劉雨龍，付 森，柴田武志

(一汽豐田汽車有限公司技術(shù)研發(fā)分公司 天津 300457)

1 發(fā)熱量與車速

1.1 確定不同車速的行駛阻力

整車的行駛阻力是由4部分組成的，分別為滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡度阻力、加速阻力，其中滾動(dòng)阻力和空氣阻力是在所有行駛條件下均存在的，而坡度阻力和加速阻力僅在某種特定的行駛條件下存在[1]。如在水平道路上等速行駛時(shí)，車輛的坡度阻力和加速阻力均為 0。結(jié)合車輛開發(fā)的評(píng)價(jià)工況，本文僅考慮滾動(dòng)阻力、空氣阻力與坡度阻力。

1.1.1 滾動(dòng)阻力

滾動(dòng)阻力的定義為：車輛輪胎滾動(dòng)時(shí)，輪胎與路面的接觸區(qū)域會(huì)產(chǎn)生法向、切向的相互作用力，除此之外，輪胎與支撐路還會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變形。而變形特性則取決于輪胎與支撐面的相對(duì)剛度。此時(shí)由于輪胎的內(nèi)部損耗，產(chǎn)生彈性遲滯損失，使得輪胎在變形過程中所做的功無法完全恢復(fù)。滾動(dòng)阻力就是這種輪胎的彈性遲滯損失的體現(xiàn)[1]。

實(shí)際上，這種彈性遲滯損失具體表現(xiàn)為一種阻礙車輪滾動(dòng)的阻力矩。通過對(duì)車輪進(jìn)行受力分析可以將該力矩等效轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)阻力 Fx，其關(guān)系如式(1)所示：

其中：G為車重，N；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，無量綱。滾動(dòng)阻力系數(shù)與路面的種類以及輪胎的構(gòu)造、材質(zhì)、氣壓等有關(guān)，本文以良好的瀝青路面為例，f取0.01。

1.1.2 空氣阻力

空氣阻力是指汽車在直線行駛時(shí)所受到的空氣作用力在行駛方向上的分力，可細(xì)分為壓力阻力與摩擦阻力兩部分[1]。

在車輛行駛過程中，空氣阻力是與氣流相對(duì)速度的動(dòng)壓成正比例的，其具體表達(dá)式如式(2)所示：

其中：Fw為空氣阻力，N；Cd為空氣阻力系數(shù)，無量綱；A為迎風(fēng)面積，m2；ρ為空氣密度，kg/m3；v為車速，m/s。

1.1.3 坡度阻力

坡度阻力即車輛在上坡行駛時(shí)，其重力沿坡道方向的分力[1]，如式(3)所示：

其中：iF為坡度阻力，N；G 為車重，N；α為坡度角度，(°)。

在坡度角較小時(shí)，該角度的正弦值與其正切值近似相同，即坡高與底邊長(zhǎng)的比值，而且上坡時(shí)垂直于坡道路面的重力分力為G×cosα，故其上坡時(shí)的滾動(dòng)阻力為，由于坡度角較小時(shí)，其余弦值約等于1，即與式(1)的數(shù)值相同。

綜合該車輛的相關(guān)參數(shù)和特定的評(píng)價(jià)工況，經(jīng)過計(jì)算可得其行駛阻力F與車速v的關(guān)系如圖1所示(阻力的大小從Lo到Hi表示由低到高)。

圖1 車速-行駛阻力關(guān)系Fig.1 Relationship between vehicle speed and driving force

1.2 確定不同車速行駛時(shí)的需求功率

根據(jù)車輛的行駛方程，其行駛時(shí)的需求功率與車速之間的關(guān)系如式(4)所示：

其中：P為需求功率，W；F為行駛阻力，N；v為車速，m/s；δ為動(dòng)力總成的傳動(dòng)效率，無量綱。

1.3 確定不同車速行駛時(shí)的發(fā)熱功率

首先獲取該系統(tǒng)的發(fā)熱量與輸出功率之間的關(guān)系，如圖 2所示(功率的大小從 Lo到 Hi表示由低到高)。

圖2 系統(tǒng)發(fā)熱量-需求功率關(guān)系Fig.2 Relationship between heat power and request power

結(jié)合不同行駛車速與需求功率之間的線性關(guān)系，可以獲取到某一車速對(duì)應(yīng)的需求功率數(shù)值，再通過圖2中某輸出功率與發(fā)熱量的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后即可將行駛車速與發(fā)熱量之間建立關(guān)系，如圖3所示(車速及功率的大小從Lo到Hi表示由低到高)。

圖3 行駛車速-發(fā)熱功率關(guān)系Fig.3 Relationship between vehicle speed and heat power

通過將行駛車速與發(fā)熱量之間建立關(guān)系，我們就可以預(yù)測(cè)出在某種嚴(yán)苛工況跑行過程中發(fā)熱量的具體數(shù)值，進(jìn)而可以計(jì)算出合適的冷卻回路來滿足其需求的散熱量。

2 散熱器的換熱能力

2.1 散熱器的換熱能力

散熱器的傳熱能力用換熱系數(shù) K(kW/m2·℃)來表示。換熱系數(shù)是指散熱器內(nèi)傳熱介質(zhì)的平均溫度與室內(nèi)氣溫相差為 1℃時(shí) 1m2散熱面積在單位時(shí)間所傳出的熱量[2]，簡(jiǎn)化為散熱方程如式(5)所示：

其中：Q為散熱器換熱量，kW；K為換熱系數(shù)，kW/m2·℃；F為空氣側(cè)換熱面積，m2；ΔT為冷卻介質(zhì)與空氣側(cè)的溫度差，℃。

對(duì)于某一特定的散熱器，由于其空氣側(cè)的換熱面積已經(jīng)確定，可以將式(5)中的K與F合并為一個(gè)參數(shù)，簡(jiǎn)寫為 RKF(kW/℃)，其大小僅與通過散熱器的冷卻液流量及表面通過風(fēng)速有關(guān)[3]。圖4為本車搭載的散熱器在流量峰值時(shí)的RKF特性曲線。

圖4 散熱器平均風(fēng)速-換熱系數(shù)關(guān)系Fig.4 Relationship between wind speed and heat transfer coefficient

所以確定散熱器換熱效果的關(guān)鍵在于其冷卻介質(zhì)的流量和表面的通過風(fēng)量，而其表面通過風(fēng)量又與實(shí)車搭載的情況和散熱器風(fēng)扇控制邏輯有關(guān)。

2.2 散熱器實(shí)車搭載后的通過風(fēng)量

首先通過試驗(yàn)手段確定散熱器實(shí)車搭載后的通過風(fēng)量，即采用控制變量法，控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速及車速二者中之一不變，然后測(cè)量不同組合情況下的通過風(fēng)量值。由于需要模擬車速，故利用環(huán)境風(fēng)洞實(shí)施該試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，其中橫坐標(biāo)為散熱器風(fēng)扇的占空比(Duty)，縱坐標(biāo)為散熱器平均風(fēng)速。可以看出當(dāng)風(fēng)扇控制其占空比為峰值時(shí)，散熱器的通過風(fēng)速最大。

圖5 散熱器風(fēng)扇占空比-車速-平均風(fēng)速關(guān)系Fig.5 Relationship of fan duty，vehicle speed and wind speed

結(jié)合實(shí)車的散熱器通風(fēng)量數(shù)值和散熱器的換熱特性可以確定出在控制風(fēng)扇不同占空比時(shí)和散熱器的換熱效果，這樣就可以為之后的控制邏輯優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

2.3 散熱器的實(shí)際換熱能力預(yù)測(cè)

根據(jù)散熱器換熱系數(shù)的描述、不同風(fēng)扇占空比時(shí)的散熱器通風(fēng)量和不同車速時(shí) FC系統(tǒng)的發(fā)熱量，我們可以預(yù)測(cè)為使其水溫達(dá)到許用溫度以下時(shí)散熱器風(fēng)扇的占空比。圖 6為能使水溫目標(biāo)達(dá)成的散熱器風(fēng)扇占空比，其中橫坐標(biāo)為車速，縱坐標(biāo)為散熱器風(fēng)扇的占空比(這里通過控制擋位表示)。

圖6 散熱器風(fēng)扇占空比-車速關(guān)系Fig.6 Relationship between fan duty and vehicle speed

3 散熱器風(fēng)扇的NVH目標(biāo)

結(jié)合車內(nèi)乘員對(duì)散熱器風(fēng)扇噪音的主觀感受和客觀測(cè)量數(shù)據(jù)，我們總結(jié)得出了在控制不同風(fēng)扇占空比的情況下乘員舒適性的主觀感受評(píng)分，如表 1所示。乘員對(duì)噪音的主觀感受與車速及風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速均有關(guān)系，當(dāng)車速較低時(shí)，由于背景噪聲很小，導(dǎo)致由散熱器風(fēng)扇傳出的噪聲會(huì)表現(xiàn)得更明顯，這時(shí)就要求散熱器風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速盡可能降低；相應(yīng)的，當(dāng)車速較高時(shí)，由于背景噪聲增大，散熱器風(fēng)扇傳出的噪聲會(huì)表現(xiàn)為減弱，這時(shí)散熱器風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可以適當(dāng)提高。

表1 散熱器風(fēng)扇占空比-車速-主觀感受評(píng)分Tab.1 Fan duty-vehicle speed-subjective evaluation point

另外，表 1中的主觀評(píng)分從低到高包括 D、C、B、A、S；其含義分別為不合格、合格、沒有特殊感覺、良好、很好。根據(jù)車輛開發(fā)時(shí)對(duì)NVH的要求，其主觀評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)需要在 C以上(不包括 C)，再結(jié)合表 1，可以得出在車速為 0～10km/h之間時(shí)，風(fēng)扇占空比的限制為 Duty≤55%；車速為 10～20km/h之間時(shí)，風(fēng)扇占空比的限制為Duty≤65%；車速在20km/h以上時(shí)，風(fēng)扇占空比無限制。

4 風(fēng)扇控制邏輯與其NVH目標(biāo)的平衡

根據(jù)風(fēng)扇 NVH目標(biāo)的描述和結(jié)合散熱器風(fēng)扇的控制邏輯，可以推測(cè)出符合 NVH目標(biāo)的控制邏輯圖，如圖7陰影部分為二者的差距。

圖7 散熱器風(fēng)扇占空比-車速Fig.7 Relationship between fan duty and vehicle speed

為滿足 NVH目標(biāo)，需要填補(bǔ)此差距造成的冷卻性能不足。經(jīng)過整體的考慮分析，判斷采用提升冷卻液流量的方法。根據(jù)散熱器換熱系數(shù)曲線和散熱器換熱方程(式 5)可以推測(cè)出當(dāng)流量提升至 50%時(shí)能夠補(bǔ)償風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降低帶來的冷卻性能影響。

最終在調(diào)整了冷卻液流量并植入新的風(fēng)扇控制邏輯后實(shí)施了整車的冷卻試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果 FC系統(tǒng)的實(shí)際溫度低于許用溫度，表明滿足開發(fā)目標(biāo)，也驗(yàn)證了本次優(yōu)化的可行性。

5 結(jié)論及展望

本文是基于整車性能預(yù)測(cè)和整車試驗(yàn)結(jié)果來優(yōu)化散熱器風(fēng)扇控制邏輯的，結(jié)論為當(dāng)冷卻液流量在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提升 50%時(shí)可以將風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降低至 NVH合格的目標(biāo)區(qū)域，即在優(yōu)化該散熱器風(fēng)扇的控制邏輯后，既可以滿足 FC系統(tǒng)的冷卻需求，其運(yùn)行噪聲又可以滿足乘員舒適性的要求，整車的商品優(yōu)勢(shì)得到了提升。

整車的冷卻性能與很多其他性能都是矛盾關(guān)系，保證冷卻性能的同時(shí)其他性能會(huì)受到影響，例如：前格柵的開口面積提升之后對(duì)冷卻性能有利，但整車的空氣阻力系數(shù)也會(huì)提高，燃油經(jīng)濟(jì)性就會(huì)相應(yīng)降低；散熱器風(fēng)扇轉(zhuǎn)速提升之后對(duì)冷卻性能有利，但隨之而來的噪聲會(huì)降低乘員的舒適性。類似矛盾時(shí)刻存在，這就需要我們通過技術(shù)手段平衡利弊，找到最優(yōu)的解決方案，開發(fā)出讓客戶更滿意的產(chǎn)品。