王文璽，吳存學(xué),2，干能強(qiáng)，王 顯，李 旭，蔡渝東

(1.中國(guó)長(zhǎng)安汽車工程研究院，重慶 401120； 2.重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044)

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2015211

基于中心組合設(shè)計(jì)的主動(dòng)進(jìn)氣格柵多開度控制模型的建立*

王文璽1，吳存學(xué)1,2，干能強(qiáng)1，王 顯1，李 旭1，蔡渝東1

(1.中國(guó)長(zhǎng)安汽車工程研究院，重慶 401120； 2.重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044)

本文中對(duì)一種基于冷卻需求預(yù)測(cè)進(jìn)行AGS多開度控制的新方法的研究。首先通過(guò)建立發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理模型，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱和冷卻需求進(jìn)行理論分析，提出能滿足冷卻系統(tǒng)對(duì)進(jìn)風(fēng)量的實(shí)時(shí)需求的格柵多開角度控制算法。接著，引入中心組合設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)標(biāo)定方案并采用二次多項(xiàng)式回歸方程建立車速-格柵開度-風(fēng)扇狀態(tài)的3因素風(fēng)量預(yù)測(cè)模型。最后進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)。結(jié)果表明，該方法能實(shí)時(shí)滿足整車?yán)鋮s需求，優(yōu)化標(biāo)定方案，有效降低汽車行駛阻力，提升燃油經(jīng)濟(jì)性。

主動(dòng)進(jìn)氣格柵；中心組合設(shè)計(jì)；控制模型；燃油經(jīng)濟(jì)性

前言

日益嚴(yán)峻的環(huán)境和能源問(wèn)題使節(jié)能型汽車的產(chǎn)業(yè)化刻不容緩。2012年國(guó)務(wù)院發(fā)布的《國(guó)家節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》明確要求到2015年乘用車平均百公里油耗降至6.9L，2020年達(dá)到5.0L。

主動(dòng)進(jìn)氣格柵(active grille system, AGS)是近年來(lái)一項(xiàng)新興的節(jié)油技術(shù)，它通過(guò)在行駛過(guò)程中合理控制前進(jìn)氣格柵的開度，調(diào)節(jié)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻風(fēng)量，降低行駛過(guò)程中的內(nèi)循環(huán)阻力，提升整車燃油經(jīng)濟(jì)性。另外，主動(dòng)進(jìn)氣格柵系統(tǒng)還能改善發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)過(guò)程中的排放，提升整車駕駛性能，已在國(guó)外中高端車型中應(yīng)用，而國(guó)內(nèi)自主品牌的應(yīng)用目前仍處于空白。

文獻(xiàn)[1]中對(duì)格柵全開和全閉2種狀態(tài)下的汽車空氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究，提出了一種2開度的格柵控制算法。文獻(xiàn)[2]中對(duì)3種格柵狀態(tài)下的發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱平衡性能和整車駕駛性進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了基于冷卻需求、溫度控制和熱保護(hù)的控制模型。文獻(xiàn)[3]中提出了一種基于溫度模型的格柵開度控制模型。文獻(xiàn)[4]中對(duì)不同溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)特性下BSFC的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，用于AGS邊界條件的建立。國(guó)內(nèi)目前尚未有對(duì)AGS控制模型研究的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

本文中通過(guò)建立發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理模型，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱和冷卻需求進(jìn)行理論分析，引入中心組合設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)標(biāo)定方案，并通過(guò)二次多項(xiàng)式回歸方程建立車速-格柵開度-風(fēng)扇狀態(tài)的3因素風(fēng)量預(yù)測(cè)模型和格柵開度Map圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)AGS系統(tǒng)的多開度控制，在優(yōu)化匹配標(biāo)定方案的同時(shí)，通過(guò)10種開啟角度對(duì)冷卻風(fēng)量進(jìn)行精確控制，提升了整車燃油經(jīng)濟(jì)性。

1 不同AGS開度下的風(fēng)阻優(yōu)化

汽車在行駛過(guò)程中，壓力阻力約占總行駛阻力的91%，壓力阻力由形狀阻力、干擾阻力、內(nèi)循環(huán)阻力和誘導(dǎo)阻力組成。其中，氣流流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)阻所造成的內(nèi)循環(huán)阻力占整個(gè)行駛阻力的約9%[5]。通過(guò)減少進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙的冷卻風(fēng)量，能夠明顯降低由冷卻系通道不規(guī)則、各類拐角和障礙使流動(dòng)方向發(fā)生突變所導(dǎo)致的摩擦和動(dòng)量損失[6]。

以普通乘用車為例，車速為90km/h時(shí)，克服行駛阻力所消耗的油耗約占總油耗的25%。車速?gòu)?0加速到110km/h時(shí)，行駛阻力增加約40%，油耗增加約10%～15%[5]。

空氣阻力表達(dá)式為

FL=0.5ρCdAv2

(1)

式中：FL為空氣阻力；ρ為空氣密度；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為最大橫截面積；v為車速。

空氣阻力功率為

PL=FLv

(2)

空氣阻力系數(shù)Cd計(jì)算公式為

(3)

式中：m為整備質(zhì)量；a1和v1為t1時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的加速度和車速；a2和v2為t2時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的加速度和車速。

裝有AGS的長(zhǎng)安某車型的實(shí)際滑行阻力曲線如圖1所示。

由圖可見：車速20-90km/h區(qū)間，AGS全閉狀態(tài)比全開狀態(tài)的平均滑行阻力低9.75N；車速90-120km/h區(qū)間，AGS全閉狀態(tài)比AGS全開狀態(tài)的平均滑行阻力低31.44N。

由式(2)計(jì)算可得出AGS全閉狀態(tài)相對(duì)全開狀態(tài)所降低的風(fēng)阻功率，見圖2。由圖可見：在車速大于80km/h后，AGS關(guān)閉所降低的風(fēng)阻功率明顯增大；車速為100km/h時(shí)，風(fēng)阻功率約降低2 800W。

由式(3)計(jì)算可得出AGS在不同開度下對(duì)應(yīng)的空氣阻力系數(shù)，見表1。

表1 不同AGS開度下風(fēng)阻系數(shù)

對(duì)整車3D數(shù)據(jù)進(jìn)行表面網(wǎng)格劃分后計(jì)算處理分析結(jié)果如圖3和圖4所示。由圖可見：在AGS全閉狀態(tài)下可明顯降低進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的冷卻風(fēng)量和因紊流所產(chǎn)生的氣流阻力。

基于CAE分析計(jì)算結(jié)果可知，AGS全開時(shí)，風(fēng)阻系數(shù)約為0.338，全閉時(shí)，風(fēng)阻系數(shù)約為0.325，CAE分析結(jié)果與表1計(jì)算結(jié)果相當(dāng)。

可見安裝AGS能降低汽車在行駛過(guò)程中(特別是中高速情況下)的行駛阻力，通過(guò)合理控制AGS的開度，可在滿足整車?yán)鋮s需求的條件下，提升整車燃油經(jīng)濟(jì)性。

2 AGS多開度控制模型

傳統(tǒng)汽車前進(jìn)氣格柵的開口面積(GOA)是基于滿足最惡劣工況下散熱需求對(duì)風(fēng)量要求而設(shè)計(jì)的。實(shí)際工況下，過(guò)量的冷卻氣流動(dòng)量損失反而會(huì)導(dǎo)致內(nèi)循環(huán)阻力上升[7]，因此須對(duì)GOA進(jìn)行控制。

2.1 散熱需求模型

發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒放熱可分為4個(gè)部分:機(jī)械做功Pm、發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量Pe、排氣帶走熱量Pex和散熱損失余項(xiàng)Pr。

發(fā)動(dòng)機(jī)能量守恒方程如下：

Qe=Pm+Pe+Pex+Pr

(4)

式中Qe為燃料燃燒釋放熱量。

(5)

式中：Mf為燃料質(zhì)量；Hf為燃料熱值。

Pm=neTn/9550

(6)

式中：ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；Tn為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

(7)

式中：p為氣缸數(shù)；D為氣缸直徑；S為活塞行程；α為修正系數(shù)。

Pex=Mexcex(Tex-in-Tex-out)

(8)

式中：Mex為排氣質(zhì)量；cex為排氣比熱容；Tex-in和Tex-out分別為排氣進(jìn)、出口溫度。

發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量Pe通過(guò)缸壁傳熱傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液中。考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的熱容，忽略發(fā)動(dòng)機(jī)表面輻射和對(duì)流換熱的影響，建立熱傳遞方程。

dTe/dt=(Pe-Pc)/(Mece)

(9)

式中：Pc為冷卻液傳熱量；Te為發(fā)動(dòng)機(jī)本體溫度；Me為發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量；ce為發(fā)動(dòng)機(jī)比熱容。

2.2 冷卻需求模型

行駛中，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻所需的空氣流量Qa由風(fēng)扇和車速共同確定[9]：

(10)

式中：Qf為風(fēng)扇提供的空氣流量；vra為流過(guò)散熱器的平均風(fēng)速；Ar為氣流流過(guò)散熱器通過(guò)面積；Tr-in和Tr-out分別為散熱器進(jìn)風(fēng)側(cè)、出風(fēng)側(cè)平均溫度；ρa(bǔ)為空氣密度；ca為空氣定壓比熱容。

Ar由AGS開度θa的二次擬合函數(shù)表示：

Ar=f(θa)

(11)

冷卻氣流阻力系數(shù)γ[10]為

(12)

式中：vD為車速；Cpe為出口壓力系數(shù)；σr為散熱器等價(jià)壓力損失系數(shù)；σb為冷卻水箱等價(jià)壓力損失系數(shù)；σc為冷凝器等價(jià)壓力損失系數(shù)；σf為散熱風(fēng)扇等價(jià)壓力損失系數(shù)；σp為冷卻系管道等價(jià)壓力損失系數(shù)。

軸流式風(fēng)扇流量Qf[11]為

(13)

式中：φ為流量系數(shù)；D1為輪轂直徑；D2為葉輪外徑；u為葉輪外圓周速度。

2.3 AGS系統(tǒng)模型

由式(9)可知，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，dTe/dt=0，Pe=Pc，即發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量與冷卻液散熱量相當(dāng)。依據(jù)式(7)和式(10)～式(13)建立基于車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、散熱器進(jìn)出風(fēng)側(cè)溫度和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的AGS開度控制模型。

θa=f(vD,ne,Te,Tr-in,Tr-out,u)

(14)

基于上述過(guò)程，采用Simulink建立了AGS多開度控制系統(tǒng)模型，如圖5和圖6所示。其中，對(duì)AGS開度控制的模型如圖7所示。

對(duì)AGS開度的控制模型由2部分組成：MultiPos_cal用于計(jì)算壓縮機(jī)不工作時(shí)，滿足冷卻需求所需的格柵開度；Veh_AeroDynamic_cal用于計(jì)算當(dāng)車速大于V_critical且壓縮機(jī)工作時(shí)，風(fēng)阻功率增益最大化所對(duì)應(yīng)的格柵開度。

3 基于中心組合的開度Map圖標(biāo)定

3.1 標(biāo)定方案與設(shè)計(jì)

在MultiPos_cal和Veh_AeroDynamic_cal模型中均須建立與車速vD、PWM風(fēng)扇狀態(tài)ns(100為全開，0為停止)和格柵開度θa對(duì)應(yīng)的空氣流量Qa的Map圖(LUT_AirFlow)，以用于AGS開度控制模型計(jì)算。

其中，vD標(biāo)定范圍為0～200km/h，間隔10km/h，共21個(gè)標(biāo)定點(diǎn)；ns標(biāo)定范圍為0～100%，間隔20%，共6個(gè)標(biāo)定點(diǎn)；θa標(biāo)定范圍為0～100%，間隔10%，共11個(gè)標(biāo)定點(diǎn)。采用傳統(tǒng)標(biāo)定方法共需進(jìn)行1 386組標(biāo)定試驗(yàn)。本文中通過(guò)引入中心組合設(shè)計(jì)(CCD)方法[12]進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)二次多項(xiàng)式回歸方程建立車速-格柵開度-風(fēng)扇狀態(tài)的3因素風(fēng)量預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)格柵開度Map圖的標(biāo)定。

以車速X1、風(fēng)扇狀態(tài)X2和格柵開度X3為試驗(yàn)因素，采用Design Expert8.0進(jìn)行二次回歸中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，各因素及水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。標(biāo)定方案及試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 風(fēng)量因素水平編碼表

3.2 回歸模型和結(jié)果分析

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)回歸擬合，建立基于車速、風(fēng)扇狀態(tài)和格柵開度的風(fēng)量預(yù)測(cè)回歸方程：

Y′= 0.48+0.2366X1+0.1511X2+0.0925X3+

(15)

對(duì)回歸模型方程進(jìn)行方差分析，F(xiàn)值為42.8，P值<0.000 1，表明自變量與因變量間有極顯著的相關(guān)關(guān)系，擬合水平良好；對(duì)預(yù)測(cè)模型的擬合度進(jìn)行檢驗(yàn)，回歸判定系數(shù)R2達(dá)到96.289%，體現(xiàn)出回歸模型方程與試驗(yàn)數(shù)據(jù)整體符合程度較高，表明該模型可用于AGS的冷卻風(fēng)量預(yù)測(cè)。

模型中各因素對(duì)風(fēng)量的影響如圖8所示?？諝饬髁侩S車速、風(fēng)扇速度和格柵開度的增加而增大，由圖8(a)和圖8(b)分析可知，車速對(duì)空氣流量影響顯著，在AGS開度控制模型中應(yīng)優(yōu)先考慮利用車速滿足發(fā)動(dòng)機(jī)艙的冷卻風(fēng)量需求。由圖8(c)分析可知，在車速較低時(shí)，格柵開度對(duì)空氣流量影響顯著，在AGS開度控制模型中當(dāng)車速低于V_critical時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用格柵開啟角度滿足冷卻風(fēng)量需求。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

4 AGS試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

基于上述方法，建立AGS多開度控制模型及格柵開度Map圖，完成AGS系統(tǒng)軟硬件開發(fā)后，開展AGS實(shí)車性能試驗(yàn)，AGS系統(tǒng)實(shí)車裝配圖如圖9所示。

AGS系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足在極限工況下(坡度10%，溫度35℃，車速70和120km/h)整車的熱管理性能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)應(yīng)提升典型工況下(NEDC)的整車燃油經(jīng)濟(jì)性。AGS功能禁止(格柵始終全開)和開啟(控制模型正常工作)時(shí)熱性能試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖10和圖11所示。

由圖10可見，在極限工況下，AGS功能開啟后，散熱器進(jìn)出水溫均高于AGS禁止時(shí)的水溫，平均溫度升高1.23℃。發(fā)動(dòng)機(jī)艙其它溫度見表4。AGS開啟后，由于冷卻風(fēng)量的控制，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)艙各部件的溫度整體有所上升，其中對(duì)于蓄電池的溫度影響較為明顯，應(yīng)充分考慮溫度升高后對(duì)蓄電池充放電性能的影響，對(duì)發(fā)電機(jī)的輸出電壓進(jìn)行電源管理，但總體來(lái)看，冷卻液和各部件的溫度均處于設(shè)計(jì)要求的最高工作溫度范圍內(nèi)。

由圖11可見，AGS禁止時(shí)，不同車速下恒定的冷卻流量為0.53m3/s，AGS開啟后，平均冷卻流量為0.27m3/s，約降低49%，效果明顯。

AGS禁止與開啟的經(jīng)濟(jì)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖12所示。由圖可見，AGS開啟后，整車滑行阻力降低，燃油的經(jīng)濟(jì)性明顯提升，在NEDC工況下，實(shí)測(cè)節(jié)油效果約0.1L。

表4 發(fā)動(dòng)機(jī)艙部件最高溫度 ℃

5 結(jié)論

(1) 提出一種基于冷卻需求預(yù)測(cè)進(jìn)行AGS多開度控制的新方法，建立了整車散熱-冷卻需求模型和AGS多開度控制模型。對(duì)AGS可能影響到的熱管理性能和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證分析。結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的AGS多開度控制方法能夠滿足整車熱管理性能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在極限工況下冷卻流量?jī)?yōu)化約49%，典型工況下節(jié)油效果約0.1L。該方法可用于對(duì)AGS的閉環(huán)實(shí)時(shí)控制，有效提升汽車燃油經(jīng)濟(jì)性。

(2) 通過(guò)引入中央組合設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)AGS多開度控制Map圖的標(biāo)定，建立了冷卻需求預(yù)測(cè)模型及車速-開度-風(fēng)扇狀態(tài)-風(fēng)量響應(yīng)曲面，對(duì)顯著影響冷卻風(fēng)量的因素進(jìn)行了理論分析。模型擬合精度較高，結(jié)果表明，該方法可用于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)冷卻需求并改善AGS匹配標(biāo)定方案。

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Modeling of Multi-opening Control for Active InductionGrille Based on Central Composite Design

Wang Wenxi1, Wu Cunxue1,2, Gan Nengqiang1, Wang Xian1, Li Xu1& Cai Yudong1

1.AutomobileEngineeringInstituteofChanganAutomobileCo.,Ltd.,Chongqing401120;2.CollegeofMechanicalEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044

A new method for multi-opening control of active grille system is studied in this paper based on cooling requirements prediction. Firstly a model for the thermal management of engine compartment is built to theoretically analyze the dissipation and cooling requirements of engine and an algorithm for the multi-opening control of grille, meeting the requirements of cooling system on induction air quantity is proposed. Then the central composite design method is introduced to design calibration scheme and an air quantity prediction model with three factors of vehicle speed, grille opening and fan status is set up by using quadratic polynomial regression equation. Finally real vehicle tests are conducted and the results show that the method proposed can meet the cooling requirements of vehicle in real time, optimize the calibration scheme, effectively reduce the driving resistances and enhance the fuel economy of vehicle.

active induction grille; central composite design; control model; fuel economy

*國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA111902)和重慶市應(yīng)用開發(fā)技術(shù)項(xiàng)目(cstc2013yykfC60001)資助。

原稿收到日期為2014年3月24日，修改稿收到日期為2014年6月30日。