可完全關(guān)閉的發(fā)動機(jī)按需調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)

1、    可完全關(guān)閉的發(fā)動機(jī)按需調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)         發(fā)動機(jī)按需冷卻系統(tǒng)的特點是采用電動冷卻液泵和采用集成于氣缸蓋墊的冷卻液溫度傳感器。只有當(dāng)實現(xiàn)了能夠完全切斷冷卻回路的調(diào)節(jié)概念之后，才能在油耗方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)點。發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)對于保證發(fā)動機(jī)的安全工作具有十分重要的意義。但是，發(fā)動機(jī)并不是在任何時候都需要冷卻；即使需要冷卻，在不同工況下所需要的冷卻程度也各有不同。在不需要冷卻的工況下，傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)中利用節(jié)溫器關(guān)閉冷卻液通往散熱器的回路，也就是說，使冷卻系統(tǒng)從大循環(huán)轉(zhuǎn)

2、入小循環(huán)。但盡管如此，冷卻液泵繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，繼續(xù)消耗著能量。在許多工況下，發(fā)動機(jī)的冷卻還可能幫倒忙。例如在冷起動時，應(yīng)當(dāng)盡快地使發(fā)動機(jī)熱起來，以便降低摩擦和降低油耗、改善排放。此時的冷卻液循環(huán)恰恰延緩了使發(fā)動機(jī)溫度升到理想的工作溫度的進(jìn)程。而且，此時冷卻液帶走的熱量本身還是燃料燃燒換來的。所以，人們早就開始追求一種按需調(diào)節(jié)的發(fā)動機(jī)冷卻方式了。事實上，節(jié)溫器就是一種最原始的按需冷卻發(fā)動機(jī)的裝置，只是它過于簡單。只有利用近代的電子控制技術(shù)，才有可能實現(xiàn)完全按需調(diào)節(jié)的發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)。本文將介紹的這種系統(tǒng)利用氣缸蓋墊的溫度作為主控變量，提供給電控單元實現(xiàn)對冷卻系統(tǒng)的按需調(diào)節(jié)，還能夠完全關(guān)閉冷卻回路。故因其

3、能夠較好地調(diào)節(jié)和定量而顯得卓越超群。按需冷卻的基本思路圖1示出了汽油機(jī)在2500r/min的轉(zhuǎn)速下，在較低的和較高的部分負(fù)荷工況點的各種損耗。由圖可以看出，發(fā)動機(jī)正是在典型的道路行駛中所處的部分負(fù)荷下由于不正常的燃燒、充量交換、冷卻和摩擦造成了巨大損耗。發(fā)動機(jī)按需冷卻的概念抓住了冷卻和摩擦造成的損耗。其基本思路是，使冷卻液泵的驅(qū)動功率與發(fā)動機(jī)對循環(huán)水量的實際需要相匹配。在部分負(fù)荷下如此節(jié)省下來的冷卻液泵驅(qū)動功率應(yīng)當(dāng)能夠補(bǔ)償可調(diào)節(jié)的電動泵在效率方面相對于機(jī)械泵的缺點。然而，迄今為止所有的系統(tǒng)都依賴于對氣缸蓋出口處冷卻液溫度的測量，而如此進(jìn)行的溫度測量要求冷卻液有一定的流量。那樣的話，采用電動泵進(jìn)

4、行按需冷卻的優(yōu)點就無法發(fā)揮出來，利用這種概念達(dá)到節(jié)油目的也難以形成。雖然人們可以利用發(fā)動機(jī)加熱階段流量計算的計算機(jī)模型通過對循環(huán)回路進(jìn)行節(jié)流來實現(xiàn)零流量，但是必須與發(fā)動機(jī)的過熱極限保持很大的安全距離，因而限制了這種模型支持的調(diào)節(jié)概念的效果。 這里介紹的發(fā)動機(jī)按需冷卻系統(tǒng)有兩個特點：一是采用電動冷卻液泵；二是采用集成于氣缸蓋墊的冷卻液溫度傳感器。系統(tǒng)構(gòu)造為了實現(xiàn)按需冷卻，某公司開發(fā)了一種在燃燒室的冷卻水套中測量溫度的系統(tǒng)，借此驅(qū)動發(fā)動機(jī)按需冷卻的調(diào)節(jié)回路。這項任務(wù)借助于一種內(nèi)置了冗余溫度傳感器的氣缸蓋墊得以完成，見圖2。整個系統(tǒng)由一臺電動冷卻液泵、一套控制系統(tǒng)和傳感器-氣缸蓋墊系統(tǒng)組成

5、。為了確定溫度傳感器的位置，事先進(jìn)行了簡單的原理試驗，這些試驗證明，對應(yīng)于氣缸筒之間壁厚部位的溫度測試點的傳感器原則上能夠與處于兩個排氣門之間的鼻皸部位發(fā)動機(jī)最熱的部位同樣靈敏地對負(fù)荷與轉(zhuǎn)速的變化以及與此相關(guān)聯(lián)的傳入冷卻系統(tǒng)的較大熱量作出反應(yīng)，見圖3。即使相比之下在氣缸蓋墊上對應(yīng)于氣缸筒之間壁厚的部位溫度較低，但還是能夠證明，集成于氣缸蓋墊的溫度傳感器能夠可靠地檢測出跳躍式變化的輸入熱量。至于在氣缸蓋墊的底側(cè)、頂側(cè)還是氣缸蓋墊的中間進(jìn)行測量，這并不很重要。通過這種方式，第一次開啟了在發(fā)動機(jī)運(yùn)行時完全關(guān)閉發(fā)動機(jī)冷卻回路以求迅速加熱發(fā)動機(jī)的可能性。在傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)冷卻回路概念中，總是需要一定的冷卻液

6、流量，方能使得位于發(fā)動機(jī)外面的溫度傳感器能夠感覺得到溫度的變化。與此相反，帶集成于氣缸蓋墊的溫度傳感器的按需調(diào)節(jié)回路即使令冷卻液節(jié)流完全斷流，也不會發(fā)生對冷卻液溫度的失察，見圖4。密封帶的溫度接近于過熱極限，盡管如此，還是能夠可靠地采集到溫度數(shù)據(jù)。   試驗載體為概念開發(fā)而進(jìn)行的所有基礎(chǔ)試驗和按照新歐洲行駛循環(huán)（NEUDC）進(jìn)行的初步試驗都在一臺福特公司的1.4L多點噴射發(fā)動機(jī)上進(jìn)行。旨在證明實際行駛中可以實現(xiàn)的效果的所有其他試驗都在一臺歐寶1.8L汽油機(jī)上進(jìn)行。發(fā)動機(jī)及所屬汽車的技術(shù)數(shù)據(jù)列于表1。 新歐洲行駛循環(huán)中的試驗結(jié)果整個系統(tǒng)安裝在發(fā)動機(jī)上，在動

7、態(tài)試驗臺上按照新歐洲行駛循環(huán)進(jìn)行測試，見圖5。正如預(yù)期的那樣，該圖表明，按需調(diào)節(jié)的冷卻使得發(fā)動機(jī)的加熱性能大為改善。其優(yōu)點甚至在催化轉(zhuǎn)化器的起燃性能方面也有所體現(xiàn)，盡管不是太明顯。 在許多次的重復(fù)試驗中，按需冷卻的發(fā)動機(jī)都可以獲得2.9%的節(jié)油效果。引人注目的是，這樣的節(jié)油效果只有通過完全關(guān)閉冷卻液循環(huán)才能達(dá)到。試驗中，發(fā)動機(jī)關(guān)閉冷卻液回路的時間在整個試驗時間中所占的比例明顯地超過50%。從安置傳感器的氣缸蓋墊的溫度曲線看出，在這個第一臺發(fā)動機(jī)上所進(jìn)行的調(diào)節(jié)的均勻度還不能令人滿意。仿真的城市行駛和長途行駛中的結(jié)果為了證實實際汽車運(yùn)行中的結(jié)果，首先在一輛裝備1.8L汽油機(jī)（Z18XE，

8、多點噴射）的歐寶Meriva轎車上針對兩種情況畫出了道路行駛曲線。這兩種行駛循環(huán)見表2。這里的城市行駛循環(huán)是典型的購物行駛循環(huán)，在這種購物行駛循環(huán)中，發(fā)動機(jī)及其冷卻回路的負(fù)荷情況完全不同于新歐洲行駛循環(huán)，見圖6。由圖可以看出，所有的行駛循環(huán)具有完全不同的負(fù)荷情況，而且相互之間不具有可比性。特別是，城市行駛循環(huán)中停留時間的比例完全不同于新歐洲行駛循環(huán)：發(fā)動機(jī)運(yùn)行在一個從怠速至2000r/min的非常狹窄的轉(zhuǎn)速范圍之內(nèi)；工況點主要集中在部分負(fù)荷的40Nm以下的范圍。此外，發(fā)動機(jī)冷起動時，以及熱發(fā)動機(jī)經(jīng)過一個小時的冷卻之后再起動時逐秒測量的發(fā)動機(jī)溫度/轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。試驗中的熱發(fā)動機(jī)是在經(jīng)過1h的冷卻，達(dá)

9、到60-65的溫度水平之后起動的。這樣的冷卻階段沒有包含在新歐洲行駛循環(huán)中。其扭矩/轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)是根據(jù)歐寶1.8L發(fā)動機(jī)在動態(tài)試驗臺上進(jìn)行的試驗。這里又在傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)和采用按需調(diào)節(jié)冷卻回路的發(fā)動機(jī)之間進(jìn)行了比較。  冷發(fā)動機(jī)起動和熱發(fā)動機(jī)冷卻后起動的比較按需冷卻的發(fā)動機(jī)的特性是冷卻回路關(guān)閉的運(yùn)行時間在整個運(yùn)行時間中所占的比例可以相當(dāng)大。在發(fā)動機(jī)冷起動之后的第一個循環(huán)部分中，節(jié)油4.4%，見圖7。在城市行駛循環(huán)的所有其他部分中，發(fā)動機(jī)得以在60的冷卻液溫度下起動，平均節(jié)油3.8%，見圖8。  城市行駛循環(huán)第一部分的特征清楚地表明，發(fā)動機(jī)不僅僅是由于它的快速暖機(jī)

10、才得以節(jié)油的。在第一個城市循環(huán)中能夠使電動冷卻液泵的通電時間明顯地小于循環(huán)時間的10%，這個事實表明了關(guān)閉冷卻回路的意義。如果換一種概念，不是將冷卻液回路關(guān)閉，而僅僅是按需節(jié)流的話，那么就不能充分發(fā)揮這些節(jié)油優(yōu)點。長途行駛循環(huán)節(jié)油效果為3.1%，與新歐洲行駛循環(huán)試驗中的節(jié)油效果在同一個數(shù)量級上，見圖9。此外，所有的累計油耗曲線都根據(jù)發(fā)電機(jī)效率和蓄電池效率進(jìn)行了補(bǔ)償。電動冷卻液泵由動態(tài)試驗臺的蓄電池供電。應(yīng)當(dāng)指出，發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)的所有功能還是利用傳統(tǒng)的冷卻液溫度傳感器進(jìn)行控制（點火提前角、加濃等）的。如果專門通過集成于氣缸蓋墊的傳感器實現(xiàn)冷起動噴油量加濃功能，則還將帶來進(jìn)一步的好處。

11、0;利用集成于氣缸蓋墊的溫度傳感器，能夠通過按需調(diào)節(jié)的冷卻循環(huán)回路使得正在運(yùn)行的發(fā)動機(jī)完全關(guān)閉冷卻液的循壞，而不會造成發(fā)動機(jī)過熱的危險。只有這樣才能實現(xiàn)明顯的節(jié)油效果。這個節(jié)油效果在新歐洲行駛循環(huán)中達(dá)到2.9%。在實際的汽車行駛中，長途行駛循環(huán)中節(jié)油效果達(dá)到3.1%。發(fā)動機(jī)在城市行駛中是在很低的部分負(fù)荷下運(yùn)行的，因而只有很少的熱量傳遞給冷卻回路。電動冷卻液泵關(guān)閉的時間可達(dá)整個循環(huán)時間的90%以上。由此形成的節(jié)油效果超過4%。由此可以得出結(jié)論：冷發(fā)動機(jī)冬天在O溫度下起動時節(jié)油效果肯定還會更高一些。除此以外，由于促使催化轉(zhuǎn)化器迅速地達(dá)到起燃溫度，所以在排放方面也有好處。相關(guān)的試驗尚有待進(jìn)行。通過按需調(diào)節(jié)的發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的開發(fā)實例可以看出，發(fā)動機(jī)動態(tài)試驗臺的應(yīng)用并不局限于排放控制和發(fā)動機(jī)標(biāo)定。在開發(fā)以某種方式對發(fā)動機(jī)工作過程發(fā)生影響的調(diào)節(jié)方法時，動態(tài)試驗臺也能夠發(fā)揮出很大的優(yōu)點。特別是當(dāng)要從靜態(tài)工況轉(zhuǎn)移到實際的發(fā)動機(jī)工況，或者從一個“人造的”試驗循環(huán)轉(zhuǎn)移到實際的道路行駛時，那么動態(tài)試驗臺是不可替代的。研究表明，對發(fā)動機(jī)進(jìn)行按需