張紅黨，楊宏圖，陳 新

（常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院車輛工程系，常州 213164）

大功率輪式拖拉機(jī)智能冷卻系統(tǒng)控制策略綜述

張紅黨，楊宏圖，陳 新

（常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院車輛工程系，常州 213164）

對(duì)大功率輪式拖拉機(jī)智能冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，概述了國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，分析了大功率輪式拖拉機(jī)機(jī)智能冷卻系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，提出了大功率輪式拖拉機(jī)智能冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案、CFD仿真方法、控制策略及設(shè)計(jì)了智能控制系統(tǒng)軟硬件的構(gòu)成，并提出了今后應(yīng)做的工作。

大功率輪式拖拉機(jī) 智能控制 冷卻系統(tǒng) 設(shè)計(jì)

0 前言

電液智能冷卻控制技術(shù)已經(jīng)在國產(chǎn)的中高級(jí)轎車以及工程機(jī)械上應(yīng)用，在拖拉機(jī)產(chǎn)品上的研究僅僅處于理論模擬和原理研究，尚未有企業(yè)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻控制技術(shù)在拖拉機(jī)產(chǎn)品上進(jìn)行開發(fā)的報(bào)道。所以，大功率輪式拖拉機(jī)電液智能冷卻系統(tǒng)的開發(fā)，將有非常好的產(chǎn)業(yè)化前景，也將是農(nóng)業(yè)機(jī)械冷卻系統(tǒng)智能化發(fā)展的趨勢(shì)。

本研究針對(duì)大功率輪式拖拉機(jī)的基礎(chǔ)樣機(jī)，分析了大功率輪式拖拉機(jī)的冷卻特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了大功率輪式拖拉機(jī)智能冷卻系統(tǒng)總體布置方案，根據(jù)CFD計(jì)算，得到了發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下冷卻系統(tǒng)所需冷卻水流量和冷卻效率；結(jié)合先進(jìn)的控制策略，綜合考慮散熱器冷卻水出口處溫度及冷卻裝置出口處溫度，對(duì)冷卻水量和時(shí)間進(jìn)行修正，最后由智能控制器冷卻系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)了高效率的作業(yè)。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

大功率輪式拖拉機(jī)的高生產(chǎn)率、低能耗是靠現(xiàn)代智能控制技術(shù)為支撐才得以實(shí)現(xiàn)的。上世紀(jì)90年代，發(fā)達(dá)國家的大功率拖拉機(jī)以電子、信息技術(shù)為先導(dǎo)，在發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、農(nóng)田作業(yè)系統(tǒng)等多系統(tǒng)集成控制、診斷與監(jiān)控等方面進(jìn)行了大量的研究，主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)與負(fù)載換擋變速器的智能控制、農(nóng)機(jī)具懸掛系統(tǒng)的電液比例伺服閉環(huán)數(shù)字控制、冷卻系統(tǒng)的智能控制、故障自動(dòng)檢測診斷和保護(hù)等，部分機(jī)型還配置基于GPS導(dǎo)航技術(shù)的田間作業(yè)輔助駕駛系統(tǒng)。集成智能化的大功率拖拉機(jī)機(jī)組不僅能夠一次作業(yè)完成多種農(nóng)田作業(yè)，而且大幅度提高農(nóng)田作業(yè)和生產(chǎn)效率。我國東北地區(qū)的大型農(nóng)場曾經(jīng)高價(jià)引進(jìn)過這類高檔次大功率輪式拖拉機(jī)。

目前，汽車拖拉機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸通過固定傳動(dòng)比的V型皮帶驅(qū)動(dòng)，其中大多數(shù)轎車發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇皮帶輪能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻需要，通過硅油離合器或電磁離合器接通或斷開風(fēng)扇傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻系統(tǒng)控制，這種ON/OFF控制不利于發(fā)動(dòng)機(jī)將冷卻液連續(xù)保持在最佳狀態(tài)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇的調(diào)速傳動(dòng)技術(shù)能有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。冷卻風(fēng)扇的調(diào)速傳動(dòng)技術(shù)有液壓調(diào)速、機(jī)械有級(jí)調(diào)速、液體粘性調(diào)速、液力耦合器調(diào)速和磁變流調(diào)速，其中液壓調(diào)速技術(shù)具有技術(shù)成熟、體積小、質(zhì)量輕、節(jié)省燃料以及能夠?qū)崿F(xiàn)無級(jí)調(diào)速等優(yōu)勢(shì)，在軍用裝甲車輛以及國外部分大功率車輛上應(yīng)用[1]。

CANbus總線通訊技術(shù)已經(jīng)在國產(chǎn)的中高級(jí)轎車以及工程機(jī)械上應(yīng)用，在大功率輪式拖拉機(jī)產(chǎn)品上的研究僅僅處于理論模擬和原理研究，還沒有企業(yè)在拖拉機(jī)產(chǎn)品上進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻控制和CANbus總線通訊技術(shù)開發(fā)應(yīng)用。

2 智能冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

2.1 總體方案[2-3]

發(fā)動(dòng)機(jī)智能冷卻系統(tǒng)主要有發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、水溫傳感器、AD轉(zhuǎn)換模塊、執(zhí)行器（電控節(jié)溫器、冷卻風(fēng)扇）等組成[4]。由于高功率密度柴油機(jī)高溫部件工作環(huán)境惡劣，冷卻水溫度相對(duì)較高，故冷卻系統(tǒng)應(yīng)采用高低溫雙循環(huán)布置，使高溫部件及低溫部件都在較適宜的溫度范圍工作。圖1為高低溫雙循環(huán)冷卻系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)布置圖，是根據(jù)高功率密度柴油機(jī)的工作情況進(jìn)行高低溫回路布置的。低溫循環(huán)回路部件有：中冷器、機(jī)油散熱器、電控節(jié)溫器、水散熱器、電控水泵。高溫循環(huán)回路部件有：發(fā)動(dòng)機(jī)、電控水泵、電控節(jié)溫器、水散熱器。其中，電控水泵和電子節(jié)溫器由智能控制冷卻系統(tǒng)綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)工況、散熱器出口溫度、水泵出口溫度等參數(shù)，依據(jù)以上狀況來控制轉(zhuǎn)速和開度。本研究最大優(yōu)點(diǎn)是使用CFD仿真及PID控制策略進(jìn)行綜合研究，對(duì)電控水泵和電子節(jié)溫器實(shí)現(xiàn)了智能控制，從而能對(duì)冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)良好的控制效果。

圖2為風(fēng)扇智能冷卻系統(tǒng)方案。本方案利用發(fā)動(dòng)機(jī)信息參數(shù)、溫度傳感器等實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度的采集，然后把溫度信號(hào)傳遞給冷卻系統(tǒng)控制器，ECU根據(jù)不同的工況實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻控制過程中通過動(dòng)力總成CANbus總線采集的數(shù)據(jù)傳給整車控制單元，驅(qū)動(dòng)各執(zhí)行器（液壓馬達(dá)、冷卻風(fēng)扇等）工作。

圖1 臺(tái)架試驗(yàn)布置

圖2 風(fēng)扇智能冷卻的研究路線與方案

2.2 智能控制策略研究

大功率輪式拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)工況變化比較頻繁，又由于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)溫度變化的滯后性，為了能使發(fā)動(dòng)機(jī)熱能平衡、有效功率最大，因此需要保持出水溫度穩(wěn)定在一個(gè)最佳的范圍，為此文獻(xiàn)[2]對(duì)智能冷卻控制系統(tǒng)控制策略分為兩級(jí)順序控制：一是信號(hào)檢測控制，主要由轉(zhuǎn)速傳感器、油門位置傳感器、水溫傳感器、燃油溫度傳感器及機(jī)油溫度傳感器等組成。工作時(shí)，將監(jiān)測到的信號(hào)傳遞給微控制單元ECU，微處理器根據(jù)嵌入的程序及數(shù)據(jù)控制功率驅(qū)動(dòng)模塊來控制風(fēng)扇、電磁比例溢流閥的開度、高低溫水泵轉(zhuǎn)速及電控節(jié)溫器的開度，從而實(shí)現(xiàn)智能冷卻控制，如圖3所示。二是風(fēng)扇智能冷卻控制，即風(fēng)扇智能冷卻控制，路線與方案如圖4，通過CAN-bus總線與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU實(shí)現(xiàn)通信。

圖3 智能控制冷卻系統(tǒng)控制策略方案

圖4 CANbus智能冷卻控制策略

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻控制系統(tǒng)通過動(dòng)力總成CANbus采集的數(shù)據(jù)包括發(fā)動(dòng)機(jī)溫度報(bào)警和發(fā)動(dòng)機(jī)溫度，動(dòng)力總成CAN網(wǎng)絡(luò)將這兩個(gè)信息傳給整車控制單元，整車控制單元采用設(shè)定的控制策略，通過CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)出控制信息給網(wǎng)絡(luò)中的相應(yīng)控制單元，從而控制冷卻風(fēng)扇組，包括冷卻風(fēng)扇組速度控制和冷卻風(fēng)扇組運(yùn)轉(zhuǎn)請(qǐng)求，這些信息傳給發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，ECU再根據(jù)這些信息控制冷卻風(fēng)扇組，完成整個(gè)冷卻過程[5]。

2.3 控制器軟硬件的設(shè)計(jì)

微控部分的原理如圖5所示：系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，考慮到系統(tǒng)的功能要求，將程序設(shè)計(jì)成主程序、定時(shí)器T0中斷、定時(shí)器T1三個(gè)部分[6]。

圖5 控制原理框圖

3 結(jié)論

由于大功率輪式拖拉機(jī)智能冷卻系統(tǒng)正在研究過程中，所以對(duì)其設(shè)計(jì)只停留在控制策略設(shè)計(jì)及模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上。在以后的工作中，針對(duì)大功率輪式拖拉機(jī)的智能化冷卻系統(tǒng)應(yīng)做的工作有：通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證CFD仿真模型的準(zhǔn)確性并進(jìn)行改進(jìn)；冷卻系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性研究；系統(tǒng)控制精度研究，防止冷卻水溫度變工況時(shí)發(fā)生振蕩。

[1]郭新民，翟麗.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)智能冷卻系統(tǒng)的研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2001（1）：15-18.

[2]桂勇，駱清國.高功率密度柴油機(jī)智能冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī) 2008（6）：62-63.

[3]金軻，姚友良.電液控制智能冷卻系統(tǒng)及其在工程機(jī)械中的應(yīng)用[J].控制技術(shù)，2013（2）.

[4]郄挺婷，張營丹.發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)智能控制一體化設(shè)計(jì)[J].電子科技，2014（04）：1.

[5]吳敏捷，朱維杰.基于C A N總線的發(fā)動(dòng)機(jī)智能冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]黑龍江科技信息，2011（7）：22.

[6]尹靜，劉永進(jìn)等.工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)智能冷卻系統(tǒng)[J].山東內(nèi)燃機(jī)，2014（2）：20.

The Design Strategies of Smart Cooling System About High-power tractors

Zhang Hongdang,Yang Hongtu,Chen Xin
(Department of Vehicle Engineering Changzhou Institute of Mechatronic Technology,Changzhou 213164,China)

High-power tractors intelligent cooling system has been introduced,the present situation of development has been analyzed.The advantages of high-power tractors Intelligent cooling system has been analyzed too, intelligent cooling system design of high-power tractors the overall program have proposed in this paper,CFD simulation,control strategy and intelligent control system hardware and software configuration,and the future work prospects.

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張紅黨（1980－），男，河南周口人，碩士，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化。