电机球阀式节温器在发动机冷却系统的应用研究

代永刚，张世豪，曹慧颖，程剑峰，李杰，解小超

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

1 概述

如何提高发动机的热效率，提升发动机的燃油经济性，一直是发动机研发的主要课题，尤其随着油耗法规的日益加严，提升发动机的热效率，降低油耗的任务更显急迫。据统计，发动机燃烧产生热量的30%被冷却系统带走，并经冷却风扇，消散在空气中，因此冷却系统的优化，对提升发动机的热效率大有可为。随着零部件技术的发展，发动机用节温器已发展出电机球阀式节温器，相较传统蜡式机械节温器，电机球阀式节温器可以对发动机大、小冷却水循环进行控制。本文基于电机球阀式节温器的特性和发动机管理系统的功能扩展，设计了一种用于发动机冷却水运行的控制策略，使发动机在启动后快速暖机，并在安全、高效的水温区间运行，提高发动机的热效率，降低油耗。

2 电机球阀式节温器结构

电机球阀式节温器内部为电机驱动的球阀，环绕球阀腔室，有五路通道与冷却系统连接，分别连膨胀水壶补水口、散热器回水口、暖风回水口、发动机小循环出水、水泵进水口。球阀驱动电机为直流电机，电机传动采用涡杆结构（电机断电后，球阀会保持在当前开度位置）。球阀开度检测采用电磁感应原理，并经球阀内部单片机处理后，按照SENT协议格式发送给发动机 ECU，协议标准为：SAE J2716-2010。

图1 电机球阀式节温器结构

3 电机球阀节温器在发动机冷却系统的应用

3.1 硬件架构设计

电机球阀式节温器的控制是基于发动机管理系统实现的。为此，发动机控制单位ECU需增加一路H桥，以驱动电机球阀式节温器的直流电机，控制球阀转动，同时为能更精确地对发动机的水温进行闭环控制，还需增加一路sent接口读取球阀的当前位置开度。

图2 电子球阀节温器控制硬件结构框图

3.2 控制逻辑设计

相比传统蜡式机械节温器，应用电机球阀式节温器后，ECU通过主动调冷却水循环的流动，调节发动机的运行水温。通过快速暖机和整体提高发动机部分负荷的运行水温，降低发动机的摩擦损失，提高机械效率，从而提高发动机的热效率。

下图为电机球阀节温器的流量曲线，橘黄色线为小循环流量曲线，红色线为大循环流量曲线。

图3 球阀开度-流量曲线图

冷启动暖机阶段，所有水循环切断，让发动机快速升温。当水温升到60℃后，逐步开启小循环，提高发动机热均匀性，对机油进行更好加热。部门负荷时，将水温控制在高位运行，以提高热效率，提升燃油经济性。全负荷时，防止爆震，提高发动机可靠性，可适当降低运行水温。

表1 发动机水温控制要求

发动机运行水温采用PID闭环控制。根据对水温的影响因素，定义发动机负荷（进气歧管压力值）_转速、车速_进气温度、发动机负荷_车速与水温的三维标定表格。通过查询以上三个标定表格，并取最小值，即为发动机运行期望水温。发动机期望水温与实际水温（水温传感器测得水温）之差，即水温差值。基础输出占空比由差值与水温、发动机负荷查表得到。同时水温差值输入PID控制输出修正占空比，该值与基础输出占空比之和即为发动机节温器控制模型的输出占空比。

另外根据电机球阀节温器的物理特性（直流电机执行器响应延迟、阀体回位弹簧阻力、不同负荷下变化的冷却液水流阻力等影响因素），对期望的球阀位置开度采用闭环 PID控制，该PID控制输出的基于电机球阀节温器物理特性的补偿占空比，此值与发动机节温器控制模型的输出占空比之后，即为ECU最终输出控制球阀运行的执行占空比。

图4 发动机水温控制模型

3.3 车辆改造及测试

在江淮2.0T+_M6_DCT车型上，将传统蜡式机械节温器（初开水温85℃，全开95℃，NEDC测试，高速水温平衡在91℃左右），替换成电机球阀节温器，同时对水路进行改造。改造后的冷却系统见下图。当大、小循环均关闭时，暖风和DCT冷却水路关闭。为确认发动机水温分布情况，在图示中红色箭头标示3地方和发动机油底壳（T1）安装热电偶传感器。

图5 发动机冷却水路

试验前车辆静止 24h小时，转鼓实验室温 25℃，电压12.1V，湿度50%，测试中空调关闭,冷却风扇关闭。发动机热平衡控制（发动机水温）在95°C，在转鼓上进行NEDC测试，测试数据如下：

图6 NEDC工况运行水温

暖机阶段球阀不开启，在水温达到60℃（游标1处，此时球阀开度为14.2°），高速阶段水温平衡96℃（游标2处，此时球阀开度为 16.1°）。实际上，由于小循环开度小下，缸体、缸盖热交换差，发动机实际运行水温处于图6中黄色线与红色线之间。

4 结束语

为满足日益严格的油耗和排放法规，通过提高发动机运行水温，降低摩擦功能，提高发动机热效率，本文设计了一种使用电机球阀节温器控制发动机运行水温的方法，该方法基于发动机管理系统扩展实现。在江淮2.0T+_M6_DCT应用测试后，表明使用该方法可提高发动机的运行水温。

参考文献

[1] 江淮汽车技术中心.绿程汽油机节油技术分析报告.

[2] 周龙宝.内燃机学.第三版[M]北京机工印刷厂, 2015.

[3] 张西振.汽车发动机电控技术[M]第三版.机械工业出版社, 2016.

[4] 曲阜天博.电机球阀节温器使用说明书.