冷却液温度的发动机性能优化设计
冷却液温度的高低对发动机的动力性和经济性有着较大的影响，在汽车的冷却系统中节温器对冷却液温度的高低起着至关重要的作用。而传统的蜡式节温器只受冷却水温的控制，很难根据发动机的实际工况精确控制实际水温。因此我们可以通过电子节温器替换传统的节温器来实现对发动机动力性和经济性的提高。通过台架试验来测取发动机参数并进行分析计算选取水温的最优值，再通过ECU对电子节温器和风扇进行综合控制，可使冷却水温控制在最优值附近。
关键词 发动机性能，发动机台架试验，电子节温器
目录
1 绪论 1
1.1 背景及意义 1
1.2 电子节温器的研究发展状况 1
1.3 台架实验 3
1.4 计算机测试系统 3
2 台架实验 3
2.1 发动机冷却系统的结构和工作原理 3
2.2 电子节温器的结构和工作原理 4
2.3 发动机性能的基本参数 5
2.4 发动机性能优化设计方案 7
2.5 试验的目的与试验方案 7
2.6 试验设备 7
2.7 试验需要测试的参数 9
2.8 试验过程 9
3 试验结果与分析 9
3.1 分析软件 9
3.2 动力性特征分析 12
3.3 经济性特征分析 13
3.4 特征工况分析 15
3.5 不同水温下搭载整车NEDC工况权重点对比 16
3.6 整车搭载后的数据分析 16
3.7 油耗最优全Map水温初选 18
3.8 分析结果 19
结论 20
致谢 2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
1
参考文献 22
1 绪论
1.1 背景及意义
汽车发动机是将热能转变为机械能的机器。然而汽车发动机只利用了热能的1/3，被废气带走的热量占1/3，剩余的则被发动机零部件吸收，这些吸热零部件需通过冷却来保证持续可靠的工作[1]。发动机的冷却系统起着至关重要的作用。而节温器在冷却系统中扮演着相当重要的角色。汽车发动机冷却系统的节温器的作用是改变冷却液的循环路线和流量，根据冷却液温度自动调节冷却强度。目前汽车发动机冷却系统广泛采用蜡式节温器，它是利用固态石蜡受热熔化体积膨胀的原理来控制节温器阀门的开度，进而控制冷却液流经散热器的流量，实现冷却强度的调节。从传统节温器的工作原理可知，传统机械式节温器开启和关闭只受冷却水温度控制，难以根据发动机的实际工况精确控制冷却冷却水温。根据适当提高发动机冷却水温可以减小机身内部磨损的特点，将传统机械式节温器替换为电子节温器可保证发动机工作在最适宜的温度下，达到提高汽车动力性和经济性，减小汽车的排放污染，从而实现节约能源，保护环境和提高发动机性能的目的[2]。
1.2 电子节温器的研究发展状况
冷却系统可分为传统的机械控制冷却系统和现代的电子控制发动机冷却系统。机械控制发动机冷却系统常用蜡式节温器控制冷却液的循环路线。电子控制发动机冷却系统由EDU通过电子节温器控制冷却液的循环路线。冷却循环路线分大循环和小循环两种。大循环指水温高时，冷却液全部经过散热器而进行的循环流动，其水循环要经过散热器。小循环则是指水温低时，冷却液不经过散热器而进行的循环流动、冷却过程有“滞回”特性，其对内燃机性能的制约主要表现:
1)节温器开启行程需要时间较常，大小循环并行，冷却液温升缓慢，暖机时间长。
2)石蜡节温器的响应延时和“滞回”特性，导致节温器无法根据内燃机水温变化做出实时的、准确的响应。因此电子风扇与节温器间很难做到精确匹配。
3)石蜡节温器的开度与冷却液温度之间并不是一一对应的关系，无法实现冷却液大、小循环流量分配的精确控制。因此各国的技术人员在机械式节温器方面进行了大量的研究。上海工程技术大学以石蜡节温器为母体，以一根圆柱卷簧状铜基形状记忆合金为温控驱动元件开发出一种新型节温器[3]。该节温器在汽车启动缸体温度较低时偏置弹簧，压缩合金弹簧使主阀关闭副阀打开，进行小循环，当冷却液温升到一定值时，记忆合金弹簧膨胀，压缩偏置弹簧使节温器主阀打开，且随着冷却液温度的升高主阀开度逐渐增加，副阀逐渐关闭，进行大循环。
电子节温器根据发动机的工作状态及环境温度，通过与水泵、电子风扇的匹配可以精确控制内燃机的进出水温度，提高内燃机的功率及燃油经济性，并降低排放。在国外，美国伊顿公司于利用电动蝶阀对冷却液的循环流量进行控制，并提出了电子节温器系统的概念。1996年，英国巴斯大学建立了内燃机冷却系统的数学模型并利用计算机仿真技术对节温器的PID控制策略进行了研究。1997年，美国Oakland大学引入带迟滞的延时差分方程来描述节温器在发动机冷却系统工作过程中的动态特性，并且给出了该模型数值解的算法。他们的理论研究对分析节温器对内燃机冷却系统动态性能的影响起到了指导作用2002年至2006年，美国Clemson大学采用伺服电机驱动齿轮和螺杆，将螺杆的旋转运动转化成活塞(阀芯)的伸缩运动，从而实现对冷却液大小循环路线的切换，开展了智能节温器的研究。2009年，T.Mitchen等人采用石蜡节温器、电动两通阀、电动三通阀和不安装节温器四种情况下分别进行了发动机暖机实验。他们的研究认为用电动三通阀这种形式，在发动机暖机时间和燃油经济性方面的性能最好。而国内对于电子节温器的研究只是刚刚起步[4]。
通过上述内容可知，当汽车使用石蜡节温器时，当发动机冷却液温度变化时，节温器执行动作较缓慢，冷却强度的调节未能根据发动机工作温度的变化而适时变化，故存在响应速度慢，滞后时间长 、误差大、控制精度不高 ，不能保证发动机始终在最佳的温度下工作，发动机在工作过程将出现高温和低温的情况。这将造成发动机传热损失和磨损较严重，燃油消耗率增高，排放污染增大等缺点。针对这些缺点，从灵敏性、可靠性以及发动机动力性，经济性和环境保护出发，非常有必要将传统的节温器改为电子式节温器。并采用先进的控制方式进行控制，以实现节温器能根据发动机冷却液温度的变化适时对发动机冷却强度进行调节。保证发动机工作在最适宜的温度下，达到提高汽车动力性和经济性，减小汽车的排放污染，从而实现节约能源保护环境和提高发动机寿命的目的。
1.3 台架实验
发动机性能测试台架是用来检测发动机性能的设备，在进行台架实验过程中会产生很大的震动和噪音，这种震动可能会破坏机件和厂房的结构强度，从而对相应的仪器仪表的正常工作产生影响，为了保证实验工作的正常进行，就必须对试验台架的基础进行减震，隔振和消声处理，同时要避免实验台架的基础与发动机产生共振现象，而且要将震动频率和振幅控制在一定范围内。
2 台架实验
2.1 发动机冷却系统的结构和工作原理
冷却系统的功能是维持发动机在各种工况下均在最适宜的温度内工作，使发动机得到良好的动力性与经济性。
发动机水冷系统的组成一般由铸造于气缸盖和气缸体中的冷却水套、水泵、节温器、散热器出水软管、散热器进水软管、冷却风扇以及补偿水桶等组成。散热器通过散热器进水管、散热器出水软管分别与节温器的出水口和水泵进水口相连，机体水套分别和水泵出水口与节温器的进水口相连，形成了冷却系统。
1 绪论 1
1.1 背景及意义 1
1.2 电子节温器的研究发展状况 1
1.3 台架实验 3
1.4 计算机测试系统 3
2 台架实验 3
2.1 发动机冷却系统的结构和工作原理 3
2.2 电子节温器的结构和工作原理 4
2.3 发动机性能的基本参数 5
2.4 发动机性能优化设计方案 7
2.5 试验的目的与试验方案 7
2.6 试验设备 7
2.7 试验需要测试的参数 9
2.8 试验过程 9
3 试验结果与分析 9
3.1 分析软件 9
3.2 动力性特征分析 12
3.3 经济性特征分析 13
3.4 特征工况分析 15
3.5 不同水温下搭载整车NEDC工况权重点对比 16
3.6 整车搭载后的数据分析 16
3.7 油耗最优全Map水温初选 18
3.8 分析结果 19
结论 20
致谢 2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
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参考文献 22
1 绪论
1.1 背景及意义
汽车发动机是将热能转变为机械能的机器。然而汽车发动机只利用了热能的1/3，被废气带走的热量占1/3，剩余的则被发动机零部件吸收，这些吸热零部件需通过冷却来保证持续可靠的工作[1]。发动机的冷却系统起着至关重要的作用。而节温器在冷却系统中扮演着相当重要的角色。汽车发动机冷却系统的节温器的作用是改变冷却液的循环路线和流量，根据冷却液温度自动调节冷却强度。目前汽车发动机冷却系统广泛采用蜡式节温器，它是利用固态石蜡受热熔化体积膨胀的原理来控制节温器阀门的开度，进而控制冷却液流经散热器的流量，实现冷却强度的调节。从传统节温器的工作原理可知，传统机械式节温器开启和关闭只受冷却水温度控制，难以根据发动机的实际工况精确控制冷却冷却水温。根据适当提高发动机冷却水温可以减小机身内部磨损的特点，将传统机械式节温器替换为电子节温器可保证发动机工作在最适宜的温度下，达到提高汽车动力性和经济性，减小汽车的排放污染，从而实现节约能源，保护环境和提高发动机性能的目的[2]。
1.2 电子节温器的研究发展状况
冷却系统可分为传统的机械控制冷却系统和现代的电子控制发动机冷却系统。机械控制发动机冷却系统常用蜡式节温器控制冷却液的循环路线。电子控制发动机冷却系统由EDU通过电子节温器控制冷却液的循环路线。冷却循环路线分大循环和小循环两种。大循环指水温高时，冷却液全部经过散热器而进行的循环流动，其水循环要经过散热器。小循环则是指水温低时，冷却液不经过散热器而进行的循环流动、冷却过程有“滞回”特性，其对内燃机性能的制约主要表现:
1)节温器开启行程需要时间较常，大小循环并行，冷却液温升缓慢，暖机时间长。
2)石蜡节温器的响应延时和“滞回”特性，导致节温器无法根据内燃机水温变化做出实时的、准确的响应。因此电子风扇与节温器间很难做到精确匹配。
3)石蜡节温器的开度与冷却液温度之间并不是一一对应的关系，无法实现冷却液大、小循环流量分配的精确控制。因此各国的技术人员在机械式节温器方面进行了大量的研究。上海工程技术大学以石蜡节温器为母体，以一根圆柱卷簧状铜基形状记忆合金为温控驱动元件开发出一种新型节温器[3]。该节温器在汽车启动缸体温度较低时偏置弹簧，压缩合金弹簧使主阀关闭副阀打开，进行小循环，当冷却液温升到一定值时，记忆合金弹簧膨胀，压缩偏置弹簧使节温器主阀打开，且随着冷却液温度的升高主阀开度逐渐增加，副阀逐渐关闭，进行大循环。
电子节温器根据发动机的工作状态及环境温度，通过与水泵、电子风扇的匹配可以精确控制内燃机的进出水温度，提高内燃机的功率及燃油经济性，并降低排放。在国外，美国伊顿公司于利用电动蝶阀对冷却液的循环流量进行控制，并提出了电子节温器系统的概念。1996年，英国巴斯大学建立了内燃机冷却系统的数学模型并利用计算机仿真技术对节温器的PID控制策略进行了研究。1997年，美国Oakland大学引入带迟滞的延时差分方程来描述节温器在发动机冷却系统工作过程中的动态特性，并且给出了该模型数值解的算法。他们的理论研究对分析节温器对内燃机冷却系统动态性能的影响起到了指导作用2002年至2006年，美国Clemson大学采用伺服电机驱动齿轮和螺杆，将螺杆的旋转运动转化成活塞(阀芯)的伸缩运动，从而实现对冷却液大小循环路线的切换，开展了智能节温器的研究。2009年，T.Mitchen等人采用石蜡节温器、电动两通阀、电动三通阀和不安装节温器四种情况下分别进行了发动机暖机实验。他们的研究认为用电动三通阀这种形式，在发动机暖机时间和燃油经济性方面的性能最好。而国内对于电子节温器的研究只是刚刚起步[4]。
通过上述内容可知，当汽车使用石蜡节温器时，当发动机冷却液温度变化时，节温器执行动作较缓慢，冷却强度的调节未能根据发动机工作温度的变化而适时变化，故存在响应速度慢，滞后时间长 、误差大、控制精度不高 ，不能保证发动机始终在最佳的温度下工作，发动机在工作过程将出现高温和低温的情况。这将造成发动机传热损失和磨损较严重，燃油消耗率增高，排放污染增大等缺点。针对这些缺点，从灵敏性、可靠性以及发动机动力性，经济性和环境保护出发，非常有必要将传统的节温器改为电子式节温器。并采用先进的控制方式进行控制，以实现节温器能根据发动机冷却液温度的变化适时对发动机冷却强度进行调节。保证发动机工作在最适宜的温度下，达到提高汽车动力性和经济性，减小汽车的排放污染，从而实现节约能源保护环境和提高发动机寿命的目的。
1.3 台架实验
发动机性能测试台架是用来检测发动机性能的设备，在进行台架实验过程中会产生很大的震动和噪音，这种震动可能会破坏机件和厂房的结构强度，从而对相应的仪器仪表的正常工作产生影响，为了保证实验工作的正常进行，就必须对试验台架的基础进行减震，隔振和消声处理，同时要避免实验台架的基础与发动机产生共振现象，而且要将震动频率和振幅控制在一定范围内。
2 台架实验
2.1 发动机冷却系统的结构和工作原理
冷却系统的功能是维持发动机在各种工况下均在最适宜的温度内工作，使发动机得到良好的动力性与经济性。
发动机水冷系统的组成一般由铸造于气缸盖和气缸体中的冷却水套、水泵、节温器、散热器出水软管、散热器进水软管、冷却风扇以及补偿水桶等组成。散热器通过散热器进水管、散热器出水软管分别与节温器的出水口和水泵进水口相连，机体水套分别和水泵出水口与节温器的进水口相连，形成了冷却系统。
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