車用發(fā)動機冷卻系統(tǒng)智能控制研究進展

劉 楠，周 磊，2，劉瑞林，許 翔，張文建，楊春浩

(1.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊，天津300161;2.海軍工程大學(xué)動力學(xué)院，武漢430033;3.軍事交通學(xué)院軍用車輛系，天津300161)

隨著現(xiàn)代車用發(fā)動機采用更加緊湊的設(shè)計和 具有更大的升功率以及強化程度越來越高，發(fā)動機熱負荷明顯增大，從而對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的冷卻能力提出了更高要求［1－3］。一個先進的冷卻系統(tǒng)不僅需要保證發(fā)動機工作的可靠性，也需要實現(xiàn)發(fā)動機工作溫度的精確控制，提高發(fā)動機熱效率，減少冷卻系統(tǒng)配件如水泵、風(fēng)扇等部件的功耗損失［4－8］。

傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)由發(fā)動機曲軸通過帶傳動直接驅(qū)動冷卻系統(tǒng)部件(水泵、風(fēng)扇)，這種冷卻系統(tǒng)的冷卻能力是按照發(fā)動機最大熱負荷工況設(shè)計的，不能根據(jù)發(fā)動機變工況冷卻散熱需求實時調(diào)節(jié)，使發(fā)動機運行時出現(xiàn)了諸多問題。

(1)暖機時間過長。當(dāng)環(huán)境溫度為10℃左右時，汽車啟動后，要經(jīng)過15～20 min發(fā)動機冷卻水溫才能接近80℃;當(dāng)氣溫低于0℃時，發(fā)動機的預(yù)熱時間還會延長［7］。究其原因，冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇和水泵受驅(qū)動方式的限制，只能隨發(fā)動機的運轉(zhuǎn)而一起運行，在啟動的開始階段，水泵工作，循環(huán)水迅速帶走氣缸周圍的熱量，增加了傳熱損失，造成發(fā)動機暖機時間大大加長。

(2)變工況下冷卻不足或過度冷卻。傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)冷卻介質(zhì)流量取決于發(fā)動機轉(zhuǎn)速，而非發(fā)動機實際運行時冷卻量需求。在低速、高負荷時，由于水泵、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速低，冷卻系統(tǒng)冷卻能力弱，發(fā)動機熱負荷大，常常出現(xiàn)過熱問題;在高速、低負荷時，又因水泵與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速快，冷卻系統(tǒng)過度冷卻，導(dǎo)致發(fā)動機預(yù)熱緩慢、熱損失增大、熱效率降低等［3］。尤其是當(dāng)車輛裝備在惡劣的“三高”(高原、高寒和高溫)環(huán)境條件下運行時，由于冷卻系統(tǒng)散熱能力不足或冷卻過度，將導(dǎo)致發(fā)動機熱平衡性能變差，嚴重影響車輛裝備的機動能力和保障能力［1］。

(3)冷卻系統(tǒng)部件功耗較大［8］。由于傳統(tǒng)的機械傳動方式，冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇與水泵工作狀態(tài)由發(fā)動機轉(zhuǎn)速確定，無法實現(xiàn)變工況下與發(fā)動機的最佳匹配，在低負荷工況下，造成風(fēng)扇與水泵不必要的功率消耗，存在不同程度的能量浪費。

冷卻系統(tǒng)智能控制，即精確地控制發(fā)動機冷卻系統(tǒng)部件，實現(xiàn)冷卻系統(tǒng)冷卻強度與發(fā)動機散熱需求的良好匹配，快速、精確地使發(fā)動機處于最佳工作溫度(80～95℃)［9］，保證發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)。研究表明:風(fēng)扇電控化可提高發(fā)動機熱效率，降低油耗5%左右［10］;水泵電控化可縮短發(fā)動機暖機時間60%以上，預(yù)熱階段節(jié)油率達到11.5%［11］;冷卻系統(tǒng)電控化集成控制，可準確快速達到冷卻液目標溫度［9］，且預(yù)熱時間減少80%，節(jié)油達7%［12］。目前，針對冷卻系統(tǒng)智能化的研究，主要分為冷卻系統(tǒng)部件(水泵、風(fēng)扇、節(jié)溫器等)的電控化和冷卻系統(tǒng)集成控制。

1 冷卻系統(tǒng)部件的電控化

冷卻系統(tǒng)部件的電控化，即采用電子或液壓電動機驅(qū)動的冷卻水泵、風(fēng)扇、節(jié)溫器等部件代替?zhèn)鹘y(tǒng)冷卻系統(tǒng)部件，可以通過傳感器和計算機芯片根據(jù)實際的發(fā)動機溫度控制部件運行，提供最佳的冷卻介質(zhì)流量，實現(xiàn)發(fā)動機熱平衡控制智能化，降低了能耗，提高了效率。

1.1 冷卻風(fēng)扇的電控化

電控風(fēng)扇一般由電動機或液壓電動機直接驅(qū)動，采用智能控制模式，根據(jù)溫度傳感器采集的溫度信號(如水溫和進氣溫度)自動調(diào)整風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，使發(fā)動機工作在最佳溫度，在滿足整機散熱要求的前提下，有效降低風(fēng)扇的功率消耗和噪聲，最終達到節(jié)能降噪的目的［13－15］。同時，電控風(fēng)扇由車輛蓄電池提供動力，安裝位置更為靈活，改善了與散熱器的位置匹配，增加了風(fēng)扇容積效率，提高了冷卻效果。目前，電控化冷卻風(fēng)扇的應(yīng)用研究已逐漸進入產(chǎn)品化階段，通過對冷卻風(fēng)扇進行電控化，減少發(fā)動機功率損失，延長使用壽命，提高產(chǎn)品競爭力。

2001年，Ricardo公司和Daimler Chrysler公司聯(lián)合開發(fā)了42V－14V雙電壓系統(tǒng)［16］，其電子風(fēng)扇采用脈寬調(diào)制(PWM)方式進行無級調(diào)速，不僅提高了電能轉(zhuǎn)換效率，還實現(xiàn)了電子風(fēng)扇的無級調(diào)速，有利于準確調(diào)節(jié)發(fā)動機冷卻系統(tǒng)散熱強度。博格華納公司最早研發(fā)的電子控制型硅油風(fēng)扇離合器，直接讀取發(fā)動機電子控制單元中的發(fā)動機水溫信號，根據(jù)水溫信號控制風(fēng)扇離合器內(nèi)部的電磁閥開度，從而控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。研究表明，采用電子控制型硅油風(fēng)扇離合器系統(tǒng)與直聯(lián)風(fēng)扇相比可節(jié)能4.2%，與硅油風(fēng)扇離合器相比可節(jié)能1.2%［12］。

國內(nèi)方面，郭新民等［13］早在1993年便開展了電控風(fēng)扇的相關(guān)研究，并開發(fā)了自動控制裝置，安裝于載貨汽車開展試驗。結(jié)果表明，相比原機皮帶傳動式風(fēng)扇，采用電控風(fēng)扇可使整車節(jié)油10%。另外，無刷直流電動機驅(qū)動的電控風(fēng)扇，具有可靠性高、壽命長、效率高、控制簡單等優(yōu)點，智能冷卻系統(tǒng)中采用無刷直流電動機正成為一種發(fā)展趨勢，圖1為EMP公司開發(fā)的配備無刷電動機的電控風(fēng)扇［17］。由于無刷電動機去除電刷后，具有空載電流小、無磨損、體積小等優(yōu)點，被一些車用電控風(fēng)扇采用，但由于其成本較高，目前僅用于部分高檔乘用車上。

目前，電控風(fēng)扇多采用PWM脈寬調(diào)制的方式進行控制，其優(yōu)點在于控制精度高，可實現(xiàn)無級調(diào)速，保證電控風(fēng)扇根據(jù)發(fā)動機不同工況實時調(diào)整轉(zhuǎn)速，控制發(fā)動機水溫在適宜的溫度區(qū)間。如圖2為某發(fā)動機電控冷卻系統(tǒng)設(shè)計圖［18］，該系統(tǒng)是一種動態(tài)隨機測控系統(tǒng)，可根據(jù)當(dāng)前水溫和目標水溫通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電路中PWM的占空比，改變輸出到直流電動機的平均電壓，以實現(xiàn)風(fēng)扇和水泵轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)。

1.2 水泵的電控化

水泵的作用是對冷卻液加壓，保證其在冷卻系中循環(huán)流動。對于諸如發(fā)動機燃燒室等嚴重受熱的零部件以及一些關(guān)鍵的區(qū)域，冷卻液循環(huán)量的控制尤為重要。文獻［19］從柴油機燃燒室的散熱計算出發(fā)，研究了柴油機變流量冷卻方式對缸壁表面溫度的影響并進行了定量計算。研究發(fā)現(xiàn)，通過冷卻液變流量控制，可適當(dāng)提高發(fā)動機缸體循環(huán)水溫，降低發(fā)動機熱負荷，減少熱量損耗，但冷卻液流量過低時，難以保證水套內(nèi)冷卻水的均勻分布，造成發(fā)動機某些部位熱負荷過大，影響部件壽命。同時，提高水泵水流量，可適當(dāng)降低發(fā)動機熱平衡溫度點，增強冷卻強度，且水流量的增加，對減小發(fā)動機進出水溫差能起到一定作用［20］。

相比于風(fēng)扇而言，水泵的可控化研究起步較晚，其主要是由直流電動機驅(qū)動的電控水泵，但因電控水泵的功耗對車輛蓄電池或發(fā)電機的需求較大，且開發(fā)成本較高，尚未形成廣泛的應(yīng)用。電控水泵由電動機驅(qū)動，可以對流量進行獨立控制，由于不用曲軸驅(qū)動，安裝位置比較靈活，可以優(yōu)化水泵水力特性設(shè)計，減少壓力損失。同時，采用電控水泵，在發(fā)動機停機后仍可以工作，這樣就避免了當(dāng)發(fā)動機高負荷運轉(zhuǎn)停機后，發(fā)動機缸體內(nèi)溫度過高的現(xiàn)象［21］。

博格華納公司［22］提出的雙模式冷卻泵(DMCP)，結(jié)合了機械泵與電控泵的共同優(yōu)勢，該泵的算法是基于控制冷卻液溫度和水泵轉(zhuǎn)速，通過觀測泵的最大電動轉(zhuǎn)速和水泵效率來判定機械泵模塊和電控泵模塊的選擇。研究表明，使用雙模式冷卻泵可降低輔助電源損耗，減少摩擦損耗，在冷卻系統(tǒng)熱管理中通過采用DMCP冷卻泵可使車輛燃油經(jīng)濟性提高2%。

國內(nèi)方面，2012年盛德號等［11］設(shè)計了一套采用電控水泵的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)，通過單片機實現(xiàn)了系統(tǒng)中電控水泵和電控風(fēng)扇的聯(lián)合控制，應(yīng)用在輕型客車上。試驗表明，改進后的電控水泵冷卻系統(tǒng)能夠使發(fā)動機低溫預(yù)熱時間縮短65%，預(yù)熱階段節(jié)油率達到11.5%。

1.3 節(jié)溫器的電控化

節(jié)溫器是控制冷卻液流動路徑的閥門，它根據(jù)發(fā)動機冷卻液溫度高低對冷卻液大小循環(huán)的流量進行分配。隨著冷卻系統(tǒng)部件電控化程度的加深，傳統(tǒng)的蠟式節(jié)溫器逐漸制約了冷卻系統(tǒng)性能的提升:一是由于石蠟熱脹冷縮過程具有延時性，節(jié)溫器開啟或關(guān)閉較慢，導(dǎo)致發(fā)動機不能快速預(yù)熱或冷卻;二是由于蠟式節(jié)溫器開啟角度不能隨工況精確控制，當(dāng)電控風(fēng)扇與水泵大功率工作以滿足冷卻需求時，節(jié)溫器大循環(huán)卻未完全開啟，制約了其他冷卻系統(tǒng)部件的工作能力，因而導(dǎo)致部件之間匹配性較差。

圖1 EMP公司開發(fā)的配備無刷電動機的電控風(fēng)扇

與傳統(tǒng)的節(jié)溫器相比，電控節(jié)溫器流動阻力小、感應(yīng)時間短、反應(yīng)速度快，且其閥門開度可任意調(diào)整，可根據(jù)發(fā)動機工況與冷卻液溫度改變冷卻水在水系中的循環(huán)路線，實時控制通過散熱器冷卻水的流量調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的冷卻強度，保證發(fā)動機處于最佳的工作溫度范圍。此外，電控節(jié)溫器調(diào)節(jié)精度高、工作性能穩(wěn)定，可保證發(fā)動機工作平穩(wěn)，延長發(fā)動機使用壽命。目前，相比于蠟式節(jié)溫器和電控兩通閥，三通閥的結(jié)構(gòu)形式在發(fā)動機暖機時間和燃油經(jīng)濟性方面應(yīng)用效果較好［23］。但隨著對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)要求的提高，冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜化，電控節(jié)溫器不僅限于兩通閥或三通閥結(jié)構(gòu)形式。如圖3所示為一汽大眾寶來APF電子控制冷卻系統(tǒng)中采用的多回路電控節(jié)溫器［24］，其將冷卻液分配法蘭與節(jié)溫器合成一體，對發(fā)動機各個冷卻回路進行流量調(diào)節(jié)控制;如圖4所示［25］節(jié)溫器的控制更為復(fù)雜化，發(fā)動機在冷啟動與小負荷工況下，電控節(jié)溫器控制冷卻液小循環(huán)的同時也控制了其在機油冷卻器、暖風(fēng)水箱、進氣節(jié)氣門加熱等多回路的流量，使發(fā)動機機體各部分處于最佳的工作溫度范圍。

圖3 多回路電控節(jié)溫器

電控節(jié)溫器的控制方式多種多樣，由于發(fā)動機冷卻系統(tǒng)非線性的特點，相比于傳統(tǒng)的PID控制方法，模糊控制更適合用于電控節(jié)溫器的控制。文獻［25］用電動三通比例閥取代節(jié)溫器，并基于模糊控制原理設(shè)計了電子節(jié)溫器的控制策略，實現(xiàn)了節(jié)溫器的智能化。圖5為電控節(jié)溫器模糊控制原理圖［24］，通過對發(fā)動機進行動態(tài)與穩(wěn)態(tài)試驗，驗證得到該電控節(jié)溫器對發(fā)動機變工況的響應(yīng)時間與穩(wěn)定度達到了試驗的要求，能夠?qū)崟r控制發(fā)動機達到預(yù)定的工作溫度。

圖4 發(fā)動機冷啟動、小負荷工況冷卻液流量分布

圖5 電控節(jié)溫器模糊控制原理示意

2 冷卻系統(tǒng)集成控制

冷卻系統(tǒng)部件的電控化，實現(xiàn)了零部件與發(fā)動機冷卻系統(tǒng)更好地匹配，同時，系統(tǒng)運行參數(shù)(水泵轉(zhuǎn)速、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、節(jié)溫器開度)的可控性，為冷卻系統(tǒng)整體的集成控制策略研究搭建了平臺。智能化的控制策略可以使冷卻系統(tǒng)充分考慮到發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷、環(huán)境等因素，根據(jù)發(fā)動機所處的熱工況，合理調(diào)節(jié)冷卻液溫度，使發(fā)動機處于最佳的工作溫度，縮短啟動預(yù)熱時間;保證其平穩(wěn)工作，延長使用壽命;減少傳熱損失和功率損失，提高其動力性與經(jīng)濟性。

國外對冷卻系統(tǒng)控制策略的研究比較深入，其主要基于發(fā)動機熱管理角度，控制手段主要是通過控制冷卻系統(tǒng)電控部件，減少不必要的熱量損失和部件的功耗損失。1999年由VALEO公司開發(fā)的的THEMIS智能發(fā)動機冷卻系統(tǒng)［26］，是在原有的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)基礎(chǔ)上采用電控水泵和電控節(jié)溫器，取消了機械水泵和蠟式節(jié)溫器，通過冷卻液溫度傳感器對發(fā)動機水溫實現(xiàn)閉環(huán)控制(如圖6所示［25］)。文獻［9］提出了一個全面的發(fā)動機熱管理系統(tǒng)(如圖7所示)，并建立了一個由開度可調(diào)的電控三通閥、變速電控水泵、變速電控散熱器風(fēng)扇、發(fā)動機缸體和各種傳感器組成的試驗系統(tǒng)。試驗中，采用以蒸汽為基礎(chǔ)的熱交換器來模擬由發(fā)動機的燃燒過程中產(chǎn)生的熱量。通過對數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比分析表明，該熱管理系統(tǒng)可在3 min內(nèi)達到冷卻液目標溫度，追蹤誤差在0.3%以內(nèi)。

圖6 VALEO公司開發(fā)的THEMIS電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)

圖7 基于電控三通閥、變速泵、變速風(fēng)扇以及各種傳感器的發(fā)動機熱管理系統(tǒng)

國內(nèi)方面，有代表性的系統(tǒng)級的智能冷卻系統(tǒng)是郭新民等設(shè)計的應(yīng)用分體冷卻技術(shù)的智能冷卻系統(tǒng)［27］。該系統(tǒng)將機體和缸蓋的冷卻回路分隔開，拆除原機節(jié)溫器并采用2個蠟式節(jié)溫器分別安裝于機體與缸蓋的出水側(cè)來調(diào)節(jié)流量;將原機由曲軸皮帶驅(qū)動的水泵和風(fēng)扇替換為可調(diào)速的電控水泵和可開關(guān)的電控風(fēng)扇，并實行PID自動控制。臺架試驗結(jié)果表明，采用分體冷卻技術(shù)的智能冷卻系統(tǒng)比原機預(yù)熱時間減少了80%、節(jié)油達7%，同時有效降低HC排放。

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)智能化集成控制的目標，一是保證發(fā)動機合理的工作溫度范圍，二是冷卻系統(tǒng)部件功耗最小化，因此，其控制系統(tǒng)策略的輸入?yún)?shù)往往是發(fā)動機冷卻水溫，必要時考慮發(fā)動機工況的變化。文獻［27］提出的智能冷卻系統(tǒng)即針對不同冷卻液溫度區(qū)段控制節(jié)溫器和冷卻風(fēng)扇的工作狀態(tài)，兩部件配合實施、合理調(diào)節(jié)發(fā)動機散熱能力，控制發(fā)動機水溫變化。目前，冷卻系統(tǒng)控制通常采用PID反饋調(diào)節(jié)控制(如圖8所示)，即通過設(shè)定目標溫度值，把溫度傳感器檢測到的實際溫度與設(shè)定值作比較，將比較結(jié)果輸入到PID溫度控制器中，控制器以消除二者間的偏差為目的，控制PWM輸出信號，通過改變風(fēng)扇、水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)整被控參數(shù)(水溫)，使其始終向著設(shè)定值的方向變化。

圖8 PID反饋調(diào)節(jié)控制原理

3 結(jié)語

本文介紹了冷卻系統(tǒng)水泵、風(fēng)扇、節(jié)溫器等部件及其集成電子控制的工作原理，分析了冷卻系統(tǒng)部件及其集成控制對發(fā)動機性能的影響。研究表明:冷卻系統(tǒng)部件電控技術(shù)，可減少發(fā)動機變工況的響應(yīng)時間，縮短發(fā)動機暖機時間60%以上，節(jié)油4%以上;基于冷卻系統(tǒng)電控部件的冷卻系統(tǒng)智能化集成控制，實現(xiàn)了冷卻系統(tǒng)部件與部件、部件與系統(tǒng)以及系統(tǒng)與發(fā)動機之間的優(yōu)化匹配，縮短了系統(tǒng)的響應(yīng)時間，減少發(fā)動機預(yù)熱時間80%以上，節(jié)油達7%左右。隨著發(fā)動機向高功率密度、低油耗和低排放的方向發(fā)展，冷卻系統(tǒng)智能化集成控制必將成為實現(xiàn)發(fā)動機與冷卻系統(tǒng)良好匹配、提高發(fā)動機熱效率的重要手段。

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