程振徐，倪計民，郝真真，馬信元，王琦瑋

(同濟大學汽車學院，上海 201804)

車用發(fā)動機性能和設(shè)計水平的不斷提高、能源危機的出現(xiàn)以及排放法規(guī)的嚴苛要求使得冷卻系統(tǒng)的作用不僅僅是冷卻發(fā)動機，更需要在車輛起動、行駛、停機等各個工作階段，滿足排放性、經(jīng)濟性、動力性、舒適性、可靠性、耐久性等綜合性要求[1-2]。智能化是兼顧各種問題和需求的關(guān)鍵技術(shù)，是發(fā)動機冷卻系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，因此非常有必要對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行智能化研究[3-5]。1981年美國的一項專利首次提出了電子風扇[6]。R. Clemente[7]首次在越野卡車上使用由電動機帶動的電子風扇。EMP公司[8]設(shè)計了采用無刷電機驅(qū)動的電子風扇，相比于有刷電機，無刷電機具有無磨損、效率高、空載電流小、結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長等優(yōu)點。2001年，法雷奧、里卡多和戴姆勒克萊斯勒等公司[9]聯(lián)合開發(fā)了42 V-14 V雙電壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)在提高電能轉(zhuǎn)換效率的同時實現(xiàn)了電子風扇的無級變速。國外公司對電子節(jié)溫器做了很多研究，實現(xiàn)了冷卻液流量的智能控制[10-12]。國內(nèi)方面，韓曉峰等[13]通過對PWM冷卻風扇控制策略的研究發(fā)現(xiàn)，該控制策略能夠保證整車熱平衡性能和空調(diào)性能。孔祥強等[14]提出了一種可快速精確控制目標溫度的控制策略來解決太陽能熱泵的控制問題。謝輝等[15]通過研究電動風扇和電動水泵功率分配對熱管理系統(tǒng)運行總能耗的影響規(guī)律，提出了風扇和水泵功率分配控制策略，該控制策略可有效減少水溫控制的波動，降低系統(tǒng)控制能耗。

可以發(fā)現(xiàn)，目前大部分研究是單獨針對電子節(jié)溫器或者電子風扇的控制策略，而電子節(jié)溫器的開啟與電子風扇的開啟互為影響，因此有必要對電子節(jié)溫器與電子風扇聯(lián)合控制策略進行研究分析。本研究通過分析冷卻液溫度對發(fā)動機燃油消耗率的影響來確定冷卻液目標溫度，以此為基礎(chǔ)來制定電子風扇和電子節(jié)溫器的聯(lián)合控制策略，并在該聯(lián)合控制策略中加入電子風扇轉(zhuǎn)速脈譜圖來提高控制精度，研究該聯(lián)合控制策略對風扇耗功的影響，以及電子風扇轉(zhuǎn)速脈譜圖的引入對風扇轉(zhuǎn)速和冷卻液溫度的影響。

1 電子風扇轉(zhuǎn)速脈譜圖的研究

風扇轉(zhuǎn)速脈譜圖的加入使得電子風扇能夠針對發(fā)動機工況的改變預(yù)先設(shè)置一個風扇轉(zhuǎn)速，然后使用PID控制器對風扇轉(zhuǎn)速進一步調(diào)節(jié)，這使得整個控制系統(tǒng)既能做到及時響應(yīng)，又能精確地控制冷卻液溫度并減少冷卻風扇的耗功。

1.1 冷卻風扇轉(zhuǎn)速與冷卻空氣流量的匹配

通過風扇和散熱器性能試驗可分別得到風扇的靜壓流量曲線和散熱器阻力流量曲線，將這兩個曲線放在同一坐標下即可得到冷卻風扇匹配工況點(見圖1)。在圖1中定位散熱器風阻曲線與風扇的靜壓-流量-轉(zhuǎn)速萬有特性交點，由此可獲得該冷卻風扇在發(fā)動機冷卻系統(tǒng)工作時其實際運行工況點的轉(zhuǎn)速和流量。

圖1 冷卻風扇匹配工況點

由此數(shù)據(jù)可建立冷卻空氣流量qa與風扇轉(zhuǎn)速nf的關(guān)系式：

qa=-1.103 5×10-8×nf2+
6.674 2×10-4×nf-0.136 187。

(1)

利用式(1)計算電子風扇轉(zhuǎn)速和冷卻空氣流量的試驗值與回歸值，相對誤差范圍在[-1.06%，1.01%]。根據(jù)式(1)繪制的風扇轉(zhuǎn)速和流量的關(guān)系見圖2。

圖2 冷卻風扇轉(zhuǎn)速和空氣流量關(guān)系

將風扇在各轉(zhuǎn)速下的匹配工況點呈現(xiàn)在風扇的流量和效率關(guān)系圖中，通過各轉(zhuǎn)速下的冷卻空氣流量做一條垂直于橫坐標軸的直線，該直線與對應(yīng)轉(zhuǎn)速下風扇流量和效率曲線的交點就是風扇在工況點下的效率值(見圖3)。

圖3 冷卻風扇流量和效率關(guān)系

風扇在各轉(zhuǎn)速下的效率見表1。 由該表可知，風扇的效率隨著風扇轉(zhuǎn)速的升高呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，但整體保持在風扇的高效率區(qū)間。由此可知，風扇在冷卻系統(tǒng)中的工作點處于風扇的高效率區(qū)間，即風扇在保證散熱量的前提下在風扇的高效率區(qū)間運行，減小了風扇的功耗。

表1 風扇各轉(zhuǎn)速下的效率

1.2 電子風扇供風量及轉(zhuǎn)速脈譜圖的確定

冷卻空氣的需求量可通過熱平衡方程求得：

(2)

式中：qa為冷卻空氣流量；Qw為冷卻系統(tǒng)的散熱量；Cpa為冷卻空氣的比定壓熱容；ρa為冷卻空氣的密度；Δta為散熱器空氣側(cè)進出口溫差。

對發(fā)動機進行熱平衡試驗，得出冷卻液在試驗工況內(nèi)所帶走的熱量(見表2)，其中負荷率25%，50%，75%，100%下發(fā)動機的冷卻液散熱量分別記為Q1，Q2，Q3，Q4。

表2 部分工況下冷卻液散熱量

根據(jù)發(fā)動機冷卻液散熱量及式(2)可以求得各工況下發(fā)動機散熱所需要的風扇供風量(見表3)，其中負荷率25%，50%，75%，100%下的風扇供風量分別記為V1，V2，V3，V4。

由1.1節(jié)和1.2節(jié)中確定的風扇轉(zhuǎn)速和流量關(guān)系以及發(fā)動機全工況下的風扇供風量，就可確定發(fā)動機全工況下的風扇轉(zhuǎn)速(見表4)，其中負荷率25%，50%，75%，100%下的風扇轉(zhuǎn)速分別記為n1，n2，n3，n4。將表4數(shù)據(jù)導入到商用軟件Matlab中，即可得到發(fā)動機全工況下的風扇轉(zhuǎn)速脈譜圖(見圖4)。

表3 部分工況下風扇供風量

表4 部分工況下的風扇轉(zhuǎn)速

圖4 發(fā)動機全工況下風扇轉(zhuǎn)速脈譜圖

2 發(fā)動機冷卻液目標溫度的研究

發(fā)動機冷卻液溫度對發(fā)動機經(jīng)濟性、排放性以及可靠性有著重要影響，本研究選取發(fā)動機出口冷卻液溫度作為控制電子風扇和電子節(jié)溫器的目標值。

利用發(fā)動機熱平衡試驗對5種不同發(fā)動機出口冷卻液溫度(80 ℃，85 ℃，90 ℃，95 ℃，100 ℃)下的燃油消耗率進行分析，單純考慮燃油經(jīng)濟性，得到各工況下最低的燃油消耗率所對應(yīng)的冷卻液溫度(見表5)，其中將25%，50%，75%，100%負荷率工況下的發(fā)動機冷卻液目標溫度記為T1，T2，T3，T4。

表5 發(fā)動機冷卻液目標溫度

從表5中可以發(fā)現(xiàn)，在低轉(zhuǎn)速3 000 r/min、中低負荷25%，50%和75%工況下，最低的燃油消耗率對應(yīng)的冷卻液溫度均是95 ℃，而在100%負荷時平均燃油消耗率對應(yīng)的最低冷卻液溫度為85 ℃，考慮到冷卻液溫度的連續(xù)性和發(fā)動機的實際運行情況中低轉(zhuǎn)速低負荷占據(jù)較大比例這一因素，將發(fā)動機冷卻液目標溫度設(shè)置為95 ℃。

3 仿真模型的建立

利用GT-COOL軟件建立冷卻系統(tǒng)一維仿真模型，并依據(jù)制定的電子風扇和電子節(jié)溫器控制策略，通過改進的電子風扇和電子節(jié)溫器仿真模型，將原車冷卻系統(tǒng)仿真模型改為基于聯(lián)合控制策略的冷卻系統(tǒng)一維仿真模型。

3.1 原車一維仿真模型的建立

調(diào)用GT-COOL軟件中相應(yīng)的模塊來建立冷卻系統(tǒng)一維仿真計算模型(見圖5)。

圖5 冷卻系統(tǒng)仿真模型

試驗用發(fā)動機為四沖程、自然吸氣、電噴發(fā)動機，其主要技術(shù)參數(shù)見表6。

表6 發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

發(fā)動機在各轉(zhuǎn)速下的冷卻液流量試驗值與仿真值對比見表7。由表7可知，試驗值與仿真值的誤差在5%以內(nèi)，因此可以認為基于GT-COOL軟件建立的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)模型符合目標發(fā)動機的基本情況，可用于仿真分析計算。

表7 冷卻液流量試驗值與仿真值對比

3.2 電子風扇和電子節(jié)溫器控制策略制定

圖6示出電子節(jié)溫器和電子風扇聯(lián)合控制策略邏輯圖，其中T為發(fā)動機冷卻液溫度?？刂撇呗缘暮诵臑槌浞掷霉?jié)溫器對大小循環(huán)流量的控制來實現(xiàn)對目標冷卻液溫度的控制。當電子節(jié)溫器處于全開狀態(tài)并且溫度還繼續(xù)上升時，通過控制電子風扇的轉(zhuǎn)速來控制冷卻液溫度。

圖6 電子節(jié)溫器和電子風扇聯(lián)合控制策略邏輯圖

3.3 基于聯(lián)合控制策略的一維仿真模型建立

基于上述聯(lián)合控制策略，在GT-COOL軟件中對電子風扇和電子水泵進行重新建模。圖7示出改進后的電子風扇模型，電子風扇轉(zhuǎn)速的控制量由PID控制器進行調(diào)節(jié)。圖8示出電子節(jié)溫器球閥仿真模型，電子節(jié)溫器中對流量的調(diào)節(jié)使用GT-COOL軟件中的球閥模型來等效替代原模型中的閥門。用改進后的電子風扇和電子水泵代替原仿真系統(tǒng)中的相關(guān)部件，則可建立新的冷卻系統(tǒng)一維仿真模型。

圖7 改進后的電子風扇仿真模型

圖8 電子節(jié)溫器球閥仿真模型

4 聯(lián)合控制策略對冷卻系統(tǒng)的影響

電子風扇在運轉(zhuǎn)的過程中損耗的能量很大，需要研究聯(lián)合控制策略的運用能否優(yōu)化風扇的工作時間，進而節(jié)省風扇的耗功。本研究在聯(lián)合控制策略中引入了電子風扇轉(zhuǎn)速脈譜圖，需要研究其能否提高風扇轉(zhuǎn)速和冷卻液溫度的控制精度和響應(yīng)速度。

4.1 控制策略對風扇耗功的影響

利用改進后的模型對各工況下電子風扇轉(zhuǎn)速進行仿真計算，包括6種轉(zhuǎn)速(1 500，2 000，3 000，4 000，5 000，6 000 r/min)、4種負荷率(25%，50%，75%，100%)共24種工況。仿真計算結(jié)果見表8，其中，風扇轉(zhuǎn)速1和風扇轉(zhuǎn)速2分別代表優(yōu)化前和優(yōu)化后的風扇轉(zhuǎn)速。

表8 優(yōu)化前后仿真結(jié)果對比

從表8中可以看出，聯(lián)合控制策略下，只有序號5和序號6兩種工況下優(yōu)化后的風扇的耗功大于原機風扇耗功，這是因為在高轉(zhuǎn)速、高負荷的工況下，為了使冷卻液溫度維持在目標值附近(原機在該工況下發(fā)動機出口冷卻液溫度要高于后制定的冷卻液目標溫度95 ℃)，在電子節(jié)溫器全開的狀況下只能采取增加風扇轉(zhuǎn)速的方法來增大散熱量。其他工況下電子風扇的轉(zhuǎn)速都低于或等于原機風扇的轉(zhuǎn)速，也就是說相對于95 ℃為發(fā)動機冷卻液目標溫度，原機大多數(shù)時間運行在過冷狀態(tài)中，這一過冷狀態(tài)將會對發(fā)動機燃油消耗率以及排放產(chǎn)生一定程度的負面影響。綜上分析，通過聯(lián)合控制策略，可以有效地降低風扇功耗，達到節(jié)能減排的目標。

4.2 風扇轉(zhuǎn)速脈譜圖對控制策略的影響

本研究引入了風扇轉(zhuǎn)速脈譜圖來制定電子風扇和電子節(jié)溫器的聯(lián)合控制策略，基于改進后的仿真模型，分別在有/無風扇轉(zhuǎn)速脈譜圖的情況下進行仿真計算。發(fā)動機在3 000 r/min，50%負荷工況下的計算結(jié)果見圖9和圖10。

圖9示出風扇脈譜圖對風扇轉(zhuǎn)速的影響。由圖9可以看出，當冷卻液溫度達到目標值后，由于脈譜圖的存在，風扇的轉(zhuǎn)速直接跳到了預(yù)置轉(zhuǎn)速附近，然后由PID控制器進一步調(diào)節(jié)，直到冷卻液溫度穩(wěn)定在目標值附近。而單獨采用PID控制的風扇，其轉(zhuǎn)速的上升需要一個過程，冷卻液溫度的調(diào)節(jié)時間更長，波動也更大。

圖9 風扇脈譜圖對風扇轉(zhuǎn)速的影響

圖10示出風扇脈譜圖對發(fā)動機冷卻液溫度的影響。由圖10可見，當控制策略加入脈譜圖后，冷卻液溫度超過目標值后可在97 s左右回到目標值，且溫度波動較小，僅為5.2 ℃；當控制策略不加入脈譜圖時，冷卻液溫度超過目標值后則在173 s左右回到目標值，且溫度波動較大，達到14.5 ℃。由以上分析可知，風扇轉(zhuǎn)速脈譜圖的存在使得冷卻系統(tǒng)對冷卻液溫度的控制精度更高，響應(yīng)更快。發(fā)動機在3 000 r/min，50%負荷工況下工作時，增加電子風扇轉(zhuǎn)速脈譜圖后，冷卻液溫度波動降低了9.3 ℃，溫度調(diào)整時間減少了76 s。

圖10 風扇脈譜圖對冷卻液溫度的影響

綜上所述，電子風扇與電子節(jié)溫器聯(lián)合控制策略能夠在發(fā)動機低速低負荷工況下，單獨依靠電子節(jié)溫器對冷卻液流量進行合理控制，達到調(diào)節(jié)冷卻液溫度的任務(wù)。而在高速高負荷下，通過電子節(jié)溫器和電子風扇的聯(lián)合控制，以及風扇轉(zhuǎn)速脈譜圖的使用，使得該智能冷卻系能夠迅速響應(yīng)，并有效控制冷卻液溫度。

5 結(jié)論

a) 根據(jù)風扇和散熱器的性能試驗，得到電子風扇在發(fā)動機全工況下的理論轉(zhuǎn)速脈譜圖，這可以為電子風扇控制策略的制定提供依據(jù)；

b) 根據(jù)發(fā)動機實際運行過程的需求及冷卻液溫度對油耗的影響，將冷卻液目標溫度定為95 ℃；

c) 對24種工況下的聯(lián)合控制策略研究表明，聯(lián)合控制策略可以精確控制風扇轉(zhuǎn)速，降低風扇功耗；

d) 風扇轉(zhuǎn)速脈譜圖的引入使得風扇轉(zhuǎn)速能夠迅速達到工作點附近，減少了冷卻液溫度的波動和調(diào)節(jié)時間。