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

1、    可完全關(guān)閉的發(fā)動(dòng)機(jī)按需調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)         發(fā)動(dòng)機(jī)按需冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn)是采用電動(dòng)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(shí)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(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)對(duì)于保證發(fā)動(dòng)機(jī)的安全工作具有十分重要的意義。但是，發(fā)動(dòng)機(jī)并不是在任何時(shí)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(dòng)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(shuō)，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(dòng)機(jī)的冷卻還可能幫倒忙。例如在冷起動(dòng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡快地使發(fā)動(dòng)機(jī)熱起來(lái)，以便降低摩擦和降低油耗、改善排放。此時(shí)的冷卻液循環(huán)恰恰延緩了使發(fā)動(dòng)機(jī)溫度升到理想的工作溫度的進(jìn)程。而且，此時(shí)冷卻液帶走的熱量本身還是燃料燃燒換來(lái)的。所以，人們?cè)缇烷_(kāi)始追求一種按需調(diào)節(jié)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻方式了。事實(shí)上，節(jié)溫器就是一種最原始的按需冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的裝置，只是它過(guò)于簡(jiǎn)單。只有利用近代的電子控制技術(shù)，才有可能實(shí)現(xiàn)完全按需調(diào)節(jié)的發(fā)動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(diǎn)的各種損耗。由圖可以看出，發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)功率與發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)循環(huán)水量的實(shí)際需要相匹配。在部分負(fù)荷下如此節(jié)省下來(lái)的冷卻液泵驅(qū)動(dòng)功率應(yīng)當(dāng)能夠補(bǔ)償可調(diào)節(jié)的電動(dòng)泵在效率方面相對(duì)于機(jī)械泵的缺點(diǎn)。然而，迄今為止所有的系統(tǒng)都依賴于對(duì)氣缸蓋出口處冷卻液溫度的測(cè)量，而如此進(jìn)行的溫度測(cè)量要求冷卻液有一定的流量。那樣的話，采用電動(dòng)泵進(jìn)

4、行按需冷卻的優(yōu)點(diǎn)就無(wú)法發(fā)揮出來(lái)，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(dòng)機(jī)加熱階段流量計(jì)算的計(jì)算機(jī)模型通過(guò)對(duì)循環(huán)回路進(jìn)行節(jié)流來(lái)實(shí)現(xiàn)零流量，但是必須與發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)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(dòng)機(jī)按需冷卻系統(tǒng)有兩個(gè)特點(diǎn)：一是采用電動(dòng)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(shí)現(xiàn)按需冷卻，某公司開(kāi)發(fā)了一種在燃燒室的冷卻水套中測(cè)量溫度的系統(tǒng)，借此驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)按需冷卻的調(diào)節(jié)回路。這項(xiàng)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(jiàn)圖2。整個(gè)系統(tǒng)由一臺(tái)電動(dòng)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(jiǎn)單的原理試驗(yàn)，這些試驗(yàn)證明，對(duì)應(yīng)于氣缸筒之間壁厚部位的溫度測(cè)試點(diǎn)的傳感器原則上能夠與處于兩個(gè)排氣門之間的鼻皸部位發(fā)動(dòng)機(jī)最熱的部位同樣靈敏地對(duì)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(jiàn)圖3。即使相比之下在氣缸蓋墊上對(duì)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(cè)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(cè)量，這并不很重要。通過(guò)這種方式，第一次開(kāi)啟了在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)完全關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻回路以求迅速加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的可能性。在傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)外面的溫度傳感器能夠感覺(jué)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(huì)發(fā)生對(duì)冷卻液溫度的失察，見(jiàn)圖4。密封帶的溫度接近于過(guò)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(yàn)載體為概念開(kāi)發(fā)而進(jìn)行的所有基礎(chǔ)試驗(yàn)和按照新歐洲行駛循環(huán)（NEUDC）進(jìn)行的初步試驗(yàn)都在一臺(tái)福特公司的1.4L多點(diǎn)噴射發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行。旨在證明實(shí)際行駛中可以實(shí)現(xiàn)的效果的所有其他試驗(yàn)都在一臺(tái)歐寶1.8L汽油機(jī)上進(jìn)行。發(fā)動(dòng)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(yàn)結(jié)果整個(gè)系統(tǒng)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，在動(dòng)

7、態(tài)試驗(yàn)臺(tái)上按照新歐洲行駛循環(huán)進(jìn)行測(cè)試，見(jiàn)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(dòng)機(jī)的加熱性能大為改善。其優(yōu)點(diǎn)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(yàn)中，按需冷卻的發(fā)動(dòng)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(guò)完全關(guān)閉冷卻液循環(huán)才能達(dá)到。試驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉冷卻液回路的時(shí)間在整個(gè)試驗(yàn)時(shí)間中所占的比例明顯地超過(guò)50%。從安置傳感器的氣缸蓋墊的溫度曲線看出，在這個(gè)第一臺(tái)發(fā)動(dòng)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(zhǎng)途行駛中的結(jié)果為了證實(shí)實(shí)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(diǎn)噴射）的歐寶Meriva轎車上針對(duì)兩種情況畫出了道路行駛曲線。這兩種行駛循環(huán)見(jiàn)表2。這里的城市行駛循環(huán)是典型的購(gòu)物行駛循環(huán)，在這種購(gòu)物行駛循環(huán)中，發(fā)動(dòng)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(jiàn)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(shí)間的比例完全不同于新歐洲行駛循環(huán)：發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在一個(gè)從怠速至2000r/min的非常狹窄的轉(zhuǎn)速范圍之內(nèi)；工況點(diǎn)主要集中在部分負(fù)荷的40Nm以下的范圍。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)，以及熱發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)一個(gè)小時(shí)的冷卻之后再起動(dòng)時(shí)逐秒測(cè)量的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度/轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中的熱發(fā)動(dòng)機(jī)是在經(jīng)過(guò)1h的冷卻，達(dá)

9、到60-65的溫度水平之后起動(dòng)的。這樣的冷卻階段沒(méi)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(dòng)機(jī)在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的試驗(yàn)。這里又在傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)和采用按需調(diào)節(jié)冷卻回路的發(fā)動(dòng)機(jī)之間進(jìn)行了比較。  冷發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和熱發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻后起動(dòng)的比較按需冷卻的發(fā)動(dòng)機(jī)的特性是冷卻回路關(guān)閉的運(yùn)行時(shí)間在整個(gè)運(yùn)行時(shí)間中所占的比例可以相當(dāng)大。在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)之后的第一個(gè)循環(huán)部分中，節(jié)油4.4%，見(jiàn)圖7。在城市行駛循環(huán)的所有其他部分中，發(fā)動(dòng)機(jī)得以在60的冷卻液溫度下起動(dòng)，平均節(jié)油3.8%，見(jiàn)圖8。  城市行駛循環(huán)第一部分的特征清楚地表明，發(fā)動(dòng)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(gè)城市循環(huán)中能夠使電動(dòng)冷卻液泵的通電時(shí)間明顯地小于循環(huán)時(shí)間的10%，這個(gè)事實(shí)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(diǎn)。長(zhǎng)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(yàn)中的節(jié)油效果在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上，見(jiàn)圖9。此外，所有的累計(jì)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(dòng)冷卻液泵由動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)的蓄電池供電。應(yīng)當(dāng)指出，發(fā)動(dòng)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(diǎn)火提前角、加濃等）的。如果專門通過(guò)集成于氣缸蓋墊的傳感器實(shí)現(xiàn)冷起動(dòng)噴油量加濃功能，則還將帶來(lái)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(guò)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(dòng)機(jī)完全關(guān)閉冷卻液的循壞，而不會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱的危險(xiǎn)。只有這樣才能實(shí)現(xiàn)明顯的節(jié)油效果。這個(gè)節(jié)油效果在新歐洲行駛循環(huán)中達(dá)到2.9%。在實(shí)際的汽車行駛中，長(zhǎng)途行駛循環(huán)中節(jié)油效果達(dá)到3.1%。發(fā)動(dòng)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(dòng)冷卻液泵關(guān)閉的時(shí)間可達(dá)整個(gè)循環(huán)時(shí)間的90%以上。由此形成的節(jié)油效果超過(guò)4%。由此可以得出結(jié)論：冷發(fā)動(dòng)機(jī)冬天在O溫度下起動(dòng)時(shí)節(jié)油效果肯定還會(huì)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(yàn)尚有待進(jìn)行。通過(guò)按需調(diào)節(jié)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)實(shí)例可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用并不局限于排放控制和發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定。在開(kāi)發(fā)以某種方式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程發(fā)生影響的調(diào)節(jié)方法時(shí)，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)也能夠發(fā)揮出很大的優(yōu)點(diǎn)。特別是當(dāng)要從靜態(tài)工況轉(zhuǎn)移到實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)工況，或者從一個(gè)“人造的”試驗(yàn)循環(huán)轉(zhuǎn)移到實(shí)際的道路行駛時(shí)，那么動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)是不可替代的。研究表明，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行按需