Volvo公司全新修改了其重型載貨車柴油機平臺的熱管理，通過液體流量以及活塞冷卻和機油溫度的主動調(diào)節(jié)，其燃油耗比本來就已高效的老機型最多能降低2%。

1熱管理提高節(jié)油潛力

多年來，降低燃油耗和廢氣排放成為轎車和載貨車發(fā)展重心，已開發(fā)出多種措施，例如廢氣再循環(huán)、可變幾何截面渦輪增壓器、電控燃油噴射系統(tǒng)等，以滿足越來越嚴苛的排放要求。這些技術(shù)已被轎車和載貨車制造商廣泛應(yīng)用，它們在降低廢氣排放的同時實現(xiàn)了顯著的節(jié)油潛力，但是由于提高了復(fù)雜程度并要進行廣泛的修改，在實際使用中往往費用非常昂貴。鑒于成本、質(zhì)量和復(fù)雜性，內(nèi)燃機的熱管理是一種比較簡單的措施，但在降低廢氣排放和節(jié)油方面能獲得明顯的效果。

2005年，在實施歐3廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)的同時，Volvo集團推出了重型載貨車柴油機平臺，能覆蓋9～16 L排量的柴油機。自從廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展到歐5、US10和pNLT以來，這種平臺的柴油機都具備熱管理系統(tǒng)，并且比原機型節(jié)油1.5%～2.0%。

2熱管理的思路

內(nèi)燃機都配備高可靠性的冷卻和潤滑系統(tǒng),但是越來越嚴厲的廢氣排放法規(guī)以及低燃油耗發(fā)動機的競爭帶來挑戰(zhàn)。

冷卻和潤滑系統(tǒng)被設(shè)計成即使在最嚴酷的要求下，例如在持續(xù)全負荷和48 ℃環(huán)境溫度下也能確保功能無故障，但是這些運行條件僅代表了稀少的極端情況，許多量產(chǎn)發(fā)動機在其整個運行時間內(nèi)僅很少或甚至不會在這樣的條件下運行。歐洲和北美汽車的平均負荷譜與設(shè)計參數(shù)相距甚遠，而典型的運行狀況是15 ℃環(huán)境溫度和1200 r/min時的25%負荷，在系統(tǒng)不調(diào)節(jié)的情況下就導(dǎo)致了要輸送比可靠運行所必需的更多的機油和冷卻水量，因此在節(jié)油方面就存在著很大的潛力。因為在典型的運行范圍內(nèi)所需的機油和冷卻水量要少得多，所以Volvo集團重型載貨車柴油機平臺開發(fā)熱管理功能，可以實際運行中獲得最佳的燃油耗。

必須尋找到冷卻系統(tǒng)與潤滑系統(tǒng)之間的密切配合，不僅要關(guān)注諸如氣缸蓋、活塞和軸承等要求高的重要零部件，還要考慮到駕駛室采暖、變速器冷卻和廢氣系統(tǒng)等外圍設(shè)備。

3預(yù)試驗研究

在具有熱管理系統(tǒng)的情況下，在原本的開發(fā)工作之前還必須針對所有相關(guān)的消耗器件對冷卻和潤滑系統(tǒng)的要求進行精確的分析，盡可能精確的設(shè)計和高效能的方案（壓力損失、回流量、泵設(shè)計等），再次基礎(chǔ)上進一步開展工作。

開發(fā)步驟首先根據(jù)一維模擬模型鑒定機油和冷卻循環(huán)回路中的主要消耗器件，然后針對最嚴酷的設(shè)計條件以及典型運行條件下重要負荷工況點精確地確定最大消耗器件對潤滑和冷卻系統(tǒng)的要求。因此必須經(jīng)歷全面的測量階段，以便獲得所有有關(guān)重要零部件最精確的各種要求，特別是要通過以下測量工作來得到：（1）測量活塞溫度與機油流量、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和扭矩的關(guān)系；（2）測量軸承溫度與主油道機油壓力的關(guān)系。

這些工作是與各個零部件供應(yīng)商緊密合作共同完成的，從而獲得潤滑和冷卻系統(tǒng)要求與轉(zhuǎn)速和扭矩關(guān)系的特性曲線場。

接下來的開發(fā)步驟是設(shè)計機油泵、冷卻液泵和機油冷卻器，使它們能可靠地滿足極端要求情況下的最高要求，并從部分負荷運行時的要求，特別是典型運行工況點的特性推導(dǎo)出控制策略，對泵的可控制性和可調(diào)節(jié)性提出進一步的要求，因而對所選用的技術(shù)具有決定性作用。圖1示出了熱管理系統(tǒng)的設(shè)計策略。最后開發(fā)步驟則是借助于已引用的模擬模型開發(fā)優(yōu)化燃油耗的策略。

4熱管理技術(shù)

通過上述研究就能開發(fā)出熱管理系統(tǒng)，它包括3個子系統(tǒng)，分別是：液體流量的主動調(diào)節(jié)、可調(diào)式活塞冷卻和機油溫度調(diào)節(jié)。

5液體流量的主動調(diào)節(jié)

冷卻液流量由兩級式冷卻液泵調(diào)節(jié),其中冷卻液泵帶有一個電磁離合器,在一定的轉(zhuǎn)速下能實現(xiàn)2種不同的供應(yīng)量:（1）最大流量（高轉(zhuǎn)速）：泵被直接驅(qū)動，其轉(zhuǎn)速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速處于固定的傳動比；（2）滑差運行方式（低轉(zhuǎn)速）：泵通過電磁離合器驅(qū)動，而滑差率（驅(qū)動軸與從動軸之間的轉(zhuǎn)速差）可調(diào)節(jié)，并隨著驅(qū)動轉(zhuǎn)速的提高而變大，在全負荷時與直接驅(qū)動相比，其供應(yīng)量減半。

圖2示出了最大流量和滑差運行方式時冷卻液泵的冷卻液流量、功率消耗與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系。冷卻液泵的靈活性通過與之匹配的軟件策略加以利用，以便在運行狀況容許的情況下減小冷卻液流量（圖3）。

與不調(diào)節(jié)的冷卻液泵相比，在典型的行駛循環(huán)（高速公路）中可節(jié)油0.5%，實現(xiàn)這樣的節(jié)油效果在現(xiàn)有的平臺情況下發(fā)動機結(jié)構(gòu)無需作較大的修改。

6可調(diào)式活塞冷卻

可調(diào)式活塞冷卻的基本設(shè)想很簡單，活塞的冷卻需求與負荷有關(guān)，因而在中小負荷下可減少冷卻。Volvo載貨車發(fā)動機的熱管理功能可減少活塞冷卻噴嘴的機油流量（圖4）。

通過活塞冷卻噴嘴的機油流量不僅能冷卻活塞，而且還潤滑活塞、氣缸套、活塞銷和連桿，因此不能中斷，即使在低負荷時也必須維持在較低的水平。并借助于一個兩路電磁閥來實現(xiàn)，該閥由發(fā)動機電控單元根據(jù)各種不同的發(fā)動機參數(shù)通過脈沖調(diào)制信號進行控制調(diào)節(jié)，通過改變閥的開度使機油壓力不斷地適應(yīng)冷卻的需求。

減小機油流量直接降低了機油泵的負荷，因為多余的機油在機油泵中通過短路返回實現(xiàn)再循環(huán)，除此之外較高的活塞溫度能改善燃燒，從而間接地有助于提高能量效率。此外，“engine slobbering”現(xiàn)象（是一種因潤滑機油在燃燒室中不完全燃燒所引起的聲學(xué)現(xiàn)象）也減少了?？烧{(diào)式活塞冷卻在長途貨運標(biāo)準(zhǔn)行駛循環(huán)中的總共可節(jié)油0.5%-0.8%。

7機油溫度調(diào)節(jié)

除了減小機油泵驅(qū)動功率獲得的節(jié)油效果之外，還可直接通過減少機油循環(huán)回路中的壓力損失獲得附加的節(jié)油效果。在發(fā)動機典型的運行范圍內(nèi)，僅需要通過機油循環(huán)回路相對較少的散熱，然而在不調(diào)節(jié)的系統(tǒng)中機油仍然要引入機油冷卻器進行冷卻，那么此時被調(diào)節(jié)到相對較低的機油溫度，其直接的結(jié)果是機油粘度較高，最終導(dǎo)致壓力損失和燃油耗提高，而且流經(jīng)機油冷卻器會進一步增大壓力損失。

因此，調(diào)節(jié)機油溫度的主要目的是與負荷工況點無關(guān)，并在盡可能較高的機油溫度下運行，通過旁通機油冷卻器使機油粘度較小降低燃油耗。為此，從歐4起最初系統(tǒng)中應(yīng)用了一個石蠟節(jié)溫器，非常好地提高了效果。但這種型式的節(jié)溫器的反應(yīng)時間相當(dāng)長，所以不得不作出保守的設(shè)計，以便在不連續(xù)轉(zhuǎn)換的情況下能確保全負荷時獲得足夠的冷卻。

應(yīng)用一個比例電磁閥就能進一步改善調(diào)節(jié)的效果（圖5）。如在活塞冷卻噴嘴處所用閥，該閥由發(fā)動機電控單元借助機油溫度傳感器的數(shù)據(jù)進行控制，可維持在預(yù)先規(guī)定的機油溫度（圖3）。

在各種不同行駛循環(huán)中的測量結(jié)果表明，與采用石蠟節(jié)溫器調(diào)節(jié)溫度相比，電磁閥控制能附加獲得0.5%-1.2%的節(jié)油效果。

8結(jié)論

上述工作實現(xiàn)了發(fā)動機熱管理功能，在接近實際使用情況的行駛循環(huán)中能獲得1.5%-2%的顯著節(jié)油效果，并能高效地在現(xiàn)有發(fā)動機平臺上實施，解決成本問題。在精確詳細驗證的基礎(chǔ)上開發(fā)出了一種工作能力強的熱管理方案，將低燃油耗值與高可靠性相結(jié)合。在發(fā)動機試驗臺上進行了精確的標(biāo)定，能充分利用其全部的節(jié)油潛力，在保持系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時確保迅速精確地進行調(diào)節(jié)。除此之外，通過模擬模型、測量以及在發(fā)動機試驗臺和試驗汽車上的耐久性試驗進行了全面的鑒定和驗證，其中包含了開發(fā)新的試驗大綱，以便驗證熱管理系統(tǒng)專用的零部件并鑒定整機的可靠性。