现代发动机智能化热管理系统模块研究现状与展望

谢孙寅

（同济大学经济与管理学院，上海 200092）

0 引言

随着全球能源危机的出现以及汽车排放法规的越发严格，各个汽车制造商纷纷开始结合最新科技手段及先进的制造工艺，不断降低汽车油耗以及所带来的排放污染，而在其中汽车发动机热管理系统一直是行业内所追捧的一个热点，对于每个汽车制造商来说，如果能精确控制发动机温度，就能更好地改善发动机的燃烧性能，从而能进一步发挥发动机的性能，这样一来就能有效地提高发动机效率以及燃油经济性，最终减少尾气排放。

1 现代汽车发动机热管理系统智能化概念简述

现代汽车发动机热管理系统已经成为各个汽车生产商进行节能减排的重要手段，而热管理系统的智能化、结构优化和材料多元化是其中最主要的研究方向。其中发动机热管理系统的智能化较早地被研发并且已经取得一定成果，研发生产出许多智能化的热管理系统模块。

发动机热管理系统概念很早以前就已经提出，对于每个汽车生产商来说，其具体的含义有所不同，有些厂商会针对冷却水泵进行智能化更新，有些厂商会对于节温器进行智能化设计，更有甚者，会全新开发智能化控制的模块取代冷却系统内传统的温度控制部件，因此对于热管理系统智能化，可谓是多种多样，但最终的目的都是使汽车更加环保节能。

目前随着计算机技术的不断发展以及相关发动机电控技术的革新，越来越多的零部件厂商开始研究和开发机电一体化的产品，例如电控可变水泵、电子节温器、电子风扇等一系列发动机冷却系统部件，这些机电一体化产品都是通过安装在其内部的传感器以及控制芯片根据发动机实际工况进行温度控制，以此来精确地控制冷却液的流量及其温度，最终使热管理系统模块控制智能化，降低了能耗，提高了效率。

2 国内外智能化热管理系统模块介绍

麦格纳公司研发出电子可变水泵（见图1），此电子水泵通过电控系统和计算机芯片，结合发动机实际的工况进行冷却液流量控制，同时在汽车发动机冷启动时，此电子水泵可以进行接近零流量的控制，以最快的速度给发动机冷却液升温，使润滑油快速达到最佳工作温度，减少因润滑不佳造成的发动机机体磨损，当发动机在正常运行过程中，可以根据功率转速进行实时修正冷却液流量，以保证发动机在最佳的温度工况下运作，最终能减少耗油1.5%左右，同时降低排放量。

美国伊顿公司在1998年提出了汽车发动机电子节温器系统的概念。利用电动蝶阀对冷却液的循环流量进行控制，并开发了相应的实验研究。他们认为电控节温器在提升车辆排放性和经济性方面有着很大的潜力。

EMP 公司给美国陆军的军用货车中安装了一款先进的热管理系统（见图2），这个热管理系统主要由电控风扇、电控水泵和电控节温器组成，同时还添加了动力系统的散热器和中冷器德散热器以及混合水箱。该热管理系统采用PID 控制方法，缩短暖机时间约50%，稳态下的燃油经济性提升5%～20%。

Valeo Engine Cooling（VEC）公司早在1992 年就开发出一种发动机热管理系统控制整个冷却系统，这个系统主要由电控水泵、电子节温器和电动风扇组成控制。电控水泵负责根据发动机转速，通过电机驱动对冷却液流量进行独立控制。电子节温器通过温度传感器传输信号，经过控制模块策略处理，再发送信号给电机执行器运行，整个工作过程主要根据冷却液温度进行冷却液流量控制。电动风扇转速则被分成高速和低速2档。该系统大约可以节省燃油消耗5%左右，同时还能有效地降低HC 排放达10%左右，但是由于发动机冷却液温度升高使燃烧温度增加，导致NOX反而增加了10%～20%。

图1 麦格纳公司电子可变水泵

Valeo Engine Cooling VEC 公司在1999 年提出一种先进的发动机热管理系统装置THEMIS，其主要系统由电控水泵、电子节温器和电控风扇组成，而其中风扇控制系统名叫FANTRONIC 系统，而水泵或者电子水阀控制被叫做PUMPTRONIC。整套系统有效地减少了噪音程度，CO 排放量减少20%和HC 降低10%并使NOX保持不变，同时也降低了汽车油耗2%～5%，改善了其舒适性能和发动机耐久性能。

郭新民等人对某款发动机的冷却系统进行了详细研究，由于此款发动机冷却系统中的风扇和水泵由液压马达驱动，因此通过单片机根据冷却水温度的变化对电磁比例阀进行调节，控制溢流量，以此最终实现冷却风扇和水泵转速的自动调节。经过试验表明，在冷启动状态下，发动机的预热时间减少50%，大大提高了暖机速度，同时在预热阶段的燃油消耗量也减少了43%。

郑州宇通集团有限公司在2007 年生产的客车首次采用了发动机热管理技术，智能控制冷却液温度和风扇运行状态，使客车发动机始终工作在最佳运行温度，可使百公里油耗降低5%～10%。

舍弗勒公司在2011 年和奥迪汽车共同研发出一款发动机热管理系统模块（见图3），此系统模块被运用安装在大众最新EA888 第3 代发动机上，主要由DC 马达、角度控制芯片、涡轮蜗杆机构以及2 个特殊设计的内置转阀组成，运行方式通过发动机ECU 获取各个部件内冷却液温度以及发动机的实际工况来对此模块进行控制，有效并精确地管理发动机各个部件的温度，从而替代了传统的节温器方是控制发动机温度。根据实验结果，此款热管理系统可以有效减少发动机冷启动时间，同时降低油耗达4%左右，大大增加了发动机各个部件的使用寿命，并减少了车厢内预热时间达40%，此款热管理系统模块在节能减排、增加舒适性以及发动机耐久性方面都有着显著的提高。小型化、集成化、高效率也是将来发动机热管理系统模块的重要的发展方向。

图2 EMP 公司电控节温器

图3 舍弗勒公司发动机热管理系统模块

舍弗勒公司的发动机热管理系统模块由DC 电机马达、位置度传感器、涡轮蜗杆系统以及2 个特殊设计的球阀和相关密封圈组成。此款热管理系统模块也是通过接受车辆ECU 的相关转速、扭矩以及水温和油温信号，设计控制策略，控制马达的通电时长，来控制球阀开启角度，同时经过角度传感器的反馈信号给车辆ECU，ECU 再根据此角度信号来检验和精确控制整个系统模块的运转。

此款热管理系统模块优势在于控制精度较高，共有4 个出口来控制流量，并且可以更加详细且精确地根据不同的策略方案设计出不同的流量控制手段，以此可以更加合理和有效地控制整体发动机的冷却温度，进一步有效地达到节能减排的效果。

3 智能化热管理系统模块的发展趋势

结合以上已投产的发动机智能化热管理系统模块可知，现有的发动机热管理系统模块都是以执行器的工作方式进行，并没有将智能控制系统整合其中，目前阶段的控制手段则都是由ECU 控制系统处理，而真正的热管理系统模块智能化必须拥有自我调节功能，因此如何设计系统优化控制策略和与发动机的运行状态匹配成为未来发展的关键所在。根据以往的经验来看，如何真正发挥热管理系统的作用很大程度上取决于系统控制策略，而如何有效地控制水泵转速、电子节温器的开度大小以及电子风扇的运转速度都需要进行大量的标定试验，确保在实际运行过程中，可以根据实际发动机工作状态进行相应调整，以此达到最佳的发动机工作温度，缩短发动机冷启动期间的升温时间，最终实现节能减排的目的。

未来智能化的热管理系统模块不单单只是具有发动机冷却液调节分配功能的执行模块，更加需要有一个自主控制策略的模块，成为发动机系统控制单元中的一个独立控制分区，具有自行解析发动机运行状况，并根据相应的控制策略结合从ECU 内部读取的发动机各个运行参数进行自我调节控制，以此达到真正发动机智能化热管理系统模块。

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