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大众公司发动机目前采用的热管理模块（Temperature management module，简称TMM），该模块能够实现发动机暖机、目标温度控制区域以及停机后冷却控制 三个运行区域的切换。该热管理模块以及在最新的奥迪、迈腾、CC、高尔夫等车型中广泛应用，其内部结构剖视图可参见下图1。 图1 发动机热管理模块内部结构剖视图 下面就结合发动机冷却系统原理详细对热管理模块（TMM）的运行进行说明。关于发动机正常启动后，第一阶段的暖机，整个发动机暖机过程还可以再细化为三个阶段：即零冷却液流量阶段、少量冷却液流量、预热发动机机油冷却器。准确地实现发动机刚启动时，满足可靠性（缸盖缸体不超温）的基础上，燃料燃烧产生的热量先进行发动机的快速暖机，当发动机冷却液和机油温度升高后，发动机缸盖、机油均需要轻微冷却，之后需要进行少量冷却液流量来冷却发动机。 暖机第一阶段如下图2所示，零冷却液流量阶段时，热管理模块的旋转阀2关闭，发动机水泵（机械水泵）只能空转，冷却液不能进入缸体、缸盖水套。该阶段持续时间不能太长（按照秒计算，一般维持在30s以内），一般需要监测发动机缸盖水温、机油温度、发动机运行时间。 图2 暖机一阶段零冷却液流量 暖机第二阶段即少量冷却液运行阶段，旋转阀2部分开启，冷却水泵驱动冷却液经过旋转阀2，流经发动机缸体，之后分成两路，主路流经发动机缸盖、集成排气歧管（关于集成排气歧管的设计原理和意义后期再专题说明），另一部分流经涡轮增压器，涡轮增压器虽然体积很小，然而一旦涡轮增压器启动工作，就需要承受500℃左右的排气冲击（排气温度最高可以达到900℃以上），这么高的温度对涡轮增压器的可靠性有着严峻考验，所以涡轮增压器需要保持良好的冷却，此时冷却液需要时刻流经涡轮增压器。两路冷却液之后在热管理模块上的旋转阀1处汇合，之后再进入冷却水泵开始下一个循环，直到该阶段结束，该阶段运行图见下图3。 图3 暖机二阶段少量冷却液流量 暖机第三阶段即预热（或冷却）机油冷却器阶段，此阶段由于发动机缸体、缸盖产生较大的热量，旋转阀2完全开启，此时若机油温度还很低，则需要预热。旋转阀1的开口与机油冷却器接通，将一部分冷却液携带发动机缸体热量进入机油冷却器，对机油进行预热。如果此时机油温度超过冷却液温度，也可以对机油进行冷却。一般来说机油的最高许用温度高于冷却液最高许用温度20-30℃，如发动机机油最高许用温度一般在140℃左右，冷却液最高许用温度一般在110-115℃左右，当然各家汽车厂也会有略微差异。该阶段运行图参见下图4。 图4 暖机三阶段预热机油冷却器 在发动机暖机过程中，如果是冬季寒冷的天气，驾驶员（或乘员）有采暖需求，此时需要将发动机热量通过暖风芯体释放到乘员舱中，优先保证顾客的舒适性，此时油耗会有增加，同时也可能延迟发动机的暖机，然而却是必须的，总体来说就是顾客的需求优先级最高，高于发动机油耗。（注：关于乘员舱空调采暖需求后期我再专题和大家讨论分享）。 暖机过程中的采暖需求，主要是通过暖风回路上的电动水泵来驱动，此时机械驱动的冷却液泵保持空转，旋转阀2关闭，冷却液不流入发动机缸体。整个冷却液回路是电动水泵驱动冷却液流经暖风芯体，之后分成两路，一路冷却液流经发动机缸盖、排气歧管，另一路流经涡轮增压器，两路之后在热管理模块汇合，经过N422（暖风水阀）回到电动水泵，形成闭合回路。整个暖机过程中的采暖过程中，从发动机缸盖、排气歧管和涡轮增压器吸收热量，该热量又通过暖风芯体散失到乘员舱中，满足顾客的采暖需求。 这里有的朋友是否会有疑问，为什么发动机缸盖需要冷却，而发动机缸体暂时可以不用冷却液冷却呢，最重要的原因是发动机缸盖与发动机燃烧室较大面积接触，热量大，温度高，需要重点冷却，发动机缸体温度相对缸盖较低，可以在暖机过程中暂时不需要冷却液流动。 图5 暖机过程乘员舱采暖需求 发动机目标水温控制区域，在发动机暖机过程完成后，就需要根据发动机转速、负荷进行冷却液目标温度控制，如中高转速、高负荷情况下，发动机散热量大，同时需要控制冷却液温度在85-90℃之间，此时冷却液在经过排气歧管后，主要流入散热器（支路1占主要作用），若温度依然不能降低到目标范围内，支路1需要完全开启，支路2完全关闭（详见下图6）。当发动机中低转速、中低负荷情况下，发动机散热量一般，同时目标冷却液温度在95-105℃之间，此时经过排气歧管的冷却液不需要全部流经支路1，主要流经支路2（详见下图7）。若冷却液温度一直升高到107-110℃，则需要加大流经支路1的冷却液流量，将发动机水温降低到目标控制温度。 图6 发动机中高转速、高负荷下目标温度控制 图7 发动机中低转速、中低负荷下目标温度控制 停机后冷却控制，当驾驶员和乘客经过一段时间的驾驶到达目的地后，发动机会熄火停机，此时涡轮增压器、发动机缸盖、排气歧管金属温度还非常高，为防止失效损坏，需要进行冷却（发动机缸体由于热量相对较小、温度相对较低，在停机后冷却液不流经发动机缸体）。此时机械驱动的冷却液泵停止工作，后冷却主要通过暖风支路的电动水泵来驱动冷却液运转。冷却液经过暖风芯体后分成两路，一路冷却液流经发动机缸盖、排气歧管，另一路冷却液流经涡轮增压器、散热器，两路之后汇合，温度进行交换混合，再经过N422暖风水阀后回到电动水泵，形成封闭回路（详见下图8所示）。此时整个发动机的热量通过散热器散失到外部空气中，当然此时发动机舱的冷却风扇也需要配合工作一段时间，也称为发动机停机后冷却需求控制。 图8 停机后冷却控制 紧急故障工作模式：当发动机非正常工作状态下，如紧急模式1：当旋转阀组件（旋转阀1或者旋转阀2）卡死后，发动机冷却液温度超过117℃后，整个发动机已经开始过热，紧急蜡式节温器由于热胀冷缩的作用打开，整个冷却回路变成由电动水泵驱动，冷却液流经暖风芯体后分成两路，一路流经发动机缸盖、排气歧管；另一路流经涡轮增压器，经过打开后的紧急蜡式节温器进入散热器，之后两路冷却液汇合流经暖风水阀N422，回到电动水泵（具体运行图可参考下图9）。当然该冷却模式下不能长时间工作，只能持续一段时间，建议驾驶员迅速找到安全停车地带后检查维修，消除安全隐患。 如紧急模式2：发动机冷却液温度传感器失效，不能将水温及时传递给热管理控制器，此时整个冷却系统会切换到如图6的运行模式（发动机中高转速、高负荷下的目标温度控制），整个发动机热量主要通过散热器进行散失到外部空气中，此时优先保证发动机可靠性。 图9 紧急冷却工作模式 结束语： 今天重点介绍发动机三个工作运行阶段（发动机暖机阶段、冷却液目标温度控制阶段、停机后冷却阶段）的冷却系统运行状态，并针对发动机紧急工作模式进行了详细说明，该介绍有助于大家了解和掌握发动机先进冷却技术。 感谢您的阅读，您的支持是我们前进的不懈动力，您的关切是我们努力的方向。 |
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