装甲车辆发动机智能化控制冷却系统发展

骆清国，桂 勇

(装甲兵工程学院机械工程系，北京100072)

随着发动机功率密度的不断提高，高效燃烧、能量转换、零部件可靠工作等都对冷却系统提出了越来越高的要求，而现阶段我国大部分装甲车辆发动机冷却系统部件仍采用传统的机械传动方式，部件可控性差，使发动机存在严重冷却不足或冷却过度的状况，该方式远不能满足发动机使用要求。智能化控制冷却系统能通过精确控制冷却风扇、水泵、节温器等可控部件，实现对冷却介质温度精确控制，缩短起步加温时间，提高发动机工作的可靠性、经济性，从而延长发动机使用寿命。所以，设计性能稳定，冷却效果好的智能化冷却系统，已经成为一项刻不容缓的工作［1］。

1 国内外装甲车辆发动机冷却系统现状

1.1 我国装甲车辆发动机冷却系统现状

我国绝大部分装甲车辆冷却系统仍然沿用老式的发动机曲轴驱动冷却风扇及水泵的冷却系统，这使得冷却系统存在诸多问题。

1)水泵、风扇可控性差，功率损耗大。我国装甲车辆冷却系统水泵及风扇均采用机械传动方式驱动，转速可控性差，此类控制以老式装甲车辆居多。虽然少量新装备中风扇驱动方式改为液压驱动，可以实现风扇转速控制，但控制精度差，不能使风扇转速控制在合理的范围内，风扇和水泵功率消耗大，仍然存在不同程度的功率浪费状况［2］。

2)存在冷却不足或冷却过度状况，热效率低。由于冷却系统部件可控性差，水泵及风扇转速不能随发动机热负荷状况进行调节，现阶段装甲车辆发动机存在冷却不足或过度冷却状况。如在冬季发动机加温过程中，风扇转速得不到控制，发动机处于过度冷却状态，导致起步加温时间过长;当车辆低转速大负荷工作时，风扇和水泵转速过低，发动机冷却不足，使得发动机热负荷增加，引起温度急剧上升，部件工作可靠性下降，进气条件恶化，热效率降低。

1.2 国外装甲车辆发动机冷却系统现状

发达国家先进的装甲车辆发动机冷却系统均已实现智能化控制。冷却系统智能化控制的概念最早在美国提出，其思想是使用电动风扇来取代传统的机械风扇，根据发动机温度和负荷情况的不同，改变风扇的转速，减少发动机驱动冷却风扇的功率损失，缩短发动机的预热时间，减少传热损失。

智能化控制冷却系统具有较快的响应能力，可将冷却温度保持在设定点的±1℃范围，暖机时间可减少10%～20%，能够缩小发动机冷却液和部件温度的波动范围，减少循环热负荷造成的金属疲劳，延长部件寿命，可对发动机进行高温冷却，降低2% ～5%的燃油消耗率。

现阶段，具有代表性的智能化控制冷却系统有德国MTU公司研制的MT890发动机冷却系统。该系统采用高低温双循环智能化控制冷却系统，它分为高温冷却回路和低温冷却回路:高温冷却回路由发动机本体、电控节温器、高温水散热器、电控水泵及电控风扇组成;低温冷却回路由机油散热器、中冷器、电控节温器、高温水散热器、电控水泵及电控风扇组成。通过合理的控制策略可实现对发动机进气温度、机油散热器及发动机出口冷却水温度的精确控制，图1为通过控制中冷器进口冷却水温度实现对发动机进气温度的控制，进气温度随发动机负荷的增加而降低，使进气温度始终控制在合理值范围内［3］。

该冷却系统不仅减小了冷却系统的质量和体积，改善了冷却效果，提高了发动机工作的稳定性、可靠性，还降低了冷却系统功率损耗。

图1 进气温度随不同工况变化关系

2 智能化控制冷却系统的特点

2.1 风扇、水泵及节温器的电控化

智能化控制冷却系统中风扇、水泵及节温器均可实现电控。

对于汽车风扇一般由车辆蓄电池提供电源驱动，电动风扇能实现风扇在不同工况下转速的不同，且风扇、散热器位置安装灵活，增加了风扇容积效率，提高了冷却效果，其控制一般采用PWM脉冲信号驱动风扇，使风扇实现无级变速。由于坦克装甲车辆风扇耗功比较大，仅靠蓄电池则无法满足冷却需求。现阶段国内部分装甲车辆采取硅油离合器传动，但这种控制方法控制精度差，无法准确控制冷却水温度。而美国通用发动机公司、伊顿(ETON)公司等均研制出了电磁温控硅油风扇离合器，其中伊顿公司的712型电磁温控硅油风扇离合器可由发动机控制单元根据冷却水温度、气流温度和发动机转速等输入信号对风扇的转速进行最优化控制。

另外，电磁流变液传动也正处于研制阶段。电磁流变液传动传递力矩全部由磁流变液的剪切应力产生。由于磁流变液剪切应力具有随外加磁场强度无级变化的特性，因此应用磁流变液作为工作介质的风扇驱动可根据发动机水温的变化，实现风扇转速的无级调节。应用电磁流变液传动具有可无级调速，可以实现智能化控制，调速灵敏度高等优点，随着磁流变材料技术的发展，它将具有很好的发展前景［4－10］。

汽车水泵一般也由蓄电池驱动，电控水泵能实现车辆起步加温及变工况时转速的控制，能起到缩短起步加温时间、防止夏季发动机大负荷时部件过热或温度梯度过大的作用。由于装甲车辆水泵耗功过大，不能直接由车辆蓄电池驱动，只能通过电控离合器进行驱动［11］。

传统石蜡节温器是处于冷却液道中借助于主阀门的升起或落下来接通大循环或小循环。无论是大循环还是小循环，冷却液都要与节温器摩擦而过，而且传统节温器对液流有较大的节流作用，摩擦和节流对液流产生的阻力会带来较大的功率损失。而电控节温器一般安装在散热器的进水口处，由于其所承受的水压相对较小，工作环境相对稳定，因此可以达到比较高的调节精度，不会使发动机缸体内的水温产生大的波动，且散热器入水口处的温度可以稳定在较高的水平上，水温波动不大，则发动机运转平稳;随着入水口处的温度提高，散热器的散热量也会相应增大［12］。

2.2 控制策略的智能化

智能化的控制策略使冷却系统ECU(Electronic Control Unit)能综合考虑发动机的负荷、转速、环境等因素，依据发动机的热状况，控制冷却系统各可控部件，精确、自动地调节冷却介质的温度，从而使发动机各部件的工作温度限制在最佳范围。缩短起步加温时间;延长受热部件的使用寿命，减少故障率;减少发动机的传热损失和功率损失，提高其经济性;便于冷却系统故障诊断、报警和处理。

3 我国装甲车辆智能化控制冷却系统的研制进展

我国装甲车辆发动机智能化控制冷却系统研究起步较晚，但近年来经过大量的研究和试验工作，也取得了很大进步，图2为某高功率密度柴油机智能化控制冷却系统总体方案，通过在某高强化发动机进行台架试验验证，该冷却系统具有良好的控制效果。

图2 总体方案图

冷却系统分高、低温回路。高温循环回路部件有:发动机水腔、电控水泵1、节温器1、水散热器1、电控阀1;低温循环回路部件有:中冷器、机油热交换器2、节温器2、水散热器2、电控水泵2、电控阀2。通过调节高低温回路电控水泵转速及电控阀开度来调节冷却系统冷却能力，其中高低温回路电控阀开度用于调节外循环的水流量，冷却系统热量主要通过外循环水带走;高低温回路电控水泵用于调节内循环的水流量，当外循环水冷却不及时或过度冷却时，通过内循环进行补偿。

电控阀开度的控制由发动机工况、环境温度及电控阀前后压差确定，其中发动机工况指加油齿杆位置及发动机转速。但由于水是典型的大惯性传热介质，当采用开环控制对电控阀开度进行调节后，冷却水的温度需延迟一段时间后才能达到目标温度，且波动较大。因此需要通过电控水泵对发动机冷却系统内循环水流量进行闭环控制，对开环控制及时进行补偿。当冷却水温度升高时，提高电控水泵转速，增大内循环冷却水流量;当冷却水温度降低时，降低电控水泵转速，减小内循环冷却水流量。该冷却系统冷却水泵采取的是模糊控制，冷却系统控制目标为发动机本体出水温度90±1℃，中冷器出水温度为 60 ±1 ℃［13－15］。

通过台架试验，当从发动机转速为800 r/min、负荷为0%过渡到发动机转速为2 200 r/min、负荷为100%时，发动机本体出水温度图及中冷器出水温度图如图3、4所示。从图中可以看出:水温曲线分别在90±1℃和60±1℃范围内波动，即控制均能达到指标要求。由于冷却水温度得到合理的控制，发动机各项性能得到明显改善，如表1所示。表1为发动机冷却系统进行智能化改进前和改进后典型空转转速下燃油消耗量的对比，从表1中可以看出:相同工况下燃油消耗量都有所降低，并且发动机起步加温时间明显缩短，冷却系统耗功下降。

图3 发动机本体出水温度图

图4 中冷器出水温度图

4 展望

虽然智能化控制冷却系统达到了研究目标，但与国外先进的智能化控制冷却系统还存在一定差距，综合分析国内外研究进展，今后我国装甲车辆智能化控制冷却系统的研究应做好以下几个方面的工作。

表1 冷却系统改进前后比油耗对比

1)冷却介质温度的精确控制

柴油机工作时，汽缸内气体燃烧温度可达1 800～2 000℃，瞬时温度高达3 000℃，与高温燃气相接触的零件(如缸盖、活塞、汽缸、喷油器等)如不加以适当的冷却，发动机会过热，导致充气系数下降，使得燃烧不正常，易发生早燃和爆燃现象;发动机过热也会导致材料机械性能降低或产生严重的热应力，使零件产生变形或裂纹;另外，温度过高会使机油变稀，进而破坏润滑油膜，导致零件的摩擦和磨损加剧，从而使发动机的动力性、经济性、可靠性恶化。如果冷却液温度过低，使得机油被燃油变稠，同时也恶化了混合气体形成和燃烧，增加机油黏度和摩擦损失，造成零件间的磨损加剧。只有将冷却液温度控制在合理有效范围内，柴油机才能获得最佳的经济性、动力性［16］。

智能化控制冷却系统可以将发动机出口处冷却水温度控制在90±1℃，但从获得最佳经济性及动力性的角度考虑，发动机实际工作过程中，冷却介质目标温度应随发动机工况而变化，发动机转速及负荷低时，冷却介质目标温度相对应高，转速及负荷增加时目标温度应逐渐降低，所以下一步目标是精确控制冷却介质温度随发动机工况合理变化。

2)进气温度的精确控制

进气温度的高低对发动机的功率、油耗及热效率都会产生很大影响，研究表明，进气温度降低，将使单缸功率增加，油耗下降，但过分降低进气温度将有可能使得燃油雾化不好，降低燃烧热效率，反而使油耗率上升，同时使得增压柴油机冷启动和低负荷性能变差，所以精确控制进气温度，使其随工况变化，始终保持在合理的温度，能改善燃烧状况，提高热效率［17－18］。

对于增压柴油机可以通过控制中冷器冷却水温度以控制进气温度，智能化控制冷却系统通过控制中冷器出口温度为固定目标温度，实现了对进气温度的控制，但由于进气温度随发动机工况变化比较大，部分工况进气温度没有达到合理值，所以智能化控制冷却系统应控制中冷器冷却水温度目标值随发动机工况变化，进气温度随发动机负荷的增加而降低，使进气温度始终控制在合理值。

3)关键部件的热负荷控制

热负荷是影响汽缸盖、汽缸套等发动机关键部件可靠性的一个重要因素，发动机在启动、突加负荷、突减负荷等过渡工况下，汽缸盖，汽缸套等关键部件的温度将发生急剧变化，产生很大的温度梯度，形成很强的热冲击，造成严重的低周热疲劳［19－22］。

智能化控制冷却系统应能根据对关键部件关键点的进行温度监控，及时调整水泵及风扇转速，减少关键点的热负荷，提高部件可靠性。

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