柴油发动机控制器液体冷却的效果分析与研究

史家涛 赵光亮 仉佃伟 杨英振

（潍柴动力股份有限公司 山东省潍坊市 261000）

1 前言

发动机电子控制单元(Electronic Control Unit，ECU)是汽车发动机控制系统的核心部件，其可靠性直接影响着发动机甚至整车的性能指标，随着技术的迅猛发展，必将导致发动机ECU 的功能和结构越来越复杂，ECU 所使用的元器件功率密度也不断增加，加上发动机内部设备小型化，给ECU 的热稳定性提出了更高的要求，温度对于发动机电控单元来说已成为影响其可靠性的主要的因素，研究表明，超过55%的电子设备的失效形式是由温度过高引起的[1-4]。

为了克服发动机控制器严苛的工作环境，使发动机控制器在适宜的温度环境下工作，在发动机控制器的外壳上进行了相应的改进设计，添加了燃油冷却通道，使燃油流经控制器的外壳，以辅助控制器散热。

2 控制器仿真模型的建立

FloTHERM 是由英国FLOMERICS 软件公司开发并广为全球各地电子系统结构设计工程师和电子电路设计工程师使用的电子系统散热仿真分析软件[5-7]。FloTHERM 包含MCAD 与EDA 接口，能够方便的导入现有的MCAD 或者EDA 模型文件。另外，该软件采用结构化网格，对于复杂的模型（曲面等）采用以直化曲的方式，高效简洁[8]。

ECU 电路板包括PCB 板、布线层、各种元器件等部分。为了减少网格数量，提高计算效率，对ECU 电路板模型进行了如下合理的简化：

（1）删除了PCB 板中尺寸较小、功耗较低的元器件。

（2）将包含曲面结构的元器件替换为相应的立方体结构。

（3）假设各元器件的结构、材料等均匀分布，热阻模型为双热阻模型，并根据芯片数据手册设置其热阻参数。

图1 为简化后的控制器PCB 电路板模型。

图1：简化后的控制器PCB 电路板模型

由于FloTHERM 不能很好的识别曲面等复杂的结构，因此，在将ECU 外壳模型导入FloTHERM 软件时对其进行的合理的简化。

本文根据ECU 外壳样件的实际尺寸，建立ECU 的外壳模型。

将完成的外壳模型和电路板模型分别导入FloTHERM 中并进行装配，并在此基础上进行系统网格设置。对于MOS 管、集成芯片等重点研究的区域进行网格局部细化设置，确保计算的精度，对于模型外的背景网格进行简化处理，减少网格数量。对网格质量的调整，主要是调整网格的尺寸比，这将直接影响仿真求解计算的效率[9-11]，图2所示为控制器仿真模型的网格划分结果。

图2：不同视图的控制器仿真模型网格划分

3 控制器热负荷仿真与试验结果分析

3.1 控制器热负荷仿真结果分析

当控制器的温度较高时，自然对流散热和辐射散热不足以满足控制器的散热要求，导致控制器的温度过高，引起热失效[12]。这时需要引入其他的散热方式强化散热。

为了研究液体冷却对ECU 温度分布的影响，结合车辆实际运行工况，对无燃油冷却的情况进行了仿真比较与分析。

图3 为无燃油冷却时控制器温度仿真分布示意图，图4 为有燃油冷却时控制器温度仿真分布示意图。

图3：控制器温度分布示意图（无燃油冷却时）

从图3 与图4 的控制器温度分布示意图可以看出，燃油冷却对于控制器的温度下降起到了较为明显的作用，对于无燃油冷却情况下的控制器温度分布，控制器下部的功率驱动几种区域温度较高，而带有燃油冷却时，温度分布得到较为明显的改善，燃油冷却对于控制器的功率驱动集中的区域起到了较好的辅助散热作用。

图4：控制器温度分布示意图（有燃油冷却时）

3.1 控制器热负荷试验验证

为验证控制器热负荷仿真结果的准确性，针对该控制器在温箱中进行了热负荷试验测试，选取具有代表性的发热元器件进行了表面温度的测量，并对热负荷仿真与试验的结果进行了对比分析。

通过数据的比较与分析得出，控制器热负荷仿真的结果与实际的热负荷试验结果相近，误差值保持在合理误差范围以内，燃油冷却为控制器的散热起到了有效的作用。

4 燃油温度与流量对温度分布的影响分析

为了研究燃油流量对控制器冷却效果的作用，根据发动机的燃油流量参数，并对其中的发热元器件的温度进行了统计与分析，结果表明，随着燃油冷却介质流量的变化，元器件的温度明显降低。

同时，鉴于燃油温度随着季节的变化会产生温度上的差异，控制器热负荷仿真过程中，分析了燃油的温度变化对元器件温度的影响，以此反映散热效果的差异性，随着燃油温度的上升，冷却效果会产生一定折损，需额外考虑外壳散热结构的设计改进，以增强外部散热效果。

5 总结

本论文首先建立了柴油机ECU 热负荷仿真分析模型，对控制器热负荷仿真与试验结果分析，并着重针对不同的燃油冷却温度、燃油冷却流量的变化对控制器元器件的温度分布进行了仿真与分析，后续工作中需要在元器件布局、外壳结构和散热方式等三个方面对控制器进行优化设计，综上所述，本文建立的柴油机控制器热仿真分析模型对研究ECU 温度分布以及对于ECU 基于温度分布的优化设计具有一定的实用价值。