新型水冷却增压冷却系统的设计

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近年来，随着环保意识的增强和燃油限值的日益严格，发动机一直在朝着小型化、高性能化的方向发展，而增压机型是实现这一发展方向的主要途径之一。伴随着增压机型的高效能化，进气温度也在不断飙升，所以适宜的中冷器对发动机有很大的好处：
（1）发动机排出的废气温度非常高，通过增压器的热传导会提高进气的温度，而空气在被压缩的过程中密度会升高，这必然也会导致空气温度的升高，从而影响发动机的充气效率。如果想要进一步提高充气效率，就要降低进气温度。有数据表明，在相同的空燃比条件下，增压空气的温度每下降10℃，发动机功率就能提高3％～5％。
（2）如果未经冷却的增压空气进入燃烧室，除了会影响发动机的充气效率外，还很容易导致发动机燃烧温度过高，造成爆燃等故障，而且会增加发动机排放废气中NOx的含量，造成空气污染。
所以，为了解决增压后的空气升温造成的不利影响，需要加装一款高性能的中冷器来降低进气温度。
增压冷却系统的设计方案
传统的增压冷却系统采用的是空空冷却方式（见图1）。增压高温气体从增压器出来后，通过管路连接到汽车前端的空空散热器进行散热，降温后的气体再通过管路连接到缸盖。由于气体必须通过汽车前端的空空散热器，而且气体的热容量比较低，为保证充足的进气量，通常需要很粗很长的管路进行连接，所以对发动机的布置要求较高，且气流流经容积较大，增压器的响应传递到燃烧室需要一定的时间，会产生加速滞后性，影响驾驶体验。所以为了提高增压系统的冷却效果和响应速度，需要设计全新的方案。
在新设计的增压冷却系统里，从增压器出来的高温气体通过管路直接进入节流阀体，通过与进气歧管集成的中冷器进行降温，降温后的气体进入燃烧室中（见图2）。在进气歧管内部，进入进气歧管的高温气体与集成在中冷器里的冷却液产生热交换，变成低温气体，随后进入燃烧室（见图3）。

产生热交换后的高温冷却液，进入散热器进行散热（见图4）。通常进气温度在50℃左右，根据热力学定律，所需要冷却液的温度不能高于此温度，而在发动机的冷却循环系统里，温度通常要高于100℃，所以需要单独的一个冷却系统。在该系统中，采用了独立的电子水泵。根据电子水泵的特性和冷却系统的温度范围，将增压器的冷却系统并联到该系统中，除了可以有效地控制增压器的温度，还可以实现增压器的停机供水功能，延长增压器的使用寿命。采用此设计的优点主要包括以下几个方面：
（1）采用水冷的方式，提高了冷却效率，有效地降低了进气温度，由图5可知，将进气温度从120℃降到了40℃。在极端情况下，降温可以达到100～110℃。
（2）由于冷却液的热容高于气体，采用冷却液作为介质将热量运输到外部提高了运输效率，减小了管路的直径和散热器的体积，更加方便管路的布置。
（3）可以通过电子水泵的控制，将水温保持在一定的范围内，有效地提高了冷却后温度的稳定性，有利于稳定发动机动力的稳定输出和经济性。
（4）由于进气管路较短和水空中冷器的特殊结构，有效降低了进气压降；空空中冷压降范围在8～10MPa之间，而此方案的压降范围为30～40MPa。
（5）将中冷器与进气歧管集成，可有效利用空间，省去要单独布置中冷器时所需要的管路支架等。
（6）增压器到燃烧室的管路大大缩短，容积减少，有利于减少涡轮的迟缓性，提高了加速响应时间。
此方案有以上诸多优点，但同时由于零部件数量的增加，提高了发动机的整机成本，且冷却液的控制较为复杂，需要对电子水泵进行有策略的控制，增加了开发成本。

冷却循环系统的控制策略
由于此增压冷却系统采用冷却液作为热量的传输介质，且冷却循环还兼顾了增压器的冷却作用，所以在制定电子水泵的控制策略时，需要同时考虑进气温度和增压器的冷却效果两个因素。根据发动机的转速和平均有效压力（BMEP），将控制策略分成3个范围进行控制（见图6）：
（1）当 BMEPactual<BMEPlimit1（与转速相关）×0.8时，由于此时发动机处于刚点火和低负荷阶段，增压后温度较低，不需要给增压后气体降温，只需要考虑增压器的冷却需求；但考虑到发动机的冷起动和排放，需要在发动机起动后的一段时间内起动，但除非达到增压器极限温度，否则电子水泵最好不要起动。
（2）当 BMEPactual>BMEPlimit1（与转速相关）×0.8时，采用闭环策略来控制进气温度。控制目标Tim=Tamb+△T ，其中Tim为进气歧管温度，不能低于35℃；Tamb为环境温度；△T为控制策略分配出来的标定量，是与Tamb相关联的线性量。通过控制电子水泵的转速来达到目标，并同时将增压器的冷却控制考虑在内。
（3）在此范围内，发动机达到了最大的负荷，已经超过了冷却系统的冷却范围，只需要将电子水泵控制在最大转速内即可。但考虑到实际情况，比如高温、高原的环境下，增压器和进气温度远远超过冷却系统的极限，此时就需要考虑通过降低发动机的功率等方法来降低温度。
另外，该冷却循环系统还需要注意以下几种特殊情况：在不同工作区域间跳变，需要有迟滞区域，防止造成电子水泵不必要的频繁跳变；在急加速工况时，电子水泵可以迅速响应全速工作；在退出急加速工况时，需要延长电子水泵全速工作的时间，可以采用延长时间来限定或者通过对TC控制的温度模型来实现。
结论
本文所介绍的单独冷却循环控制下的增压冷却系统，在空间布置、冷却效果及对温度的控制精度和增压迟滞方面有突出的效果；但同时由于零部件的增加和控制策略的复杂，增加了整机成本和前期开发的费用。

蓝天的号

好主意，主要是匹配和市场前景。

空心萝卜

这不是EA111的一体式进气管吗，这种布置结构简单，但是说实话对于我国现阶段的制造水平而言，还是存在可靠性的风险的

yuqingxu

不错啊！很好！