1、發動機智能(zh nn)冷卻系統的研究(ynji)現狀(xinzhung)和發展趨勢Investigation and Development of Engine Intelligent Cooling System高標，程偉（東風汽車股份有限公司商品研發院，湖北 武漢，430057）摘要：汽車發動機冷卻系統是保證車輛可靠運行必不可少的一個系統，同時冷卻系統的性能與發動機燃油經濟性、排放、噪聲等方面也有著密切關系，智能化、電控化是汽車以及汽車零部件發展的趨勢，汽車發動機智能冷卻系統的研究是節能、減排和熱管理領域內的重要前沿課題。收集、整理和分析了國內外智能冷卻系統的文獻和產品，總結了智能冷卻系

2、統在關鍵零部件、系統集成和新能源車型領域內的研究現狀，為智能冷卻系統的研發和產業化提供了參考。Abstract: Vehicle engine cooling system is essential for the vehicle running, and the performance of cooling system has relations with the engine economic、emissions and noise，intelligence、electronic control are the trend of vehicle components developmen

3、t，vehicle engine intelligent cooling system(ICS) is the frontier research field of energy conservation 、emissions and thermal management. By collecting, classification and studying of the achievements on ICS research and its products, summarize the development of ICS on key components、system integra

4、tion and new energy vehicle aspects, and offer some references for the ICS research and industrialization.關鍵詞：發動機 智能 冷卻系統 集成 Keywords：Engine; Intelligent; Cooling System ; Integration0引言汽車發動機在完成能量轉換的過程中，約有1/3的燃料燃燒化學能需通過發動機冷卻系統散出，機械部件的摩擦散熱、電子部件的散熱等也需要通過冷卻系統進行冷卻或溫度調節，以保證零部件工作在合適的溫度1；發動機的排放、噪聲等問題也與冷卻系統

5、有著密切關系，相關研究中指出發動機冷起動后前300s時間內的CO和HC排放占整排放測試階段中的60802。同時在冷卻系統運轉過程中風扇、水泵等零部件消耗相當一部分功率，影響發動機的燃油經濟性。冷卻系統性能的好壞直接關系到汽車及發動機的性能，而上述問題的解決依賴于如何對發動機冷卻系統進行穩定、快速和準確的控制，因此汽車發動機的智能冷卻系統成為目前熱管理領域內的重要研究前沿課題。1發動機冷卻系統的發展概述早期的發動機由于功率密度低，結構簡單，主要依靠空氣自然對流進行冷卻，隨著發動機功率密度的不斷提升導致發動機的散熱量增加，由于冷卻空氣的比熱容低，為了獲得更好的冷卻效果，出現了以發動機直接驅動的冷卻

6、風扇提供強制冷卻的風量，發動機內部通過水泵驅動冷卻液循環進行冷卻，極大的提高了冷卻系統冷卻效率。由于發動機零部件需要在一定溫度范圍內工作，冷卻系統要對冷卻強度進行調節，之后，發動機冷卻系統增加了節溫器、擋風簾等溫度調節裝置。但冷卻風扇、水泵(shubng)等零部件消耗大量發動機功率，自20世紀50年代(nindi)博格華納公司最早發明了硅油風扇離合器，一致以來都以較高的性價比和可靠性成為商用車發動機的重要冷卻系統節能(ji nn)技術。31981年3月美國的專利文件（US4257554）4最早提出了電動冷卻風扇冷卻系統，采用電動風扇可以根據發動機運行情況調節風扇的轉速。風扇及水泵的轉速調節裝置

7、有效的避免風扇消耗過多的功耗，縮短了發動機的預熱時間。隨著排放和節能法規的越來越嚴格，發動機上采用的大量新技術和裝置，且越來越多的零部件需要進行冷卻和溫度調節，如增壓空氣冷卻、EGR系統、尿素噴射裝置、動力電池等。冷卻系統所包括的零部件越來越多、對溫度調節的準確性、快速性要求也越來越高，這對發動機的冷卻系統提出了更高的要求，出現了電子硅油風扇離合器、電子水泵、電子節溫器等電子控制零部件，隨著電子控制技術的發展，冷卻系統也走向了智能化的控制時代。綜上所述，汽車發動機冷卻系統經歷了自然冷卻、強制冷卻系統、半主動冷卻、電子控制冷卻系統幾個階段，而智能化將是發動機冷卻系統發展的必然趨勢和終極目標。2

8、智能冷卻系統的概念、功能和研究范圍智能冷卻系統（Intelligent Cooling System ,ICS）是由電子控制單元（ECU）按照一定的控制策略，對冷卻強調調節裝置的電子化控制，從而實現對零部件的溫度調節，使零部件工作在最佳溫度范圍。克服了傳統冷卻系統出現的功耗高、散熱能力耦合、控制不準確等問題，智能冷卻系統的目標是根據不同的發動機狀態對冷卻系統零部件進行可控調節，以滿足發動機工作溫度、功耗等性能指標最優，智能冷卻系統不光要解決零部件的過熱問題，還要根據使用情況實現對零部件進行加熱和保溫。隨著發動機技術的進步和發展，智能冷卻系統的研究范圍逐漸擴大，目前發動機智能冷卻系統的研究范圍包

9、括以下幾個方面：1）、冷卻強度調節裝置的電子控制主要包括電控風扇技術、電控節溫器技術、電子水泵技術、無刷直流電機、冷卻系統控制器等裝置的研究。2）、冷卻系統集成優化研究及控制策略智能冷卻系統將所有需要溫度調節的零部件集成考慮，而不是強調某一零部件的冷卻能力達到最佳，但通過系統集成考慮可以使各零部件協調統一工作，使系統能力達到最優，在這個過程中控制策略的設計直接影響到系統的可靠性和性能。3）新能源車型的冷卻系統研究主要包括混合動力車型和純電動車型的冷卻系統的研究，結構形式和設計原理與傳統內熱機冷卻系統有較大的差異，但新能源車型為智能冷卻系統提供了良好的應用條件。3 智能冷卻系統的關鍵零部件的研究

10、現狀3.1電控風扇(fngshn)技術(jsh)的研究博格(b )華納公司最早研發的電子控制型硅油風扇離合器(圖1，左)，直接讀取發動機電子控制單元中的發動機水溫信號，根據水溫信號控制風扇離合器內部的電磁閥開度，從而控制風扇的轉速。研究表明采用電子控制型硅油風扇離合器系統與直聯風扇相比可節能4.2%，與采用傳統的硅油風扇離合器相比可節能1.2%。3德國貝洱（Behr）公司開發的Visco電子硅油離合器風扇(圖1，右)5，通過在30ml50ml范圍改變腔內硅油的充填量來驅動離合器的開閉，該機構可實現無級調速，通過溫度等傳感器信號進行反饋控制，該電控離合器的傳輸轉矩比現在使用的風扇離合器多傳輸40

11、%，同時可控性和動態離合響應速度得到明顯改善。 圖1 電子硅油離合和電子硅油離合器風扇由于電子風扇具有轉速不受發動機影響、布置靈活、功耗低的特點，在乘用車領域內得到了成熟的應用，但受驅動風扇的電機功率的限制，在商用車上的應用還處在研究階段。最早在2001年由于Valeo、Ricardo和DaimlerChrysler公司聯合開發了一種42V-14V雙電壓電子風扇冷卻系統6，并將其應用到一款小型貨車上。國內方面，郭新民等7早在1993年便開展了電子風扇的相關研究，并開發了自動控制裝置，安裝于載重汽車開展試驗，結果表明相比原機風扇，采用電子風扇可使整車節油10。另外，無刷直流電機驅動的電子風扇，具

12、有可靠性高、壽命長、效率高、啟動電流小、控制簡單等優點，智能冷卻系統中采用無刷直流電機正成為一種趨勢，圖2是由于SPAL公司研制和生產的有刷（左）和無刷（右）直流電子風扇。 圖2有刷和無刷直流電子風扇外形對比（SPAL公司）3.2電控水泵技術的研究由于(yuy)發動機直接驅動的水泵作為(zuwi)發動機水流量調節的裝置，其消耗的功率(gngl)同樣占據較大比例。相比比可控風扇技術來說，電子水泵技術在冷卻系統中的應用較晚，但電子水泵的應用徹底實現的整個冷卻系統與發動機轉速的解耦8。同時電子水泵的應用可以實現發動機快速暖機和停機后冷卻液的流動，以避免停機發動機過熱問題。由于電子水泵體積小，布置靈活

13、，可以實現為每一路冷卻回路布置水泵。最早將電子水泵應用在量產車型發動機冷卻系統上的是BMW公司，該公司于2005年將電子水泵應用于新一代N52系列汽油機上。國內方面，2012年盛德號9等設計了一套采用電控水泵的發動機冷卻系統，通過單片機實現了系統中電控水泵和電子風扇的聯合控制，應用在輕型客車上，試驗表明改進后的電水泵冷卻系統能夠使發動機低溫預熱時間縮短65，預熱階段節油率達到11.5。3.3電子節溫器技術的研究節溫器是對發動機水流量進行分配的一個裝置，研究表明傳統的蠟式節溫器是冷卻系統液側壓力損失增加的主要原因之一10。新型的電子節溫器后，除了可以動態調節水流量分配，還可以將進一步降低發動機冷

14、卻系統阻力，從而降低水泵功耗。Behr公司11開發的一種電控節溫器，是在原蠟式節溫器的石蠟腔內嵌入電阻式加熱器（圖3）。圖3 Behr公司開發的電控節溫器2006年，John RWagner開發了一種蝶閥型式的電子節溫器原型12，如圖4所示，該電子節溫器使用直流齒輪電機和旋轉電位計來控制閥門開度。原型閥的壓力與開度和流量為非線性關系，實際使用過程中通過由試驗設定的MAP圖對閥體進行調節。圖4蝶閥型電子節溫器4智能冷卻系統集成優化的研究(ynji)現狀及趨勢隨著發動機上冷卻系統的散熱元件(yunjin)的不斷增加（散熱器、中冷器、冷凝器、EGR冷卻器等），而對這些零部件的冷卻系統必須進行集成(j

15、 chn)優化考慮，使整個系統性能達到最優，不能僅依靠增加某個零部件的性能，傳統的發動機冷卻系統無法實現散熱元件間的解耦。采用智能冷卻系統可以在原冷卻系統結構和形式的基礎上進行升級改造，也可以通過改變原冷卻系統的結構，實現多回路冷卻或多級冷卻。具有代表性的智能冷卻系統集成研究有以下幾種：1999年由VALEO公司開發的的THEMIS（圖5）智能發動機冷卻系統13，是在原有的電子風扇發動機冷卻系統基礎上采用電子水泵和電子節溫器，取消了機械水泵和蠟式節溫器，通過冷卻液溫度傳感器對發動機水溫實現閉環控制。 圖5 THEMIS系統結構和控制策略2005年EMP公司Robert D等 14將輕型卡車上集

16、成式冷卻模塊的典型布置更改為分布式系統，即各個換交熱器采用獨立的冷卻循環，并設計了多風扇布置型式(如圖6)。由多個12V直流電子水泵和電子風扇取代了原機械水泵和硅油離合器風扇。臺架試驗結果顯示：額定工況下水泵風扇能耗總和由23.5kW減少小3.6kW，2000rpm的中等負荷工況由810W減為115W；其燃油經濟性市區循環和高速循環分別改善3.1和4.4。圖6 EMP公司(n s)分布式冷卻系統Dana公司研發(yn f)的智能冷卻系統（圖7）提出了兩種方案，一種是智能冷卻，以電子風扇和電動水泵取代傳統的機械風扇和水泵，可實現節能2%-5%，一種是智能潤滑(rnhu)，系統采用電動油泵，和智能

17、密封墊，可實現節能2%。15圖7 Dana公司的智能冷卻系統國內方面，有代表性的系統級的智能冷卻系統案例是郭新民等(2010)16設計的應用分體冷卻技術(原文稱“雙回路”)的智能冷卻系統，見圖119。該系統將機體和缸蓋的冷卻回路分隔開，拆除原機節溫器并采用2個蠟式節溫器分別安裝于機體與缸蓋的出水側來調節流量；將原機由曲軸皮帶驅動的水泵和風扇替換為可調速的電子水泵和可開關的電子風扇，并實行PID自動控制。臺架試驗結果表明采用分體冷卻技術的智能冷卻系統比原機預熱時間減少了80，節油達7，同時有效降低HC排放。5新能源車型的冷卻系統研究由于采用電力驅動，混合動力、純電動汽車為實現冷卻系統智能控制提供

18、的有利條件，電子水泵、電子風扇在新能源車型冷卻系統上得到了廣泛的研究和應用。新能源車型需要冷卻零部件主要為電池組、驅動電機、控制器，相比傳統的內燃機，這些元件要求的最佳工作溫度大約在50-70，而對于蓄電池來說，還存在著在低溫地區充電能力的問題，因此新能源車型的冷卻系統還要兼顧電池組加熱功能。圖8是豐田公司的混合(hnh)動力車型PRIUS的冷卻系統循環圖，對電動機、發動機和控制器形成串聯(chunlin)管路，而電池組與乘員艙采用(ciyng)一體式的空氣冷卻系統，如圖9所示。15圖8 豐田PRIUS冷卻系統循環示意圖圖9 豐田PRIUS II 鎳氫電池組-乘員艙空氣冷卻系統2006年，陳瀟

19、，汪茂海，張揚軍等，17對車用燃料電池冷卻系統進行研究，并設計了雙散熱器并聯式的冷卻系統，以電池堆進出口水溫溫差為控制目標，通過對電子風扇和電子水泵的調節，使電池堆的溫度維持在合理范圍內。2008年，楊文霞等18設計了一種用于混合動力車輛的高、低溫雙循環回路冷卻系統，解決了混合動力汽車的冷卻問題。6結論研究表明，智能冷卻系統對提升發動機效率和燃油經濟性、降低排放等方面有著巨大潛力，但目前系統中的風扇、水泵、控制器等零部件的開發和研究是制約發動機智能冷卻系統發展的重要因素，國外的一些大公司掌握了這些關鍵零部件的核心技術，國內在這些電控零部件上的研究和應用起步較晚，存在明顯不足，應盡快開展此方面的

20、研究，填補國內空白；發動機智能冷卻系統的研究的還應注意系統控制策略的設計、系統集成優化設計；發動機智能冷卻系統在新能源車型上的應用也是研究的一個方向，國內在這方面研究與國外同步進行，且取得了一定的科研成果。參考文獻1 姚仲鵬，王新國車輛冷卻(lngqu)傳熱M北京：北京理工大學出版社，20012 Gumus，MReducing cold-start emission from internal combustion engines by means of thermal energy storage systemJApplied Thermal Engineering，2009(4)：652-

21、6603張文昌，顧春峰，肖獻法.發動機冷卻風扇：因勢而變-電子硅油(u yu)風扇離合器：目前國III、國Iv發動機的最佳選擇(xunz)J.商用汽車，2008，4：114-1154Rainer O，Willingham. FAN ASSEMBLY P. 美國專利:USA 4257554,1981-03-245宋龍甫. 貝洱先進的歐_商用車發動機冷卻系統及其部件J. 商用汽車，2009，2：113-1156 Matthieu Chanfreau, Alex Joseph, Darren Butler, etc. Advanced Engine Cooling Thermal Management System on a Dual Voltage 42V-1 4V Minivan. SAE Paper, 2001.0117427郭新民，高平，孫世民等.自控電動冷卻風扇在汽車發動機上的應用J.內燃機工程1993(1)：79828 韓松.車用發動機智能冷卻系統基礎問題研究D.杭州：浙江大學,2015,5:7-109 盛德號,崔海梁,李洪，等.發動機電控水泵冷卻系統的設計與試驗研究J.流體機械，2012，40（4）：5-1010 郭新民，郭清南，高平等.節溫器對車用發動機冷卻能力的影響J11 Behr. Engine Cooling -Comprehensive Knowledge