可完全关闭的发动机按需调节冷却系统

1、    可完全关闭的发动机按需调节冷却系统         发动机按需冷却系统的特点是采用电动冷却液泵和采用集成于气缸盖垫的冷却液温度传感器。只有当实现了能够完全切断冷却回路的调节概念之后，才能在油耗方面表现出明显的优点。发动机的冷却系统对于保证发动机的安全工作具有十分重要的意义。但是，发动机并不是在任何时候都需要冷却；即使需要冷却，在不同工况下所需要的冷却程度也各有不同。在不需要冷却的工况下，传统的发动机中利用节温器关闭冷却液通往散热器的回路，也就是说，使冷却系统从大循环转

2、入小循环。但尽管如此，冷却液泵继续运转，继续消耗着能量。在许多工况下，发动机的冷却还可能帮倒忙。例如在冷起动时，应当尽快地使发动机热起来，以便降低摩擦和降低油耗、改善排放。此时的冷却液循环恰恰延缓了使发动机温度升到理想的工作温度的进程。而且，此时冷却液带走的热量本身还是燃料燃烧换来的。所以，人们早就开始追求一种按需调节的发动机冷却方式了。事实上，节温器就是一种最原始的按需冷却发动机的装置，只是它过于简单。只有利用近代的电子控制技术，才有可能实现完全按需调节的发动机冷却系统。本文将介绍的这种系统利用气缸盖垫的温度作为主控变量，提供给电控单元实现对冷却系统的按需调节，还能够完全关闭冷却回路。故因其

3、能够较好地调节和定量而显得卓越超群。按需冷却的基本思路图1示出了汽油机在2500r/min的转速下，在较低的和较高的部分负荷工况点的各种损耗。由图可以看出，发动机正是在典型的道路行驶中所处的部分负荷下由于不正常的燃烧、充量交换、冷却和摩擦造成了巨大损耗。发动机按需冷却的概念抓住了冷却和摩擦造成的损耗。其基本思路是，使冷却液泵的驱动功率与发动机对循环水量的实际需要相匹配。在部分负荷下如此节省下来的冷却液泵驱动功率应当能够补偿可调节的电动泵在效率方面相对于机械泵的缺点。然而，迄今为止所有的系统都依赖于对气缸盖出口处冷却液温度的测量，而如此进行的温度测量要求冷却液有一定的流量。那样的话，采用电动泵进

4、行按需冷却的优点就无法发挥出来，利用这种概念达到节油目的也难以形成。虽然人们可以利用发动机加热阶段流量计算的计算机模型通过对循环回路进行节流来实现零流量，但是必须与发动机的过热极限保持很大的安全距离，因而限制了这种模型支持的调节概念的效果。 这里介绍的发动机按需冷却系统有两个特点：一是采用电动冷却液泵；二是采用集成于气缸盖垫的冷却液温度传感器。系统构造为了实现按需冷却，某公司开发了一种在燃烧室的冷却水套中测量温度的系统，借此驱动发动机按需冷却的调节回路。这项任务借助于一种内置了冗余温度传感器的气缸盖垫得以完成，见图2。整个系统由一台电动冷却液泵、一套控制系统和传感器-气缸盖垫系统组成

5、。为了确定温度传感器的位置，事先进行了简单的原理试验，这些试验证明，对应于气缸筒之间壁厚部位的温度测试点的传感器原则上能够与处于两个排气门之间的鼻皲部位发动机最热的部位同样灵敏地对负荷与转速的变化以及与此相关联的传入冷却系统的较大热量作出反应，见图3。即使相比之下在气缸盖垫上对应于气缸筒之间壁厚的部位温度较低，但还是能够证明，集成于气缸盖垫的温度传感器能够可靠地检测出跳跃式变化的输入热量。至于在气缸盖垫的底侧、顶侧还是气缸盖垫的中间进行测量，这并不很重要。通过这种方式，第一次开启了在发动机运行时完全关闭发动机冷却回路以求迅速加热发动机的可能性。在传统的发动机冷却回路概念中，总是需要一定的冷却液

6、流量，方能使得位于发动机外面的温度传感器能够感觉得到温度的变化。与此相反，带集成于气缸盖垫的温度传感器的按需调节回路即使令冷却液节流完全断流，也不会发生对冷却液温度的失察，见图4。密封带的温度接近于过热极限，尽管如此，还是能够可靠地采集到温度数据。   试验载体为概念开发而进行的所有基础试验和按照新欧洲行驶循环（NEUDC）进行的初步试验都在一台福特公司的1.4L多点喷射发动机上进行。旨在证明实际行驶中可以实现的效果的所有其他试验都在一台欧宝1.8L汽油机上进行。发动机及所属汽车的技术数据列于表1。 新欧洲行驶循环中的试验结果整个系统安装在发动机上，在动

7、态试验台上按照新欧洲行驶循环进行测试，见图5。正如预期的那样，该图表明，按需调节的冷却使得发动机的加热性能大为改善。其优点甚至在催化转化器的起燃性能方面也有所体现，尽管不是太明显。 在许多次的重复试验中，按需冷却的发动机都可以获得2.9%的节油效果。引人注目的是，这样的节油效果只有通过完全关闭冷却液循环才能达到。试验中，发动机关闭冷却液回路的时间在整个试验时间中所占的比例明显地超过50%。从安置传感器的气缸盖垫的温度曲线看出，在这个第一台发动机上所进行的调节的均匀度还不能令人满意。仿真的城市行驶和长途行驶中的结果为了证实实际汽车运行中的结果，首先在一辆装备1.8L汽油机（Z18XE，

8、多点喷射）的欧宝Meriva轿车上针对两种情况画出了道路行驶曲线。这两种行驶循环见表2。这里的城市行驶循环是典型的购物行驶循环，在这种购物行驶循环中，发动机及其冷却回路的负荷情况完全不同于新欧洲行驶循环，见图6。由图可以看出，所有的行驶循环具有完全不同的负荷情况，而且相互之间不具有可比性。特别是，城市行驶循环中停留时间的比例完全不同于新欧洲行驶循环：发动机运行在一个从怠速至2000r/min的非常狭窄的转速范围之内；工况点主要集中在部分负荷的40Nm以下的范围。此外，发动机冷起动时，以及热发动机经过一个小时的冷却之后再起动时逐秒测量的发动机温度/转速数据。试验中的热发动机是在经过1h的冷却，达

9、到60-65的温度水平之后起动的。这样的冷却阶段没有包含在新欧洲行驶循环中。其扭矩/转速数据是根据欧宝1.8L发动机在动态试验台上进行的试验。这里又在传统的发动机和采用按需调节冷却回路的发动机之间进行了比较。  冷发动机起动和热发动机冷却后起动的比较按需冷却的发动机的特性是冷却回路关闭的运行时间在整个运行时间中所占的比例可以相当大。在发动机冷起动之后的第一个循环部分中，节油4.4%，见图7。在城市行驶循环的所有其他部分中，发动机得以在60的冷却液温度下起动，平均节油3.8%，见图8。  城市行驶循环第一部分的特征清楚地表明，发动机不仅仅是由于它的快速暖机

10、才得以节油的。在第一个城市循环中能够使电动冷却液泵的通电时间明显地小于循环时间的10%，这个事实表明了关闭冷却回路的意义。如果换一种概念，不是将冷却液回路关闭，而仅仅是按需节流的话，那么就不能充分发挥这些节油优点。长途行驶循环节油效果为3.1%，与新欧洲行驶循环试验中的节油效果在同一个数量级上，见图9。此外，所有的累计油耗曲线都根据发电机效率和蓄电池效率进行了补偿。电动冷却液泵由动态试验台的蓄电池供电。应当指出，发动机电子控制系统的所有功能还是利用传统的冷却液温度传感器进行控制（点火提前角、加浓等）的。如果专门通过集成于气缸盖垫的传感器实现冷起动喷油量加浓功能，则还将带来进一步的好处。

11、0;利用集成于气缸盖垫的温度传感器，能够通过按需调节的冷却循环回路使得正在运行的发动机完全关闭冷却液的循坏，而不会造成发动机过热的危险。只有这样才能实现明显的节油效果。这个节油效果在新欧洲行驶循环中达到2.9%。在实际的汽车行驶中，长途行驶循环中节油效果达到3.1%。发动机在城市行驶中是在很低的部分负荷下运行的，因而只有很少的热量传递给冷却回路。电动冷却液泵关闭的时间可达整个循环时间的90%以上。由此形成的节油效果超过4%。由此可以得出结论：冷发动机冬天在O温度下起动时节油效果肯定还会更高一些。除此以外，由于促使催化转化器迅速地达到起燃温度，所以在排放方面也有好处。相关的试验尚有待进行。通过按需调节的发动机冷却系统的开发实例可以看出，发动机动态试验台的应用并不局限于排放控制和发动机标定。在开发以某种方式对发动机工作过程发生影响的调节方法时，动态试验台也能够发挥出很大的优点。特别是当要从静态工况转移到实际的发动机工况，或者从一个“人造的”试验循环转移到实际的道路行驶时，那么动态试验台是不可替代的。研究表明，对发动机进行按需