王 帥，韓 松，俞小莉

(浙江大學(xué)能源工程學(xué)系，杭州 310027)

前言

內(nèi)燃機(jī)一般采用節(jié)溫器作為控制冷卻液流動路徑的閥門，它根據(jù)冷卻液溫度的高低，打開或關(guān)閉冷卻液通向散熱器的通道［1］。傳統(tǒng)的節(jié)溫器大多采用石蠟作為感溫元件，感溫元件被冷卻液加熱/冷卻而產(chǎn)生的膨脹/收縮變形來推動閥門開啟或關(guān)閉，通過這種方式來分配內(nèi)燃機(jī)冷卻液大、小循環(huán)的流量。石蠟節(jié)溫器存在響應(yīng)延遲和加熱/冷卻過程的“滯回”特性［2－3］，在內(nèi)燃機(jī)工作過程中，這樣的元件無法實(shí)現(xiàn)對內(nèi)燃機(jī)冷卻液大、小循環(huán)流量的精確控制，不利于使內(nèi)燃機(jī)工作在最適宜的溫度狀態(tài)。

在內(nèi)燃機(jī)冷卻液循環(huán)流量控制方面國內(nèi)外均有研究。文獻(xiàn)［4］中建立了內(nèi)燃機(jī)節(jié)溫器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)［5］中設(shè)計(jì)的智能節(jié)溫器用伺服電機(jī)驅(qū)動螺桿，由螺桿的伸縮推動二位三通閥，實(shí)現(xiàn)對冷卻液大小循環(huán)的切換，但系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。文獻(xiàn)［6］中設(shè)計(jì)的電控節(jié)溫器采用帶電熱絲的雙金屬片作為傳動部件，通過金屬片的形變起作用，克服了石蠟節(jié)溫器響應(yīng)慢的缺點(diǎn)，但這種機(jī)構(gòu)還局限于冷卻液大小循環(huán)的開關(guān)控制，未能實(shí)現(xiàn)對大循環(huán)和小循環(huán)部分開啟狀態(tài)的控制。

本文中采用電動三通比例閥作為內(nèi)燃機(jī)冷卻液大、小循環(huán)流量的控制閥。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)冷卻水溫度及其變化率控制電動三通閥的開度，實(shí)現(xiàn)對內(nèi)燃機(jī)冷卻液大、小循環(huán)流量的實(shí)時(shí)控制。

1 電動三通比例閥的結(jié)構(gòu)與基本特性

1.1 電動三通閥的結(jié)構(gòu)和布置

電動三通比例閥的外形及其剖面圖如圖1和圖2所示，圖2示出三通閥的初始位置，AB支路全開、AC支路全閉。隨著閥門轉(zhuǎn)動(逆時(shí)針方向0～90°)AB支路逐漸關(guān)閉、AC支路逐漸開啟。閥門旋轉(zhuǎn)90°后，AB支路全閉、AC支路全開。

電動三通閥在內(nèi)燃機(jī)上的布置如圖3所示。當(dāng)三通閥處在初始位置時(shí)，大循環(huán)完全關(guān)閉，小循環(huán)完全開啟;隨著三通閥開度增加，大循環(huán)逐漸開啟，小循環(huán)逐漸關(guān)閉;當(dāng)三通閥處在最大位置時(shí)，大循環(huán)完全開啟，小循環(huán)完全關(guān)閉。

1.2 電動三通閥的基本流量特性

當(dāng)水泵工作在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，流過三通閥的總流量約15L/min，三通閥從0°逐漸旋轉(zhuǎn)到90°的過程中AB、AC支路的流量變化情況如圖4所示，圖中Φ表示流量，θ表示三通閥的開啟角度。

當(dāng)0°＜θ＜28°時(shí)，AB、AC 兩路的流動狀態(tài)基本保持不變;當(dāng)28°≤θ≤70°時(shí)，隨著θ增加，AC流量逐漸增加，AB流量逐漸減小，流量與三通的開度之間有較理想的線性關(guān)系;當(dāng)θ＞70°時(shí)，AC流量增加到最大，AB流量減小到0。為了使三通閥在工作過程中獲得比較理想的動態(tài)響應(yīng)性能，在后續(xù)的試驗(yàn)過程中分別把三通閥的初始開啟角度和最大開啟角度分別限定在28°和70°。

2 內(nèi)燃機(jī)冷卻液循環(huán)流量控制策略

由于內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有非線性、時(shí)變和大延遲的特性，對冷卻液的循環(huán)流量采用常規(guī)的PID控制比較困難，因此本文中選擇模糊控制策略。它在一定程度上模仿了人的控制，不需要準(zhǔn)確的控制對象模型，是一種智能控制方法［7］。它將相關(guān)專家的知識和思維、學(xué)習(xí)與推理、聯(lián)想和決策過程由計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)辨識和建模，并進(jìn)行控制［8］。

冷卻液循環(huán)流量控制的框圖如圖5所示。內(nèi)燃機(jī)出水溫度與目標(biāo)溫度的溫差e和內(nèi)燃機(jī)水溫的變化率Δe為模糊控制器的輸入，電動三通閥開度的增量為模糊控制器的輸出，即控制器根據(jù)內(nèi)燃機(jī)冷卻液溫度與目標(biāo)溫度的溫差和冷卻液溫度的變化率來決定增加/減小電動三通閥的開度，從而控制冷卻液大、小循環(huán)的流量。

2.1 溫差和溫度變化率的確定

溫差e為每個(gè)采樣周期內(nèi)，內(nèi)燃機(jī)水溫值與目標(biāo)溫度值之差，溫度變化率Δe為連續(xù)的兩個(gè)采樣周期之間的內(nèi)燃機(jī)冷卻水溫之差，即

式中:t0為目標(biāo)溫度;n為采樣序號;T為采樣時(shí)間間隔;t(nT)為第n次采樣時(shí)的內(nèi)燃機(jī)冷卻液溫度;e(nT)為第n次采樣時(shí)內(nèi)燃機(jī)冷卻液溫度與目標(biāo)溫度之差;Δe(nT)為第n次采樣時(shí)內(nèi)燃機(jī)冷卻液溫度與第n－1次采樣時(shí)的內(nèi)燃機(jī)冷卻液溫度之差。

2.2 輸入和輸出量的模糊化

內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)最佳的冷卻液溫度與具體的內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，電控內(nèi)燃機(jī)的最佳冷卻液溫度還與ECU的標(biāo)定有關(guān)。

將溫差e劃分為5個(gè)模糊集，e的各個(gè)模糊集的隸屬函數(shù)φ如圖6所示。

其中，負(fù)大(NB)表示實(shí)際溫度比目標(biāo)溫度低3℃左右;負(fù)小(NS)表示實(shí)際溫度比目標(biāo)溫度低1℃左右;零(ZO)表示實(shí)際溫度與目標(biāo)溫度大致相等;正小(PS)表示實(shí)際溫度比目標(biāo)溫度高1℃左右;正大(PB)表示實(shí)際溫度比目標(biāo)溫度高3℃左右。

將溫度變化率Δe劃分為5個(gè)模糊集，Δe的各個(gè)模糊集的隸屬函數(shù)φ如圖7所示。

其中，負(fù)大(NB)表示在一個(gè)采樣周期內(nèi)溫度減小2℃左右;負(fù)小(NS)表示在一個(gè)采樣周期內(nèi)溫度減小0.75℃左右;零(ZO)表示在一個(gè)采樣周期內(nèi)溫度大致不變;正小(PS)表示在一個(gè)采樣周期內(nèi)溫度增加0.75℃左右;正大(PB)表示在一個(gè)采樣周期內(nèi)溫度增加2℃左右。

將電動三通閥開度的增量u劃分為7個(gè)模糊集，u的各個(gè)模糊集的隸屬函數(shù)φ如圖8所示。

其中，負(fù)大(NB)表示三通閥的開度減小4%左右;負(fù)中(NM)表示開度減小2%左右;負(fù)小(NS)表示開度減小1%左右;零(ZO)表示開度大致不變;正小(PS)表示開度增加1%左右;正中(PM)表示開度增加2%左右;正大(PB)表示開度增加3%左右。

2.3 模糊控制規(guī)則

模糊規(guī)則設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)為:“內(nèi)燃機(jī)水溫高于目標(biāo)水溫越多、溫度上升速度越快，三通閥的開度增加越大”;“內(nèi)燃機(jī)水溫接近目標(biāo)水溫、溫度變化不大，三通閥開度基本保持不變”;“內(nèi)燃機(jī)水溫低于目標(biāo)水溫越多、溫度下降速度越快，三通閥開度減小越大”。本文中共采用了下列25條模糊控制規(guī)則:

Rule 1:if當(dāng)前溫度大大小于目標(biāo)溫度且溫度快速下降，then大大減小電動三通閥開度;

Rule 2:if當(dāng)前溫度大大小于目標(biāo)溫度且溫度較慢下降，then大大減小電動三通閥開度;

Rule 3:if當(dāng)前溫度大大小于目標(biāo)溫度且溫度基本不變，then大大減小電動三通閥開度;

Rule 4:if當(dāng)前溫度大大低于目標(biāo)溫度且溫度較慢上升，then中等減小電動三通閥開度;

Rule 5:if當(dāng)前溫度大大低于目標(biāo)溫度且溫度快速上升，then稍微減小電動三通閥開度;

Rule 6:if當(dāng)前溫度略低于目標(biāo)溫度且溫度快速下降，then大大減小電動三通閥開度;

Rule 7:if當(dāng)前溫度略低于目標(biāo)溫度且溫度較慢下降，then中等減小電動三通閥開度;

Rule 8:if當(dāng)前溫度略低于目標(biāo)溫度且溫度基本不變，then稍微減小電動三通閥開度;

Rule 9:if當(dāng)前溫度略低于目標(biāo)溫度且溫度較慢上升，then基本保持電動三通閥開度;

Rule 10:if當(dāng)前溫度略低于目標(biāo)溫度且溫度較快上升，then稍微增大電動三通閥開度;

Rule 11:if當(dāng)前溫度基本等于目標(biāo)溫度且溫度較快下降，then大大減小電動三通閥開度;

Rule 12:if當(dāng)前溫度基本等于目標(biāo)溫度且溫度較慢下降，then稍微減小電動三通閥開度;

Rule 13:if當(dāng)前溫度基本等于目標(biāo)溫度且溫度基本不變，then基本保持電動三通閥開度;

Rule 14:if當(dāng)前溫度基本等于目標(biāo)溫度且溫度較慢上升，then稍微增大電動三通閥開度;

Rule 15:if當(dāng)前溫度基本等于目標(biāo)溫度且溫度較快上升，then中等增大電動三通閥開度;

Rule 16:if當(dāng)前溫度略高于目標(biāo)溫度且溫度較快下降，then中等減小電動三通閥開度;

Rule 17:if當(dāng)前溫度略高于目標(biāo)溫度且溫度較慢下降，then基本保持電動三通閥開度;

Rule 18:if當(dāng)前溫度略高于目標(biāo)溫度且溫度基本不變，then稍微增大電動三通閥開度;

Rule 19:if當(dāng)前溫度略高于目標(biāo)溫度且溫度較慢上升，then中等增加電動三通閥開度;

Rule 20:if當(dāng)前溫度略高于目標(biāo)溫度且溫度較快上升，then中等增加電動三通閥開度;

Rule 21:if當(dāng)前溫度大大高于目標(biāo)溫度且溫度較快下降，then稍微減小電動三通閥開度;

Rule 22:if當(dāng)前溫度大大高于目標(biāo)溫度且溫度較慢下降，then稍微增加電動三通閥開度;

Rule 23:if當(dāng)前溫度大大高于目標(biāo)溫度且溫度基本不變，then中等增加電動三通閥開度;

Rule 24:if當(dāng)前溫度大大高于目標(biāo)溫度且溫度較慢上升，then中等增加電動三通閥開度;

Rule 25:if當(dāng)前溫度大大高于目標(biāo)溫度且溫度快速上升，then大大增加電動三通閥開度。

將上述模糊控制規(guī)則整理成模糊控制規(guī)則表，如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表

利用質(zhì)心法對上述模糊控制規(guī)則進(jìn)行解模糊可以得到e和Δe與u之間對應(yīng)關(guān)系，模糊推理輸出的map圖如圖9所示。

例如，當(dāng)e=5℃(內(nèi)燃機(jī)冷卻液溫度高于目標(biāo)溫度5℃)且Δe=5℃(水溫快速上升)時(shí)，則電動閥開度的增量為3%，以快速增加大循環(huán)、減少小循環(huán)。

3 冷卻液循環(huán)流量控制策略驗(yàn)證試驗(yàn)

內(nèi)燃機(jī)冷卻液循環(huán)流量控制模擬試驗(yàn)臺架的管路布置如圖10所示。其中包括:電動三通比例閥1;電子風(fēng)扇和散熱器2，電子風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速可調(diào)，可為系統(tǒng)提供可變的冷卻風(fēng)量;電磁流量計(jì)3，測量大循環(huán)的流量;水泵4，提供試驗(yàn)管路中冷卻液循環(huán)的動力;溫度傳感器5，測量電加熱器進(jìn)水溫度;電加熱器6，加熱功率2kW/4kW/6kW/8kW分級可調(diào)，用來模擬內(nèi)燃機(jī)對冷卻水套的散熱;溫度傳感器7，測量電加熱器出水溫度;電磁流量計(jì)8，測量循環(huán)的總流量。圖中的箭頭表示管路中冷卻液的流動方向。

3.1 暖機(jī)過程的流量控制試驗(yàn)

試驗(yàn)過程中，保持電加熱器的加熱功率為4kW，水泵工作在額定轉(zhuǎn)速，電子風(fēng)扇保持關(guān)閉狀態(tài)，從室溫狀態(tài)下開始對系統(tǒng)進(jìn)行加熱，模擬內(nèi)燃機(jī)的“怠速暖機(jī)”工況。圖11和圖12分別為電動三通閥的開度與冷卻液溫度隨時(shí)間的變化曲線和循環(huán)流量與冷卻液溫度隨時(shí)間的變化曲線。

由圖11和圖12可知，在暖機(jī)過程對內(nèi)燃機(jī)冷卻液循環(huán)流量的控制可以大致分為3個(gè)階段。

第1階段:當(dāng)冷卻液溫度低于目標(biāo)溫度(90℃)時(shí)，電動三通閥的開度為0，冷卻液的大循環(huán)流量為0，系統(tǒng)完全進(jìn)行小循環(huán)，冷卻液溫度迅速上升。

第2階段:當(dāng)冷卻液的溫度達(dá)到目標(biāo)溫度附近時(shí)，模糊控制器根據(jù)冷卻液的溫度和溫度變化率來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電動三通閥的開度，從而合理分配冷卻液大小循環(huán)的流量，保證冷卻液溫度在目標(biāo)溫度附近波動。

第3階段:當(dāng)電動三通閥的開度達(dá)到100%后，大循環(huán)流量達(dá)到最大，這表示暖機(jī)過程已經(jīng)完成，這時(shí)無法再繼續(xù)通過調(diào)節(jié)大小循環(huán)流量的方法來維持冷卻溫度穩(wěn)定在目標(biāo)溫度，冷卻液溫度超過目標(biāo)溫度繼續(xù)上升。此時(shí)應(yīng)該令電子風(fēng)扇工作，使冷卻液大循環(huán)能夠帶走更多的熱量，繼續(xù)維持冷卻液的溫度穩(wěn)定。由于大循環(huán)完全開啟以后才令電子風(fēng)扇工作，流經(jīng)散熱器的冷卻液最多，這樣也有利于提高風(fēng)扇的散熱效率。

3.2 熱負(fù)荷突變工況下的流量控制試驗(yàn)

試驗(yàn)過程中保持電子風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速為600r/min(穿過散熱器的風(fēng)速為0.46m/s)，水泵工作在額定轉(zhuǎn)速，首先以6kW的功率對冷卻液加熱，待加熱器出水溫度穩(wěn)定后，突然減小加熱功率至2kW，直到溫度再次穩(wěn)定。圖13～圖15分別為加熱功率由6kW突然減少到2kW時(shí)的冷卻液溫度變化曲線、電動三通閥開度變換曲線和冷卻液循環(huán)流量變化曲線。

圖13表明當(dāng)冷卻風(fēng)量和水泵轉(zhuǎn)速不變、系統(tǒng)熱負(fù)荷突然減小時(shí)，冷卻液溫度僅下降約3℃，然后很快又回到了目標(biāo)溫度附近。圖14和圖15分別反映了控制策略在執(zhí)行過程中的電動三通閥開度的變化過程和冷卻液循環(huán)流量的變化過程。

4 結(jié)論

基于模糊控制原理，利用電動三通比例閥控制內(nèi)燃機(jī)冷卻液大、小循環(huán)的流量，獲得了比較理想的效果，該控制策略的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在3個(gè)方面。

(1)對內(nèi)燃機(jī)冷卻液溫度的控制更加精確。由于冷卻液的目標(biāo)溫度是模糊控制策略中的一個(gè)參數(shù)，因此其具有一定的靈活性。可將其設(shè)定為可變值，來適應(yīng)內(nèi)燃機(jī)在不同工況下對散熱的要求。

(2)具有較好的動態(tài)調(diào)節(jié)性能。當(dāng)系統(tǒng)的熱負(fù)荷突然變化時(shí)，系統(tǒng)通過對電動三通比例閥開度的實(shí)時(shí)控制，保證冷卻液溫度穩(wěn)定在目標(biāo)溫度附近，避免了內(nèi)燃機(jī)過冷和過熱情況的出現(xiàn)。

(3)有利于冷卻系統(tǒng)的節(jié)能。在內(nèi)燃機(jī)工作過程中，可以首先通過對冷卻液大、小循環(huán)流量的控制使內(nèi)燃機(jī)工作在適宜的溫度;當(dāng)大循環(huán)完全開啟后，如果冷卻液溫度繼續(xù)上升，再令電子冷卻風(fēng)扇工作。節(jié)能主要體現(xiàn)在:①在大部分工況下通過電動三通閥對冷卻液大、小循環(huán)流量的控制即可維持內(nèi)燃機(jī)工作在適宜的溫度，減少了電子冷卻風(fēng)扇的運(yùn)行時(shí)間;②大循環(huán)完全開啟后，冷卻液全部流過散熱器，這使電子冷卻風(fēng)扇的散熱效率達(dá)到最高。

［1］陳家瑞.汽車構(gòu)造［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006:233－234.

［2］羅建曦，張揚(yáng)軍.節(jié)溫器對發(fā)動機(jī)熱系統(tǒng)動態(tài)性能的影響［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，44(5).

［3］Zou X，Jordan J A，Shillor M.A Dynamic Model for a Thermostat［J］.Journal of Engineering Mathematics，1999，36:291 －310.

［4］Cahlon B，Schmidt D，Shillor M，et al.Analysis of Thermostat Models［J］.Journal of Applied Mathematics，1997，8:437 － 457.

［5］Wagner John R，Srinivasan Venkat，Dawson Darren M.Smart Thermostat and Coolant Pump Control for Engine Thermal Management Systems［C］.SAE Paper 2003 －01－0272.

［6］袁燕利，邢娟，郭新民.新型電控節(jié)溫器的研究設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2001(1).

［7］湯兵勇，路林吉，王文杰.模糊控制理論與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002:2－3.

［8］楊樹興，李擎，蘇中，等.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006:180－181.