冷却系统智能化研究

李文娟 曲景阳

摘 要：车辆及发动机技术的发展、能源与环境问题的涌现和人们使用需求的提升使冷却系统的功能定义不断演变、技术路径不断进化、性能要求不断提升。智能化是兼顾各种问题与需求的关键技术，是车辆及发动机冷却系统的进化与发展趋势。

关键词：冷却系统;智能化

1.车辆冷却系统的现状分析

从世界上第一辆三轮内燃机汽车和四轮内燃机汽车开始，至今车辆取得了突飞猛进的发展，同时给能源和环境带来了前所未有的压力，而人们的使用需求也发生了与日俱增的提升。与此同时，冷却系统作为车辆及发动机的重要子系统，其技术水平也取得了相应发展，并扮演着愈加重要的角色。

在此期间，多气门结构、增压中冷、直喷稀燃等技术的先后采用，使内燃机的热效率由最初的不足5%提高到最高可迗50%以上，越来越接近理论循环热效率。同时，内燃机的功率密度越来越高，热负荷越来越大，散热需求也越来越大。燃气对燃烧室壁的放热量约占燃料燃烧总放热量的20%-30%，该部分热量大部分由冷却系统带走并散失到大气中;除此之外，增压空气、制冷剂、液压油、变矩器油等流体介质也需要通过冷却系统来冷却，增加了冷却系统的散热能力需求。另外，由于系统布置更加复杂、空间尺寸更加紧凑，冷却系统需要在更恶劣的环境下以更高的效率进行应对。

另一方面，现行排放法规的排放测试循环中取消了发动机起动后的息速40s暖机时间，并且初始测试温度降至-7℃，有研究表明起动出气300s时间的CO和HC排放占整排放测试阶段中的60%-80%。这意味着，暖机过程的冷却状况必须给予足够重视。同时，为了抑制NOx排放，冷却的废气再循环技术的采用，给冷却系统的散热能力进一步施加了压力。另外，有研究表明车辆冷却系统仅在3-5%的运行时间里工作在其设计能力状态，其佘均处于冷却能力过剩状态，一方面增加发动机摩擦磨损，一方面增加水泵与风扇的寄生损失，都给油耗水平带来负面影响。不仅如此，在人们的使用需求方面，汽车已经由最初的“没有马的马车”演变为集动力性、舒适性以及功能性于一身的交通工具。冷却系统需兼顾各项需求，不仅需要在高动力输出时保障车辆及发动机工作的可靠性，又要在不论炎热或寒冷的环境中保持乘员舱的适宜温度，并降低运行嗓声。

2.冷却系统零件的智能化趋势

纵观车用发动机冷却系统的发展历史，除新材料的使用外，推进技术发展的现行技术路径主要有三大类型：冷却机制的优化，主要代表是沸腾换热技术应用研究;冷却系统结构型式的优化，主要表现为分体式冷却系统、多回路及多级冷却系统的研究与应用;冷却系统的智能化，包括可控水系、可控风扇、可控节温器等部件的应用与集成控制等。其中智能冷却技术是未来满足各种需求的关键技术，也是其他技术路径得以实施的重要辅助手段。

3.车用发动机智能冷却系统的研究进展

可控的冷却风扇：在汽车及内燃机发展史上，最先实现可控的是冷却风扇。可控的冷却风扇按驱动形式划分主要有：离合器式风扇、电子风扇、液压驱动风扇。相比之下，电子风扇可以不受发动机转速限制，可进行独立控制，而且可灵活布置。电子风扇采用脉宽调制（PWM）方式进行无级调速。该系统不仅提高了电能转换效率，还实现了电子风扇的无级调速，具有广阔的市场应用前景。

可控的冷却水泵：以柴油机为主要动力的商用车及特种车型方面，见诸报道的以EMP公司的电子水果为主，并已形成系列，见图该系列电子水系由直流电机驱动，体积小巧，采用混流设计。应用于15L柴油机的电子水系与原机机械水系相比体积、重量均减少至少50%，可安装在发电机下方，节约空间;电机可由通往外壳周围的冷却液来冷却;此外，相比皮带驱动的机械水果可减小水系轴的弯曲应力。许多相关研均基于EMP公司提供的电子水泵。

可控的节温器：节温器用来调节旁通管路的压降，从而调节通过水箱和旁通的冷却液流量。而可控的智能节温器不应只是用来调节冷却液的混合从而决定冷却液温度，而是应该可针对发动机温度进行更复杂的控制早在1988年和1996年，便有研究者进行了可控节温器的原型设计及仿真研究现今可控的节温器主要有两种型式：电控蜡式节温器和电子节温器。两种可控节温器均可实现主动控制，其中电控錯式节温器体型较小，对原机改动较小，但控制精度较低;电子节温器可实现反馈控制，控制精度高，并且布置灵活，但成本较高，并且控制相对复杂。国内成熟产品鲜见，控制策略尚处研究阶段。

4. 系统集成开发技术发展现状

智能冷却系统的集成开发与相关研究已有20年历史。智能冷却系统在改善燃油经济性、延长机油使用寿命、减少有害物排放、延长发动机寿命以及增加系统灵活性方面的具体效果一方面依托于结构设计，一方面决定于所采用的控制策略以及控制系统特性。国内外见诸报道的相关研究更多的注重于结构设计，在控制方面多采用PID控制，但发动机冷却系统是一个多输入多输出且存在非线性和滞后效应的复杂系统，采用简单的PID控制算法，很难在复杂多变的实际使用工况下执行多参数多目标的精确控制。

另外，由于节能效果主要来自水泵和风扇等执行机构的寄生损失，那么对智能冷却系统的可控水泵与可控风扇等耗能部件进行控制的过程中，在按需完成冷却目标的同时，应兼顾部件耗能，以冷却系统部件总功率最小化为控制原则。

5. 结语

智能冷却系统的研究过程应是由發动机至整车、由实验室至产品的过程，但智能化并非孤立的技术手段，而与其他技术路径相辅相承;智能冷却系统各部件的运行亦非孤立，而是依据车辆行驶路况及发动机运行工况的变化协同工作。正因如此，在车辆及发动机运行的全工况下针对多个目标作系统化协调控制运行才是智能冷却系统技术的关键。

参考文献

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