發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)應(yīng)用仿真技術(shù)的研究

屈俊鋒

（約翰迪爾（天津）有限公司，天津 300457）

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發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)應(yīng)用仿真技術(shù)的研究

屈俊鋒

（約翰迪爾（天津）有限公司，天津 300457）

摘 要：本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的熱物理特性進(jìn)行分析，建立發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真模型，并利用MATLAB進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，利用本文的控制方法，能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的工況下保持最佳溫度范圍，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī) 電控冷卻系統(tǒng) 非線性控制 模糊控制

引言

在汽車結(jié)構(gòu)中，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)能使汽車在不同的工況下都能保持最佳性能，提高汽車的使用壽命與行駛的安全性。由于汽車的行駛工況極其復(fù)雜，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量堆積具有強(qiáng)烈的非線性特征，因此需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行合理控制，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量堆積被及時(shí)散發(fā)

出去。

由于進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)控制的過程中涉及到的參數(shù)較多，對(duì)控制精度的要求較高，控制策略也相對(duì)復(fù)雜，因此在汽車設(shè)計(jì)階段，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的控制方法的應(yīng)用進(jìn)行仿真分析，能夠有效縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真模型的建立

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量與流入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油量成正比。燃油轉(zhuǎn)換為熱量后，主要通過三種形式散發(fā)出去。第一種形式，轉(zhuǎn)化為汽車的機(jī)械能，為汽車提供驅(qū)動(dòng)力；第二種，通過排氣系統(tǒng)進(jìn)行散熱；第三種方式，通過發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行散熱。本文只考慮第三種散熱形式。已知發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)散發(fā)的熱量與發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油流量呈正比，則利用下述公式能夠計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的熱量負(fù)載：

利用下述公式則能夠計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中冷卻液的散熱量：

其中，Q°為冷卻液散發(fā)的熱量，h為冷卻液的對(duì)流換

c熱系數(shù)，A為發(fā)動(dòng)機(jī)與冷卻系統(tǒng)之間的接觸面積，Teng為發(fā)動(dòng)機(jī)表面的溫度，Teng_ in為冷卻介質(zhì)的進(jìn)入冷卻系統(tǒng)時(shí)的溫度，Teng_ out為冷卻液流出冷卻系統(tǒng)時(shí)的溫度。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的熱平衡，能夠得到下述公式：

其中，（MC）eng為發(fā)動(dòng)機(jī)的熱容量。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器模型的建立

利用下述公式能夠計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中散熱器得到的熱量：

其中，Tci為散熱器入口處的溫度，Tco為散熱器出口處的溫度，Trad為散熱器內(nèi)的有效散熱面積。同理，利用下述公式能夠計(jì)算由散熱器傳遞到空氣中的熱量：

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，冷卻液傳遞給散熱器的熱量與冷卻空氣散發(fā)的熱量相同，即：

p

發(fā)動(dòng)機(jī)在非穩(wěn)態(tài)的情況下，有：

2 發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器系統(tǒng)控制模型的建立

在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中，將包括冷卻液管道在內(nèi)的散熱管道等效為離散的控制網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置相同的冷卻介質(zhì)具有同樣的溫度、壓力和密度等參數(shù)，則在網(wǎng)格內(nèi)也有著同樣的參數(shù)。利用相鄰網(wǎng)格之間的邊界層對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，則根據(jù)質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，能夠得到下述控制模型：

其中，cf為冷卻介質(zhì)管道內(nèi)的摩擦系數(shù)，D為管道的直徑，e為單位質(zhì)量冷卻介質(zhì)的內(nèi)能，H為系統(tǒng)的總焓數(shù)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置

為了檢驗(yàn)本文建立的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)控制模型的有效性，需要進(jìn)行一次仿真實(shí)驗(yàn)。利用仿真軟件Matlab 7.4構(gòu)建實(shí)驗(yàn)環(huán)境。在實(shí)驗(yàn)的過程中，制定了以下控制策略：（1）發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程不進(jìn)行散熱；（2）發(fā)動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)工況下，散熱器水泵在滿足散熱的情況下保持最低轉(zhuǎn)速；（3）散熱風(fēng)扇在啟動(dòng)過程中或者汽車運(yùn)行至最高速時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)。在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的進(jìn)出口處都安裝溫度傳感器，在水泵和散熱風(fēng)扇中都安裝速度傳感器，用于轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)整。

相關(guān)參數(shù)設(shè)置為：仿真時(shí)長(zhǎng)為600s，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行熱傳遞時(shí)的輸出功率為45kW，并在第100s、300s和600s處，將輸出功率設(shè)置為75kW、55kW和70kW，用于模擬發(fā)動(dòng)機(jī)不同的工況。散熱器進(jìn)口處的溫度為25℃，發(fā)動(dòng)機(jī)的初始溫度為60℃，散熱器的初始溫度為45℃，

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在發(fā)動(dòng)機(jī)剛開始啟動(dòng)的時(shí)間階段內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的冷卻液流量和風(fēng)量均為零。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度接近目標(biāo)溫度時(shí)，散熱器的水泵開始啟動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量開始傳遞到散熱器中，散熱器的溫度開始上升，趨近于穩(wěn)定值，此時(shí)冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行強(qiáng)度完全決定于發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞的熱量。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入正常的運(yùn)行狀態(tài)后，散熱風(fēng)扇穩(wěn)定運(yùn)行，閥門打開，冷卻液進(jìn)行到散熱器中，其溫度迅速上升。最后，閥門開到最大，冷卻液進(jìn)行穩(wěn)定循環(huán)過程，輸出的溫度為一個(gè)穩(wěn)定的值，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入到散熱器的冷卻液溫度也趨近穩(wěn)定狀態(tài)。在第100s、300s和600s時(shí)，控制器輸出的冷卻液質(zhì)量與空氣流量都能滿足控制要求。

4 結(jié)束語

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的控制策略對(duì)于延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和縮短研發(fā)周期都具有重要的意義。通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)熱傳遞的研究，確定冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速、冷卻液流量等參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的工況下都能保持在最佳溫度范圍。

Research on Simulation Technology of Engine Cooling System

QU Junfeng
（John Deal （Tianjin） Co.， Ltd.， Tianjin 300457）

Abstract:In this paper， the thermal physical characteristics of the engine cooling system were analyzed， the engine cooling system simulation model was established， and the simulation experiment was carried out by MATLAB. The results show that the control method of this paper can keep the optimum temperature range under different conditions， improve the performance of the engine and shorten the development cycle of the engine.

Key words:internal combustion engine， electronic controlled cooling system， nonlinear control， fuzzy control