王 菲，盛鵬程，張 志 ，李文濤

（1.河北機電職業(yè)技術(shù)學院，河北 邢臺 054048；2.中國汽車技術(shù)研究中心汽車工程院，天津 300300；3.邢臺職業(yè)技術(shù)學院，河北 邢臺 054000）

WLTP工況即全球輕型車測試規(guī)程，是由聯(lián)合國歐洲委員會聯(lián)合一些國家的政府如日本、中國、俄羅斯、印度和韓國等，針對全球各個不同區(qū)域的駕駛工況進行收集與評估，開發(fā)出的一種可以在全球范圍內(nèi)適用于輕型車的測試循環(huán)，能夠根據(jù)各國的交通狀況反映出駕駛員的實際駕駛行為。中國在2020年前，將在全國范圍內(nèi)實施更為嚴格的國Ⅵ（國六）排放標準。Ⅵ排放標準的推廣實施離不開測試工況，測試工況是油耗和排放標準的評價基礎(chǔ)。有研究表明：發(fā)動機冷卻系統(tǒng)熱管理占到發(fā)動機燃油熱量的30%左右，目前國內(nèi)大多數(shù)發(fā)動機機型并未對冷卻系統(tǒng)進行智能開發(fā)；同時中國道路擁堵嚴重，車輛大部分為城區(qū)工況，加減速更加頻繁，借鑒WLTP工況更能符合中國大城市瞬變的實際駕駛情況。為了應(yīng)對在新的排放測試循環(huán)工況WLTP下達到國Ⅵ排放標準，各個汽車生產(chǎn)企業(yè)面臨的節(jié)能減排任務(wù)壓力大，形勢嚴峻。因此，對智能冷卻系統(tǒng)在WLTP工況下進行研究具有緊迫感和前瞻性。

1 新的WLTP工況與NEDC工況之間的比較

圖1為NEDC與WLTP排放測試循環(huán)工況測試圖。從圖1中可以看出：NEDC循環(huán)主要由市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)和郊區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)兩部分組成，市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)工況由3個怠速、加速、勻速和減速循環(huán)單元工況組成，每個循環(huán)單元工況平均車速34 km/h，最高車速50 km/h，有效行駛時間195s；郊區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)由一個運轉(zhuǎn)循環(huán)單元組成，平均車速62.6 km/h，有效行駛時間400s，最高車速120 km/h。

圖1 NEDC與WLTP排放測試循環(huán)工況測試圖

新的WLTP工況主要包含以下4個運轉(zhuǎn)區(qū)間：低速區(qū)、中等速度區(qū)、高速區(qū)以及更高車速區(qū)，相關(guān)對比參數(shù)見表1。新的WLTP工況與當前的NEDC循環(huán)工況相比，主要區(qū)別是：①測試時間更長，由1 200 s增加到了1 800 s；②平均車速有了較大提升，最高車速由120 km/h達到131 km/h；③加速能力變得更強。由于加速度更大，速度更高，因此WLTP運轉(zhuǎn)循環(huán)將導致更高的油耗和排放，這給企業(yè)針對節(jié)能減排方面提出了更苛刻的要求。

表1 NEDC與WLTP之間的比較

2 智能冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制原理

2.1 智能冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

汽車發(fā)動機的智能冷卻系統(tǒng)主要將可控節(jié)溫器與電動風扇融入到現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)環(huán)路中，構(gòu)建出一套發(fā)動機智能冷卻系統(tǒng)，主要由電動水泵、電動風扇、電控蠟式節(jié)溫器等部件組成，如圖2所示。與傳統(tǒng)冷卻循環(huán)相比，只需要通過極小的結(jié)構(gòu)改動和軟件升級，就可將其融入到現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)環(huán)路中。

圖2 智能冷卻系統(tǒng)組成

2.2 智能冷卻系統(tǒng)控制原理

燃油在發(fā)動機里燃燒所產(chǎn)生的溫度可高達2 000 ℃，這個高溫對于發(fā)動機的工作是有害的，所以必須將該溫度冷卻到“工作溫度”。合適的發(fā)動機工作溫度不但能夠提高發(fā)動機功率、減少燃油消耗，也能降低發(fā)動機尾氣的排放。發(fā)動機的工作能力取決于冷卻系統(tǒng)是否正常工作，其工作溫度要求如圖3所示，橫坐標為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，縱坐標為扭矩。部分負荷時，冷卻液溫度較高，冷卻液溫度為95～110 ℃，這有助于降低油耗和廢氣中的有害物質(zhì)；全負荷時，冷卻液溫度較低，冷卻液溫度為85～95 ℃，吸入的空氣被加熱到的溫度低一些，這有助于提高功率。但是傳統(tǒng)的冷卻方式僅僅依靠蠟式節(jié)溫器的被動調(diào)節(jié)，無法滿足冷卻液溫度與實時的發(fā)動機工作溫度相匹配的要求。

圖3 發(fā)動機負荷與冷卻水溫關(guān)系

圖4為智能冷卻系統(tǒng)工作原理圖。水溫傳感器將散熱器出水口溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并經(jīng)過濾波處理送給單片機，單片機將此信號與預(yù)先存儲的規(guī)定溫度特性曲線相比較，得到此時實際溫度與規(guī)定溫度差及溫差變化率，通過一個雙輸入單輸出的模糊控制器，模糊控制器對輸入、輸出信號進行模糊化、模糊規(guī)則建立、反模糊化等一系列處理，最后得到能夠使電控節(jié)溫器、電控水泵及電控風扇按照要求工作的控制信號。

圖4 智能冷卻系統(tǒng)工作原理圖

3 模糊控制策略

本文采用雙輸入單輸出的模糊控制策略，以散熱器出水口溫度與溫度特性曲線中的規(guī)定溫度差E和溫差變化率EC為輸入，以控制量U為輸出，模糊控制論域為{-10，-7，-3，0，3，7，10}，語言變量設(shè)為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，隸屬度函數(shù)為三角形函數(shù)，輸入變量與控制量的模糊規(guī)則如圖5所示，控制量與被控對象關(guān)系見表2。

4 試驗

圖5 控制量與被控量之間MAP關(guān)系

表2 冷卻能力與被控對象的關(guān)系

當發(fā)動機剛起動時，此時需要冷卻能力最弱，電動水泵、電動風扇和電控節(jié)溫器均不工作，處于小循環(huán)狀態(tài)。當溫度達到85～95 ℃時，此時需要中等水平的冷卻能力，電動水泵工作，電動風扇、電控節(jié)溫器工作狀態(tài)由模糊控制策略決定，當溫度達到95～110 ℃時，冷卻能力最強。

圖6為發(fā)動機采用智能冷卻系統(tǒng)后的試驗圖。圖6a表示在WLTP工況下冷起動暖機時間的對比，紅色表示采用智能冷卻系統(tǒng)之后的暖機時間，明顯比代表傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的綠色曲線縮短了。圖6b～6d表示在油耗、排放方面的比較，可以看出：采用智能冷卻系統(tǒng)比傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)在節(jié)能減排方面有了明顯降低，證明本文采用的模糊控制策略達到了一定效果。

圖6 智能冷卻與傳統(tǒng)冷卻的試驗比較

5 結(jié)論

智能冷卻系統(tǒng)的集成開發(fā)與相關(guān)研究已有20年歷史，智能冷卻系統(tǒng)在改善燃油經(jīng)濟性、延長機油使用壽命、減少有害物排放、延長發(fā)動機壽命以及增加系統(tǒng)靈活性方面的具體效果，一方面依托于結(jié)構(gòu)設(shè)計，一方面取決于所采用的控制策略以及控制系統(tǒng)特性。本文所提出的方法能夠主動調(diào)節(jié)發(fā)動機工作溫度，在節(jié)能減排方面具有積極作用。

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