发动机热管理如何助力混动汽车

在混动汽车上，发动机需要经常启停，尤其是在市区低速路段行驶的过程中更加明显。好比开着普锐斯纯电行驶的时候，驾驶员想超车，油门深踩下去之后发动机也许只工作很短一段时间就又停机了。这种情况里发动机一直处于半暖机状态，摩擦和燃烧效率都不是最优化的。因此，热管理方面的工作变得格外重要，目的就是让发动机在短暂的时间内就能够接近优化的状态。

即使是对于传统发动机汽车，大家开车的时候通常会比较关心车的操控以及加速性能，很少会关注冷却液或者机油的升温速度。有一定驾驶经验的朋友可能会时不时地关注一下仪表盘中的温度指示器，看看发动机有没有过热。其实，机油的升温速度还是很多高端汽车品牌非常关心的技术指标之一。现在就带朋友们来看一看这背后的故事。今天的内容会先从发动机摩擦损失的分析和德国FEV最擅长的Strip Down实验说起，最后对比一下常见的热管理技术对排放和油耗的影响。

一,发动机摩擦损耗和Strip down实验

大家都知道内燃机是通过燃油和空气的混合气在汽缸内燃烧释瞬间放出大量的热量来推动活塞运动从而为汽车提供动力的。然而，并不是所有释放出来的能量都能用来做有效的功，这其中发动机的机械摩擦损失可以占到大约10%到30%之间。这些包括用来驱动水泵，油泵，电动机以及凸轮轴的能量，还有很大一部分是消耗在活塞和缸壁之间，以及各种相对运动机件的表面之间（比如凸轮轴和气门，还有曲柄连杆机构，等等）。

发动机Strip down实验（车叔不确定中文名叫什么，暂且叫发动机摩擦拆解倒拖实验吧，希望有读者能来提供更准确的中文名）。实验通过逐一拆卸发动机的主要部件（凸轮轴，活塞，曲轴，油泵，水泵等。另外，如果有可变机油泵，也可以将油泵设置在不同流量级别逐个测量），从而用来分别测量发动机各主要部件在发动机总摩擦的占比。实验过程中发动机由台架电机驱动，发动机的摩擦扭矩可由安装在驱动轴上的扭矩传感器测出。该实验在有缸压的情况下要排除泵压损失的影响，泵压损失可由缸压曲线数据计算得出。

说到摩擦拆解实验，不得不提到FEV。他们在这方面非常擅长，可以针对汽车厂的发动机样机进行测试，分析主要零部件摩擦损失情况。并且和他们积累多年的实验数据库进行对比，加以方向上的指引，反馈给主机厂个部分摩擦损失中哪一部分优于行业水平，哪里需要继续改进。另外，他们也承接竞争对手发动机的拆解实验分析，给其他主机厂的对标工作带来非常大的帮助。



图 1：部分FEV试验数据案例.

从试验数据上看，以标致的一款四缸1.5升的柴油发动机为例，发动机摩擦拆解倒拖实验测量数据表明在1500转的时候曲轴轴承的摩擦损耗可以占发动机总摩擦损耗的30%左右。所以有相当大一部分能量都损失在发动机主要摩擦件上。

发动机相对运动机件之间的摩擦不仅仅损耗了相当大一部分能量，而且会造成部件表面的损耗。为了尽可能延长部件的寿命，必须添加适当规格的机油来润滑这些相对运动机件的表面以减小磨损。这里需要首先说明一下发动机曲轴轴承使用的是滑动轴承（Journalbearing）。通常情况下，轴颈（Shaft）与轴瓦（Shell）之间的润滑属于流体膜润滑（Hydrodynamiclubrication）。在流体膜润滑的情况下，机油的剪切粘度（Dynamic viscosity）对摩擦系数的影响比较大,而且摩擦系数与机油的剪切粘度成正比。这个可以从在摩擦学中很有名的‘Stribeckcurve’（见图1）体现出来。顺便说一句，轴承的表面没有我们想象中的辣么平滑。



图2： Stribeck curve.

说到这儿，终于可以回到开头提到的机油温度上了，因为机油的剪切粘度随着机油温度的升高而降低，他们之间的关系通常可以由Vogel公式（公式1）比较准确的反映出来。图3 显示了由Vogel公式算出的某品牌机油剪切粘度随温度变化的曲线。

公式 1



公式中: a, b, c 都是常数，υ 是剪切摩擦（mPa.s），T是机油温度（开尔文）。



图3：某品牌机油的粘度曲线（由Vogel公式计算）.

搞清楚了这些不难推出摩擦系数和机油温度之间的关系，那就是机油温度高的时候摩擦力会远小于摩擦力低的时候，所以机油升温速度是影响摩擦损失大小的一个关键因素。研究表明，在冷启动阶段，燃油燃烧释放出的能量中仅有9%用来做有用功，比完全暖机后要低30%左右。

话说英国诺丁汉大学教授英国皇家工程院院士Dr. Paul Shayler（也是作者的博士后导师）根据大量实验结果推导出了一个公式（公式2）来描述在某一特定温度下的发动机总摩擦平均有效压力（FMEP）和暖机后的发动机总摩擦平均有效压力（Reference）的关系。该公式发表在2005年的SAEWorld Congress上 [1]。在此论文中，通过对发动机进行倒拖Stripdown测试得到的数据显示，在零下25度的环境下冷启动发动机，发动机总摩擦平均有效压力可以达到完全暖机后的4倍（见图4）！

公式 2



公式中：FMEP是摩擦平均有效压力，u是剪切粘度，n的值对柴油机轿车来说通常在0.29-0.35之间。



图4：发动机总摩擦平均有效压力在tear down motoring测试中的变化.

所以，提高机油的升温速度就成为了减小发动机油耗的一个关键因素。

二,能够加快机油升温的技术

国外汽车品牌愿意投入大量科研经费对于怎样提高机油升温速度进行研究，其中研究之细微更说明了工业界对这一问题的重视。由于涉及敏感内容，具体研究细节无法在此进行详细说明。但是总结起来研究的范围主要集中在以下几个方面：

1. 在发动机的关键部位使用隔热材料减小发动机热散失，从而是更多的热量传递给机油；

2. 优化设计发动机的冷却系统以及润滑系统，从而增强发动机和机油之间，以及冷却液和机油之间的热传递；

3. 改进机油池的结构设计巧妙利用冷热机油的分布以及分层来加快机油升温；

4. 另外在发动机停机之后，尽量减慢机油的冷却速度。

下面总结了一些先进的热管理技术对冷启动以及油耗排放的影响 [2]。



参考文献

[1] P. Shayler,D. Leong and M. Murphy, “Contributions to Engine Friction During Cold, LowSpeed Running and the Dependence on Oil Viscosity,” SAE Technical Paper2005-01-1654, 2005.

[2] A. Roberts,R. Brooks and P. Shipway, “Internal combustion engine cold-start efficiency: Areview of the problem, causes and potential solutions,” Energy conversiton andmanagement, vol. 82, pp. 327-350, 2014.