劉如佳, 劉向農(nóng), 李曉萍, 孫東方, 何睿琪, 董 婷

(合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

目前我國石油能源對(duì)外依存度仍然較高。為了緩解全球變暖和能源問題,我國計(jì)劃在2030年達(dá)到碳達(dá)峰,并在2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。作為落實(shí)碳達(dá)峰、碳中和的必要措施,節(jié)能減排已經(jīng)成為一項(xiàng)重要議題[1]。在車輛行駛過程中,發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)主要為保證發(fā)動(dòng)機(jī)溫度穩(wěn)定在最佳工作溫度范圍內(nèi),是提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率,減少汽車油耗的重要一環(huán)。發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化和控制研究已經(jīng)被廣泛關(guān)注,成為了許多學(xué)者的重點(diǎn)研究對(duì)象。

文獻(xiàn)[2]提出一種以介質(zhì)來劃分成不同溫度區(qū)域進(jìn)行熱管理系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模,在不降低精度的前提下簡(jiǎn)化成一階模型,并分別針對(duì)單輸入單輸出(simple input simple output,SISO)和多輸入單輸出(multiple input single output,MISO)型系統(tǒng)提出了2種冷卻液溫度追蹤調(diào)節(jié)方法,最后結(jié)合內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)模型提出了能量與熱量一體化的油耗控制策略,該純數(shù)學(xué)建模較為繁瑣,無法靈活在模型中插入各種部件調(diào)試優(yōu)化系統(tǒng);文獻(xiàn)[3]基于氫燃料電池汽車,設(shè)計(jì)了一套包括燃料電池冷卻回路、動(dòng)力電池冷卻回路、電驅(qū)動(dòng)冷卻回路和空壓機(jī)冷卻回路的熱管理系統(tǒng),并使用AMESim軟件建立一維物理仿真模型,探究該系統(tǒng)在不同工況下的運(yùn)行狀態(tài),但是在熱管理系統(tǒng)中缺少相應(yīng)的控制策略;文獻(xiàn)[4]建立了一種電機(jī)與電池集成管理的純電動(dòng)機(jī)車熱管理系統(tǒng)模型和整車工況模型,設(shè)計(jì)了基于路況信息的電池產(chǎn)熱預(yù)測(cè)模型,開發(fā)了通過預(yù)測(cè)產(chǎn)熱控制電加熱元件的控制策略;文獻(xiàn)[5]在三維建模時(shí)使用多孔介質(zhì)簡(jiǎn)化散熱器的翅片機(jī)構(gòu),對(duì)簡(jiǎn)化后的散熱器進(jìn)行流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的仿真,并對(duì)散熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化,最后用優(yōu)化后的散熱器模型在AMESim仿真軟件中對(duì)熱管理系統(tǒng)回路進(jìn)行了提升;文獻(xiàn)[6]使用物理仿真軟件對(duì)總成熱管理系統(tǒng)進(jìn)行建模,并采用簡(jiǎn)單的比例積分微分(proportional integral derivative,PID)回路優(yōu)化水泵與風(fēng)扇的控制策略,使發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)水溫保持在最佳工作范圍內(nèi)。

目前大部分一維物理仿真建模使用的是AMESim軟件,該軟件包含較多預(yù)先編寫好的物理模塊,搭建一維物理模型較為便捷。本文使用的Simscape物理仿真軟件與AMESim軟件相似,擁有多種物理域和物理模塊。與AMESim軟件相比,Simscape具有以下優(yōu)點(diǎn):

1) AMESim軟件中大部分模塊為商用的定制模塊,只可以改變一些指定的參數(shù),例如尺寸、初始溫度等。而Simscape模塊中內(nèi)置的代碼可以在MATLAB中進(jìn)行改編,可以自定義輸入?yún)?shù);也可以對(duì)內(nèi)部計(jì)算公式進(jìn)行改寫,使模塊實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能上的轉(zhuǎn)變;同時(shí)可以將已有的MATLAB函數(shù)和腳本整合進(jìn)Simscape模塊,使編寫更為便捷,功能更加多樣化。

2) AMESim軟件在開發(fā)復(fù)雜控制系統(tǒng)時(shí)需要建立co-simulation接口,以實(shí)現(xiàn)Simulink控制。而Simscape軟件是基于Simulink環(huán)境開發(fā)而成,在Simscape模型中可以直接建立Simulink模型,難以建立物理仿真模型的部分也可由Simulink模型代替,用Simulink模型與物理仿真模型相互補(bǔ)充[7]。

本文使用Simscape一維物理仿真軟件,搭建包含散熱器、離心水泵、蓄液罐和發(fā)動(dòng)機(jī)管段傳熱模塊的發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理回路,并驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性;建立基于散熱器風(fēng)扇啟停控制和離心水泵轉(zhuǎn)速擋位控制的調(diào)節(jié)系統(tǒng),以發(fā)動(dòng)機(jī)出口水溫和給定溫度的差值作為輸入信號(hào),控制散熱器外部風(fēng)速和回路中冷卻液的流速,使發(fā)動(dòng)機(jī)出口水溫維持穩(wěn)定。

1 模型的建立

發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 熱管理系統(tǒng)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)主要由以下部分組成:散熱器子系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)熱子系統(tǒng)、離心水泵子系統(tǒng)、蓄液罐、管路壓降、冷卻液物性表、解算器等。冷卻液從發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)熱子系統(tǒng)中吸收熱量后,進(jìn)入散熱器子系統(tǒng),將熱量釋放到外界空氣中,后經(jīng)過蓄液罐和離心水泵,重新回到發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)熱子系統(tǒng)。熱管理系統(tǒng)主要子系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 子系統(tǒng)模型

1.1 散熱器子系統(tǒng)

散熱器子系統(tǒng)如圖2a所示,主要由扁管模塊、空氣熱源模塊、散熱器壓力模塊、熱物性傳感器模塊以及端口模塊組成。熱物性傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)控散熱器出口與入口處的溫度、焓值等參數(shù)的狀態(tài)。端口是子系統(tǒng)與外部模型的連接點(diǎn),1號(hào)端口為散熱器子系統(tǒng)入口,2號(hào)端口為出口?？諝鉄嵩茨K是一個(gè)恒定溫度的熱源,它與扁管模塊的H端口相連,為扁管模塊提供管外氣流的物性參數(shù),空氣的溫度可由S端口輸入。散熱器壓力模塊提供散熱器內(nèi)部冷卻液流動(dòng)阻力,散熱器壓降特性曲線由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[8]。扁管模塊負(fù)責(zé)模擬散熱器芯體與外界空氣的傳熱過程,扁管模塊由Simscpae中的管道模型改編而成,管道模型內(nèi)置了質(zhì)量守恒和能量守恒等方程式,但由于散熱器芯體結(jié)構(gòu)與管道不同,需要對(duì)管道模塊中自帶的質(zhì)量能量守恒等方程式進(jìn)行適當(dāng)改編,并且編寫傳熱系數(shù)計(jì)算公式。

流體側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算公式如下:

(1)

其中:h為對(duì)流換熱系數(shù);Nu為努塞爾數(shù);λ為導(dǎo)熱系數(shù);D為管道的當(dāng)量直徑。

當(dāng)管內(nèi)流體雷諾數(shù)Re≤2 000時(shí),

(2)

其中:Dmax為管道長(zhǎng)邊;Dmin為管道短邊。

當(dāng)管內(nèi)流體雷諾數(shù)2 000

(3)

其中:Pr為普朗特?cái)?shù);fi為管內(nèi)摩擦系數(shù),采用Filonenko公式[10]:

fi=(1.82lnRe-1.64)-2

(4)

當(dāng)管內(nèi)流體雷諾數(shù)Re>104時(shí),使用Petukhov公式[9]:

(5)

在Simscape兩相流回路中,系統(tǒng)只能計(jì)算冷卻液側(cè)的物性參數(shù),來流空氣先經(jīng)過冷凝器,后經(jīng)過散熱器,因此,空氣的溫度設(shè)定為夏季工作的平均溫度(320 K)?？諝鈧?cè)對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算公式[11]為:

(6)

其中:Ga為空氣單位面積質(zhì)量流量,Cp為空氣定壓比熱;j為空氣側(cè)傳熱因子,是決定對(duì)流換熱系數(shù)的關(guān)鍵值,j的計(jì)算公式[12]為:

(7)

其中:θ為百葉窗傾斜角度;Fp為翅片間距;Fl為翅片高度,Td為扁管長(zhǎng)軸長(zhǎng)度;Lp為百葉窗的間距;Ll為百葉窗的長(zhǎng)度;Tp為管間距;δf為翅片厚度。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)熱子系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)熱子系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)水道傳熱模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)熱模塊、水道壓力模塊、熱物性傳感器模塊以及端口模塊組成,如圖2b所示。本文用發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)熱模塊簡(jiǎn)化了發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)熱過程。產(chǎn)熱模塊是一個(gè)恒定熱流量的熱源,向水道傳熱模塊輸送一定量的熱量,熱流量的數(shù)值可由S端口輸入。管道壓降特性曲線來源于文獻(xiàn)[13]。

1號(hào)端口為發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)熱子系統(tǒng)入口,2號(hào)端口為出口。冷卻液從1號(hào)端口進(jìn)入后,先后經(jīng)過水道壓力模塊和發(fā)動(dòng)機(jī)水道傳熱模塊,分別模擬了冷卻液在發(fā)動(dòng)機(jī)水道中的壓降和與發(fā)動(dòng)機(jī)的熱交換過程。

1.3 離心水泵子系統(tǒng)

離心水泵子系統(tǒng)如圖2c所示,主要由離心水泵和轉(zhuǎn)速輸出源模塊組成。離心水泵有4個(gè)接口,其中A和B分別為為冷卻液的輸入端口和輸出端口。R接口輸入水泵軸的轉(zhuǎn)速,由轉(zhuǎn)速輸出模塊提供機(jī)械旋轉(zhuǎn)域信號(hào),轉(zhuǎn)速大小可由端口S輸入。C接口為水泵殼體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),與靜止參照物相連,使殼體保持靜止。在離心水泵模塊參數(shù)配置中輸入水泵壓力特性曲線,即可根據(jù)水泵轉(zhuǎn)速和回路壓降匹配冷卻液的流速。水泵壓力特性曲線來源于文獻(xiàn)[14]。

1.4 其他部件介紹

冷卻液熱物性參數(shù)模塊中定義了冷卻液的物理性質(zhì),包括密度、黏度、導(dǎo)熱系數(shù)、比焓、定壓比熱容等參數(shù)。物性參數(shù)可以選擇使用Simscape內(nèi)置的流體物性參數(shù)庫,也可以通過手動(dòng)輸入。蓄液罐模塊被簡(jiǎn)化成一個(gè)無限大的蓄液容器,容器中的液體與回路連通,且始終保持相同的溫度。

2 模型驗(yàn)證

2.1 散熱器傳熱系數(shù)驗(yàn)證

本文建立的模型是通過改變離心水泵轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)流量的變化,流量增大時(shí),傳熱系數(shù)也隨之增加,從而使傳熱量上升。傳熱系數(shù)是衡量散熱器工作性能的重要指標(biāo),本文模擬了離心水泵轉(zhuǎn)速變化時(shí),散熱器傳熱系數(shù)的變化,并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[12]。

在驗(yàn)證散熱器傳熱系數(shù)的環(huán)節(jié)中,設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱量為90 kW,參數(shù)設(shè)定見表1所列。傳熱系數(shù)隨離心水泵轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)如圖3所示。

表1 模型驗(yàn)證參數(shù)設(shè)定

圖3 傳熱系數(shù)模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

由圖3可知,傳熱系數(shù)隨著離心水泵轉(zhuǎn)速的增大而增加,上升趨勢(shì)先快后慢。這是由于此時(shí)傳熱系數(shù)主要的影響因素是流量,而流量和水泵轉(zhuǎn)速并非是線性關(guān)系,隨著水泵轉(zhuǎn)速的增大,流量增大的趨勢(shì)減緩,呈現(xiàn)為反二次函數(shù)曲線。

發(fā)動(dòng)機(jī)出口水溫模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比如圖4所示。出口水溫隨水泵轉(zhuǎn)速的變化如圖4a所示,隨傳熱量的變化如圖4b所示。其中,圖4a中傳熱量為90 kW,圖4b中水泵轉(zhuǎn)速為2 250 r/min。其他條件見表1所列。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)出口水溫模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

由圖4可知:出口水溫隨著離心水泵轉(zhuǎn)速的增大而減少,下降趨勢(shì)先快后慢;而當(dāng)傳熱量上升時(shí),出口水溫線性增加。這是由于當(dāng)冷卻液增大時(shí),散熱器傳熱系數(shù)增大,因此當(dāng)傳熱量不變時(shí),出口水溫下降;而當(dāng)傳熱量增加時(shí),傳熱系數(shù)不變,出口水溫上升。

3 熱管理系統(tǒng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和結(jié)果分析

3.1 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的建立

汽車在行駛過程中,發(fā)動(dòng)機(jī)功率會(huì)隨著行駛速度、擋位等因素不斷變化,發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱量也會(huì)隨之波動(dòng)。為了控制發(fā)動(dòng)機(jī)溫度,讓其保持在最佳工況,本文開發(fā)出一套基于Simscape發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)模型的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)的散熱量等于發(fā)動(dòng)機(jī)的傳熱量。發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的傳熱量和散熱器的散熱量,當(dāng)傳熱量增加時(shí),為了達(dá)到穩(wěn)態(tài),使散熱量增加,發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度和冷卻液的溫度均會(huì)升高。此時(shí),通過增大冷卻液的流速或開啟散熱器風(fēng)扇,整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)向外界空氣散出的熱量增加,冷卻液和發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度將會(huì)下降。因此監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度,以發(fā)動(dòng)機(jī)出口水溫為依據(jù),根據(jù)出口水溫調(diào)整冷卻液的流量或風(fēng)扇啟停,確保發(fā)動(dòng)機(jī)溫度保持在一定范圍內(nèi)。

風(fēng)扇和離心水泵調(diào)節(jié)回路如圖5所示。調(diào)節(jié)系統(tǒng)基于Simulink模塊搭建而成,其中包括風(fēng)扇啟?？刂苹芈泛碗x心水泵轉(zhuǎn)速擋位控制回路。入口1處的信號(hào)為發(fā)動(dòng)機(jī)出口水溫,由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)熱子系統(tǒng)中的熱物性傳感器導(dǎo)出,并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。水溫信號(hào)與設(shè)定溫度值相減。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)溫度一般不宜超過100 ℃,且當(dāng)溫度低于85 ℃時(shí),汽油霧化效果不好,所以發(fā)動(dòng)機(jī)出口冷卻液溫度一般保持在90 ℃左右,設(shè)定給定溫度值為363.15 K。得出的誤差信號(hào)會(huì)經(jīng)過一個(gè)延遲模塊,用于模擬實(shí)際過程中傳感器等元件的作用時(shí)間,之后進(jìn)入風(fēng)扇啟停調(diào)節(jié)模塊和水泵擋位調(diào)節(jié)模塊。

圖5 風(fēng)扇和離心水泵調(diào)節(jié)回路

風(fēng)扇啟停調(diào)節(jié)由一個(gè)Simulink中Relay模塊完成,設(shè)定風(fēng)扇關(guān)閉時(shí),風(fēng)速為3.5 m/s,風(fēng)扇開啟時(shí)風(fēng)速為8 m/s。Relay模塊是一個(gè)雙閾值開關(guān)模塊,開啟和關(guān)閉開關(guān)的閾值分別為1.1和0.5。即當(dāng)u口輸入的信號(hào)大于1.1時(shí),出口水溫高于364.25 K時(shí),雙閾值開關(guān)切換至開啟狀態(tài),此后開關(guān)一直保持開啟。當(dāng)信號(hào)下降到0.5時(shí)才切換為關(guān)閉狀態(tài)。

本文基于Simulink中Stateflow模塊,結(jié)合Simscape設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速擋位的離心水泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過發(fā)動(dòng)機(jī)出口水溫的高低,上下調(diào)節(jié)離心水泵擋位,使發(fā)動(dòng)機(jī)出口水溫始終保持在一定范圍內(nèi)。

離心水泵設(shè)置了4個(gè)擋位,各擋位轉(zhuǎn)速見表2所列。

表2 離心水泵擋位轉(zhuǎn)速 單位:r/min

Stateflow模塊設(shè)置如圖6所示,擋位初始值為最低擋位的1 500 r/min。

圖6 Stateflow模塊設(shè)置

當(dāng)誤差信號(hào)大于1,即出口水溫比給定值高1 ℃,切換為更高擋位;當(dāng)誤差信號(hào)小于-1,即出口水溫比給定值低1 ℃時(shí)切換為較低擋位。為了防止擋位切換過于頻繁,設(shè)置5 s延時(shí),即當(dāng)出口水溫高于363.15 K時(shí),離心水泵從擋位1升至擋位2。若5 s后出口水溫仍高于364.15 K,則從擋位2切換至擋位3。若5 s后出口水溫低于362.15 K時(shí),則從擋位2切換回?fù)跷?。

3.2 調(diào)節(jié)結(jié)果分析

車輛行駛過程中,發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱量的變化可簡(jiǎn)化為階躍變化。本文設(shè)定了一個(gè)傳熱量的階躍變化來測(cè)試調(diào)節(jié)系統(tǒng)的效果。調(diào)節(jié)測(cè)試參數(shù)見表3所列。

表3 調(diào)節(jié)測(cè)試參數(shù)

熱管理系統(tǒng)有無調(diào)節(jié)結(jié)果對(duì)比如圖7所示,無調(diào)節(jié)回路的熱管理系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果如圖7a所示。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,散熱器風(fēng)扇保持關(guān)閉,初始時(shí)刻時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱量為80 kW。

圖7 熱管理系統(tǒng)有無調(diào)節(jié)結(jié)果對(duì)比

由圖7a可知,當(dāng)時(shí)間接近80 s時(shí),出口水溫接近穩(wěn)定,溫度在363 K左右。在80 s時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱量發(fā)生階躍,由于沒有調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用,溫度不斷上升,最終穩(wěn)定在372 K左右,超出了可接受的溫度波動(dòng)范圍。

一段時(shí)間內(nèi),加入調(diào)節(jié)系統(tǒng)后的熱管理系統(tǒng)運(yùn)行情況如圖7b～7d所示。初始狀態(tài)時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱量為80 kW,水泵轉(zhuǎn)速1 500 r/min。由圖7b可知,到達(dá)84 s時(shí)散熱器風(fēng)扇開啟,散熱器迎面風(fēng)速增大;由圖7c可知,此時(shí)離心水泵轉(zhuǎn)速上調(diào)至2 250 r/min,冷卻液流速上升。由于冷卻液的降溫需要一定時(shí)間,且散熱器中被降溫的冷卻液尚未到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī),此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)出口水溫仍在上升。85 s左右時(shí),出口水溫到達(dá)最高,此時(shí)水溫開始下降。87.5 s時(shí),由于發(fā)動(dòng)機(jī)出口水溫小于雙閾值開關(guān)的關(guān)閉閾值,風(fēng)扇關(guān)閉,迎面風(fēng)速下降,傳熱系數(shù)下降。此時(shí),散熱器的傳熱系數(shù)下降,而流量不變,因此散熱量降低,發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)熱量再一次大于散熱器的散熱量。故在89 s左右時(shí),出口水溫再一次上升。

由圖7c可知,102 s時(shí),風(fēng)扇再次開啟,離心水泵轉(zhuǎn)速再次上升至3 000 r/min,此時(shí)散熱量大于發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)熱量,溫度下降。110 s左右時(shí),溫度下降至風(fēng)扇的關(guān)閉閾值。風(fēng)扇關(guān)閉后,散熱量再次小于發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)熱量,故在110 s后溫度仍在升高,但由于散熱量與發(fā)熱量較為接近,出口水溫上升幅度較慢。在161 s左右,當(dāng)溫度上升至364.15 K時(shí),離心水泵轉(zhuǎn)速上調(diào)至4 500 r/min,冷卻液流速上升,此時(shí)散熱量已大于發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)熱量,溫度下降,風(fēng)扇不再開啟。在220 s左右時(shí),溫度下降至362.15 K,離心水泵轉(zhuǎn)速下降至3 000 r/min,冷卻液流速降低,發(fā)動(dòng)機(jī)水溫升高。此后離心水泵轉(zhuǎn)速不斷循環(huán)上升與下降,使發(fā)動(dòng)機(jī)水溫一直保持在設(shè)定溫度范圍內(nèi)。

從圖7d可以看出,系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)出口水溫穩(wěn)定在363 K左右。80 s時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱量階躍至100 kW,此時(shí)出口水溫開始上升。83 s左右時(shí),出口水溫已超過364.15 K,但由于傳感器延遲等因素,調(diào)節(jié)系統(tǒng)尚未發(fā)揮作用。

對(duì)比圖7a與圖7d可以看出:未加調(diào)節(jié)系統(tǒng)前,發(fā)動(dòng)機(jī)出口溫度在發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱量發(fā)生變化時(shí)較容易超出設(shè)定溫度范圍;加入調(diào)節(jié)系統(tǒng)后,出口溫度最大偏差約為1.7 K,到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)后,溫度波動(dòng)范圍在2 K左右,波動(dòng)周期約為100 s,系統(tǒng)較為穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

本文基于Simscape物理仿真軟件熱流體模型建立了簡(jiǎn)化的發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)模型,基于Simulink開發(fā)出一種調(diào)節(jié)回路,得到以下結(jié)論:

1) 將傳熱管道模塊改編成散熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱模塊,與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知誤差小于5%,驗(yàn)證了Simscape模塊可自由編寫調(diào)整,且具有較好的準(zhǔn)確性。

2) 設(shè)計(jì)了一種調(diào)節(jié)回路,可以通過發(fā)動(dòng)機(jī)出口溫度,調(diào)節(jié)離心水泵轉(zhuǎn)速和散熱器風(fēng)扇啟停,使出口溫度波動(dòng)范圍保持在2 K左右。

3) 散熱器風(fēng)扇的影響大于離心水泵轉(zhuǎn)速的影響,在發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱量階躍上升時(shí)可以有效降低溫度,而離心水泵調(diào)節(jié)對(duì)溫度的調(diào)節(jié)更加平穩(wěn),在穩(wěn)定階段離心水泵調(diào)節(jié)水溫更為合適。