关于车辆发动机恒温冷却节能系统的研究

张海花 张明伟 姚兴 赵伟剑 李涧 贾旺旺

摘 要：作为机动车的核心部分，发动机决定着机动车的动力性、稳定性和环保性。如何将受热零件吸收的多余热量及时散发，从而保证发动机在最合适的温度状态下工作，冷却系统起着至关重要的作用。但传统汽车发动机冷却系统存在水气温度变化大、有效功率低、寿命低、风扇噪声高等缺点，研发一款节能、高效、灵活、环保的新型车辆发动机冷却系统有着非常重要的意义。

关键词：发动机;冷却系统;机动车辆;节能

随着人们生活品质的日益提高，家用车和其他机动车的数量不断增大，导致现代车用发动机产生的热流密度不断增大。目前发动机行业面临着如何解决高功率密度下的冷却及热平衡问题;此外，日益严格的排放标准也对冷却系统提出了新的要求，传统冷却系统不能全面适应发动机实际运行时的冷却需求，从而研发一款低功耗、低噪音、高寿命的智能发动机恒温节能冷却系统十分必要。

1 总体技术

发动机冷却系统的核心作用就是冷却发动机，确保发动机在正常的温度范围内工作。发动机工作时，其温度可高达2000℃，若不能采取有效冷却手段，不仅会使发动机过热导致充气效率下降、燃烧不正常、机油变质、零件磨损加剧，甚至会造成机件卡死或烧毁等事故性损伤。因此，必须对发动机进行适当冷却，保证发动机始终处在最适宜的温度状态下工作。

《汽车发动机恒温冷却节能系统》项目的核心技术原理为：根据ECU监测到的各换热器介质温度，通过PID算法控制系统的冷却强度。两个换热系统均采用完全独立的电驱动风扇作为冷却源，满足各部分冷却介质的恒温控制，提高效率。该冷却系统功率消耗小于发动机输出功率的2%，可降低大于8%的油耗，减少约8分贝的噪音，提高了发动机的使用寿命。

2 温控原理

发动机冷却系统传感器会把中冷器进气口温度、散热器进水口温度实时传递给ECU控制器，ECU控制器会根据预设温度进行判断是否启动风机和风扇。为了达到温度预设值，ECU控制器会控制冷却系统风扇运转对中冷器和水箱进行散热，从而保证发动机始终在正常温度范围内运转工作。整个温控使用PID算法，通过判断当前温度与设置温度的差值，不断地调整占空比，进而影响风扇转速，缩小差距，使温度不断逼近设置值，实现精准控制。当与预设值的差值较大时，能加大散热力度，当与预设值差值较小时，散热力度则会减弱，最终成功实现节能减排的效果。此方案相比传统式串联散热系统更加高效。

3 PID算法公式

3.1 传感器系统（精准测量）：

温度传感器总成、转速传感器、仪表显示装置。

其中精密灵敏的水温和中冷温度传感器可实时检测温度变化。使用数字化显示，数据更新连续，显示参数齐全，直观简洁。而且传感器皆为模块化设计，便于维护维修，对环境适应性强。

3.2 散热器和冷却系统（独立节能）：

冷却系统一体化无刷直流电驱风扇（发明专利）、散热器、中冷器、油冷器、护风罩、引风罩、车用快速泄放阀（发明专利）、悬置系统。

发动机水冷式冷却系统主要由水泵、散热器、冷却风扇、补偿水箱、节温器、发动机机体、气缸盖中的水套等部分组成。

整体冷却系统包含水冷，中冷，油冷三种不同的工作组。

其中，水冷系统通过水泵使环绕在气缸水套中的冷却液加快流动，通过行驶中的自然风和电动风扇，使冷却液在散热器中进行冷却，冷却后的冷却液再次引入到水套中，周而复始，实现对发动机的冷却。

中冷器是增压系统的重要组成部件。在增压器与发动机进气歧管之间安装中冷器，起到冷却空气的作用，高温空气经过中冷器的冷却，再进入发动机中。在相同的条件下，增压空气的温度每下降10℃，发动机功率就能提高3%～5%。

油冷器，一般有两侧，热侧是润滑油或燃油，冷侧是冷却水或空气。车辆在行驶过程中，各大润滑系统中润滑油依靠油泵动力，经过机油冷却器热侧通道，将热量传给机油冷却器的冷侧，而冷却水或冷风则通过机油冷却器冷侧通道将热量带走，实现冷热流体之间的热交换，确保润滑油处于最合适的工作温度。

不同的冷却工作组采用完全独立的电驱动风扇作为冷却源，满足各系统的冷却介质的恒温控制，有效控溫。同时中冷器加大“液——气”温差，满足进气系统，依靠涡轮增压器来加大发动机进气量，利用发动机排出的废气作为动力来推动涡轮室内的涡轮（位于排气道内），涡轮又带动同轴的叶轮（位于进气道内），叶轮压缩由空气滤清器管道送来的新鲜空气，再送入气缸。当发动机转速加快，废气排出速度与涡轮转速也同步加快，空气压缩程度就得以加大，发动机的进气量就相应地得到增加，促进涡轮发动机工作，提高输出功率。

另一方面，独立工作的电驱风扇能实现无履带无离合器的无极变速，即连续获得变速范围内任何传动比的变速系统。实现任意风速，按需散热，同时与散热器和中冷器等贴合，实现一体化，减少卡顿和避免传动的低效，加强散热效果，使散热系统的功耗和噪声都大幅度降低。

4 特色和创新点

1.实时控制二个相互独立的中冷系统和水冷系统的风扇，控制其冷却强度。

2.二个换热系统均采用完全独立的电驱动风扇作为冷却源，满足各系统的冷却介质的恒温控制。

3.采用PID温度控制策略，精准控温，按需散热。

4.组合式冷却风扇由ECU分别控制，水箱、中冷器独立散热。

5.无极变速，大幅度降低传统机械式风扇变速造成的卡顿以及噪声和震动。

6.冷却系统功率消耗小于发动机功率的2%，油耗降低大于8%，噪音减少约8分贝。

7.提高发动机的使用寿命，冷却系统改装后综合气耗下降7.5%，一年节约费用约8775元（不考虑购入散热系统成本）。

8.节能、高效、灵活和环保

基金项目：本文是2019年国家大学生创业训练“车辆发动机恒温冷却节能系统”（项目编号：201910595060）项目成果.

参考文献：

[1]徐振元.工程车辆波纹翅片散热器特性分析与应用研究[D].吉林大学，2012.

[2]王建明，黄莺，童乐.车辆废热回收有机朗肯循环系统热力性能分析[J].内燃机工程，2019，40（03）：80-86.

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[4]常贺. 某车辆热管理系统开发研究[D].吉林大学，2014.

[5]陈哲超. 单体汽车散热特征研究[D].华南理工大学，2012.