雜、空間尺寸更加緊湊，冷卻系統需要在更惡劣的環境下以更高的效率進行應對。

另一方面，現行排放法規的排放測試循環中取消了發動機起動后的息速40s暖機時間，并且初始測試溫度降至-7℃，有研究表明起動出氣300s時間的CO和HC排放占整排放測試階段中的60%-80%。這意味著，暖機過程的冷卻狀況必須給予足夠重視。同時，為了抑制NOx排放，冷卻的廢氣再循環技術的采用，給冷卻系統的散熱能力進一步施加了壓力。另外，有研究表明車輛冷卻系統僅在3-5%的運行時間里工作在其設計能力狀態，其佘均處于冷卻能力過剩狀態，一方面增加發動機摩擦磨損，一方面增加水泵與風扇的寄生損失，都給油耗水平帶來負面影響。不僅如此，在人們的使用需求方面，汽車已經由最初的“沒有馬的馬車”演變為集動力性、舒適性以及功能性于一身的交通工具。冷卻系統需兼顧各項需求，不僅需要在高動力輸出時保障車輛及發動機工作的可靠性，又要在不論炎熱或寒冷的環境中保持乘員艙的適宜溫度，并降低運行嗓聲。

2.冷卻系統零件的智能化趨勢

縱觀車用發動機冷卻系統的發展歷史，除新材料的使用外，推進技術發展的現行技術路徑主要有三大類型：冷卻機制的優化，主要代表是沸騰換熱技術應用研究;冷卻系統結構型式的優化，主要表現為分體式冷卻系統、多回路及多級冷卻系統的研究與應用;冷卻系統的智能化，包括可控水系、可控風扇、可控節溫器等部件的應用與集成控制等。其中智能冷卻技術是未來滿足各種需求的關鍵技術，也是其他技術路徑得以實施的重要輔助手段。

3.車用發動機智能冷卻系統的研究進展

可控的冷卻風扇：在汽車及內燃機發展史上，最先實現可控的是冷卻風扇。可控的冷卻風扇按驅動形式劃分主要有：離合器式風扇、電子風扇、液壓驅動風扇。相比之下，電子風扇可以不受發動機轉速限制，可進行獨立控制，而且可靈活布置。電子風扇采用脈寬調制（PWM）方式進行無級調速。該系統不僅提高了電能轉換效率，還實現了電子風扇的無級調速，具有廣闊的市場應用前景。

可控的冷卻水泵：以柴油機為主要動力的商用車及特種車型方面，見諸報道的以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驅動，體積小巧，采用混流設計。應用于15L柴油機的電子水系與原機機械水系相比體積、重量均減少至少50%，可安裝在發電機下方，節約空間;電機可由通往外殼周圍的冷卻液來冷卻;此外，相比皮帶驅動的機械水果可減小水系軸的彎曲應力。許多相關研均基于EMP公司提供的電子水泵。

可控的節溫器：節溫器用來調節旁通管路的壓降，從而調節通過水箱和旁通的冷卻液流量。而可控的智能節溫器不應只是用來調節冷卻液的混合從而決定冷卻液溫度，而是應該可針對發動機溫度進行更復雜的控制早在1988年和1996年，便有研究者進行了可控節溫器的原型設計及仿真研究現今可控的節溫器主要有兩種型式：電控蠟式節溫器和電子節溫器。兩種可控節溫器均可實現主動控制，其中電控錯式節溫器體型較小，對原機改動較小，但控制精度較低;電子節溫器可實現反饋控制，控制精度高，并且布置靈活，但成本較高，并且控制相對復雜。國內成熟產品鮮見，控制策略尚處研究階段。

4. 系統集成開發技術發展現狀

智能冷卻系統的集成開發與相關研究已有20年歷史。智能冷卻系統在改善燃油經濟性、延長機油使用壽命、減少有害物排放、延長發動機壽命以及增加系統靈活性方面的具體效果一方面依托于結構設計，一方面決定于所采用的控制策略以及控制系統特性。國內外見諸報道的相關研究更多的注重于結構設計，在控制方面多采用PID控制，但發動機冷卻系統是一個多輸入多輸出且存在非線性和滯后效應的復雜系統，采用簡單的PID控制算法，很難在復雜多變的實際使用工況下執行多參數多目標的精確控制。

另外，由于節能效果主要來自水泵和風扇等執行機構的寄生損失，那么對智能冷卻系統的可控水泵與可控風扇等耗能部件進行控制的過程中，在按需完成冷卻目標的同時，應兼顧部件耗能，以冷卻系統部件總功率最小化為控制原則。

5. 結語

智能冷卻系統的研究過程應是由發動機至整車、由實驗室至產品的過程，但智能化并非孤立的技術手段，而與其他技術路徑相輔相承;智能冷卻系統各部件的運行亦非孤立，而是依據車輛行駛路況及發動機運行工況的變化協同工作。正因如此，在車輛及發動機運行的全工況下針對多個目標作系統化協調控制運行才是智能冷卻系統技術的關鍵。

參考文獻

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