球閥型電子節(jié)溫器控制策略仿真及冷卻系統(tǒng)優(yōu)化

唐晨曦 倪計(jì)民 石秀勇 張楠

（同濟(jì)大學(xué)，上海 201804）

球閥型電子節(jié)溫器控制策略仿真及冷卻系統(tǒng)優(yōu)化

唐晨曦 倪計(jì)民 石秀勇 張楠

（同濟(jì)大學(xué)，上海 201804）

以某款國(guó)產(chǎn)1.5 L汽油機(jī)搭載的新型球閥式電子節(jié)溫器為研究對(duì)象，擬合大循環(huán)流量比重與球閥開度的函數(shù)關(guān)系，并對(duì)其制定PID控制策略。耦合GT-Cool軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)一維仿真模型，結(jié)果表明PID控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)冷卻液溫度的精確控制。將電控硅油離合器風(fēng)扇與該電子節(jié)溫器匹配，仿真結(jié)果表明，全工況下風(fēng)扇功耗平均降低66.18%，最大降幅為3.34 kW，實(shí)現(xiàn)了對(duì)冷卻系統(tǒng)的匹配優(yōu)化。

1 前言

冷卻系統(tǒng)不僅起冷卻作用，而且其在車輛起動(dòng)、暖機(jī)、行駛及停機(jī)的各個(gè)階段都要保證車輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及零部件的使用壽命[1]。節(jié)溫器作為調(diào)節(jié)冷卻液大小循環(huán)的關(guān)鍵零件，在冷卻系統(tǒng)中的作用十分關(guān)鍵。傳統(tǒng)的蠟式節(jié)溫器具有響應(yīng)速度慢、開啟溫度固定等缺點(diǎn)[2]，不能對(duì)冷卻液溫度進(jìn)行精確控制，易造成過冷、過熱或發(fā)動(dòng)機(jī)功率消耗過大等問題，新型球閥式電子節(jié)溫器通過電機(jī)控制球閥的開度來(lái)對(duì)大小循環(huán)的流量進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)節(jié)[3～5]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制，亦可減少發(fā)動(dòng)機(jī)功率的損失。本文主要對(duì)球閥式電子節(jié)溫器的控制策略進(jìn)行研究，并對(duì)目標(biāo)車型的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

2 電子節(jié)溫器的工作原理

使用應(yīng)用于某國(guó)產(chǎn)1.5 L直列4缸發(fā)動(dòng)機(jī)的球閥式電子節(jié)溫器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要包括電機(jī)、傳動(dòng)齒輪、球閥1、球閥2和水泵以及各通路的管道。該電子節(jié)溫器通路之間依靠?jī)蓚€(gè)球閥的開度來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛在冷起動(dòng)、暖機(jī)、行駛及停機(jī)不同工況下冷卻液循環(huán)的控制。球閥1控制冷卻液大小循環(huán)的流量，球閥2實(shí)現(xiàn)暖機(jī)過程中與車廂加熱器的換熱。

圖1 電子節(jié)溫器的結(jié)構(gòu)示意

暖機(jī)和冷起動(dòng)階段，球閥2處于關(guān)閉狀態(tài)。冷卻液回路在輔助水泵的作用下，流經(jīng)布置在排氣歧管附近的冷卻水套，吸收排氣熱量與車廂加熱器換熱，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的快速起動(dòng)；暖機(jī)過程結(jié)束后球閥2開啟；為保證發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的耐久性以及車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，電機(jī)帶動(dòng)球閥1轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制冷卻液大小循環(huán)的流量；傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后便停止工作，易使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生熱浸現(xiàn)象[6]。該電子節(jié)溫器在停機(jī)后，球閥1和球閥2處于關(guān)閉狀態(tài)。在輔助電動(dòng)水泵作用下，冷卻液從氣缸蓋處流回機(jī)體，帶走發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的熱量以減少停機(jī)后的熱負(fù)荷。

3 電子節(jié)溫器流量特性

該節(jié)溫器的核心結(jié)構(gòu)為O形球閥，其作用是控制冷卻液大、小循環(huán)的流量，具有快開的流量特性。該快開型特性可提高球閥在小開度時(shí)的響應(yīng)速度，同時(shí)避免在大開度時(shí)的流量波動(dòng)。球閥1的轉(zhuǎn)角在0°～85°之間調(diào)節(jié)大、小循環(huán)的流量。當(dāng)轉(zhuǎn)角為0°時(shí)，球閥1關(guān)閉，冷卻液全部流經(jīng)小循環(huán)；當(dāng)球閥轉(zhuǎn)角為85°時(shí)，球閥1全部開啟，冷卻液全部流經(jīng)大循環(huán)。

研究球閥轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)冷卻液大、小循環(huán)對(duì)應(yīng)流量的影響，可實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻液溫度的精確控制。定義球閥開度為當(dāng)前工況下球閥轉(zhuǎn)角占球閥全開角（85°）的比例。通過臺(tái)架試驗(yàn)，分析球閥不同開度和水泵不同轉(zhuǎn)速時(shí)，對(duì)冷卻液大、小循環(huán)流量的分配情況。試驗(yàn)選取的水泵轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、3 000 r/min和4 000 r/min，球閥開度分別為3%、7%、10%、15%、30%、50%、70%和100%。不同水泵轉(zhuǎn)速和球閥開度下的冷卻液大/小循環(huán)的流量占總流量的比重如圖2所示。

圖2 節(jié)溫器流量特性曲線

由圖2可知，對(duì)于不同的水泵轉(zhuǎn)速，冷卻液大循環(huán)流量所占比重幾乎相同。取上述數(shù)據(jù)的平均值，得到大循環(huán)流量平均比重與球閥開度的關(guān)系曲線，即大循環(huán)流量比重是球閥開度的單一函數(shù)，與水泵轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。利用MATLAB軟件中的三次擬合得到球閥開度-冷卻液大循環(huán)流量比重的關(guān)系式：

式中，x為球閥開度；y為大循環(huán)冷卻液流量比重。

對(duì)應(yīng)的電子節(jié)溫器小循環(huán)流量特性曲線即節(jié)溫器的流量特性曲線。

4 最佳冷卻液溫度

以燃油消耗率作為最佳冷卻液溫度的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。冷卻液溫度過低，燃料的霧化效果較差，燃油消耗率增加；冷卻液溫度過高，零件熱負(fù)荷較大，易造成早燃和爆震等危害。綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，冷卻液溫度應(yīng)維持在90～105℃。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，目標(biāo)車型在不同工況下分別以90℃、95℃、100℃和105℃作為目標(biāo)冷卻液溫度進(jìn)行研究，圖3所示為節(jié)氣門開度25%和100%下的燃油消耗率情況。

圖3 不同負(fù)荷率、不同冷卻液溫度下的燃油消耗率

由圖3可知，在低速小負(fù)荷工況（轉(zhuǎn)速小于3 000 r/min且節(jié)氣門開度小于50%）下，較高的冷卻液溫度對(duì)應(yīng)的燃油消耗率較低，原因是低速小負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)溫度較低，較高的冷卻液可以給氣缸加熱，促進(jìn)燃料的充分燃燒；在高速大負(fù)荷（轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時(shí)的所有節(jié)氣門開度，以及100%節(jié)氣門開度時(shí)的所有轉(zhuǎn)速工況）時(shí)，較低的冷卻液溫度對(duì)應(yīng)較低的燃油消耗，原因是此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)以動(dòng)力輸出為主，較低的冷卻液溫度可維持氣缸較高的溫度，促進(jìn)燃料的充分燃燒[7]；在中速中等負(fù)荷（轉(zhuǎn)速小于3 000 r/min且節(jié)氣門開度為50%～70%，以及轉(zhuǎn)速3 000～5 000 r/min且節(jié)氣門開度小于75%）階段，為了降低零部件的熱負(fù)荷并保證噴霧有較好的霧化效果，最低燃油消耗率對(duì)應(yīng)中等的冷卻液溫度。參照最低燃油消耗率，初步制定3種不同工況下的最佳冷卻液溫度，如表1所列。

表1 不同工況下的最佳冷卻液溫度 ℃

5 仿真模型建立與電子節(jié)溫器控制策略

5.1 建立冷卻系統(tǒng)仿真模型

考慮到要在穩(wěn)態(tài)工況下對(duì)電子節(jié)溫器的控制策略及冷卻系統(tǒng)優(yōu)化進(jìn)行研究，反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)不僅耗時(shí)而且成本較高，因此建立目標(biāo)車型的冷卻系統(tǒng)仿真模型，對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表2所列。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，選擇轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、2 000 r/min、3 000 r/min、4 000 r/min、5 000 r/min、6 000 r/min，節(jié)氣門開度為25%、50%、75%和100%，得到不同工況下冷卻系統(tǒng)的散熱量，并通過試驗(yàn)分別得到水泵、風(fēng)扇和散熱器的性能曲線。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

為方便模型的建立，作如下假設(shè)：

a.冷卻液流通管道設(shè)置為光滑，即不考慮流動(dòng)損失；

b.模型中無(wú)電子風(fēng)扇模塊，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液出口溫度，在傳統(tǒng)風(fēng)扇模塊的基礎(chǔ)上設(shè)定風(fēng)扇轉(zhuǎn)速查詢表來(lái)代替電子風(fēng)扇。

基于以上假設(shè)，建立冷卻系統(tǒng)一維仿真模型。將試驗(yàn)得到的水泵、風(fēng)扇和散熱器性能曲線對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)輸入到模型中對(duì)應(yīng)的模塊中。邊界條件與試驗(yàn)相同，即環(huán)境溫度25℃，環(huán)境壓力0.1 MPa，空氣相對(duì)濕度70%，外界風(fēng)速為零。

利用試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)出口冷卻液的流量進(jìn)行標(biāo)定。為與試驗(yàn)保持一致，仿真計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)在外特性節(jié)溫器全開時(shí)不同轉(zhuǎn)速下的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液出口流量。表3是不同轉(zhuǎn)速下，試驗(yàn)與模型的冷卻液流量數(shù)據(jù)。二者的誤差約在±5%，則建立的模型較為可靠，可代替試驗(yàn)對(duì)電子節(jié)溫器的控制策略和冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化進(jìn)行仿真。

表3 冷卻液流量試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比

5.2 電子節(jié)溫器控制策略

結(jié)合一維仿真模型和最佳冷卻液溫度的設(shè)定，對(duì)球閥型電子節(jié)溫器的控制策略進(jìn)行研究。為了提高對(duì)冷卻液溫度的精確控制，并提高節(jié)溫器球閥的響應(yīng)速度，采用偏差（PID）控制法[8]。圖4為目標(biāo)車型冷卻系統(tǒng)PID控制示意。

圖4 PID控制示意

對(duì)于PID控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)能力主要取決于3個(gè)比例系數(shù)，常見的參數(shù)整定有理論和試驗(yàn)兩種方法[9～10]。理論法是對(duì)受控對(duì)象建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，通過計(jì)算輸出量與輸入量之間的傳遞函數(shù)獲得對(duì)應(yīng)的系數(shù)?？紤]電機(jī)的復(fù)雜性，以試驗(yàn)法作為常用方法來(lái)確定相應(yīng)的比例系數(shù)。試驗(yàn)法建立在經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際控制系統(tǒng)提出的現(xiàn)實(shí)要求，進(jìn)行少量預(yù)整定試驗(yàn)，得到若干有效基準(zhǔn)參數(shù)后，按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出比例系數(shù)。

考慮到上述建立的模型只針對(duì)冷卻系統(tǒng)在節(jié)溫器全開時(shí)的仿真，要研究電子節(jié)溫器的控制策略對(duì)冷卻系統(tǒng)的影響，需在上述模型基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。利用GTCool中的球閥模塊來(lái)等效電子節(jié)溫器對(duì)大小循環(huán)冷卻液流量的控制。在大、小循環(huán)中各引入一個(gè)球閥，并在兩個(gè)球閥之間添加約束關(guān)系，即流經(jīng)兩球閥冷卻液流量之和為100%。將上述擬合得到的節(jié)溫器大、小循環(huán)流量特性曲線轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)（見表4），輸入到球閥模塊1、2中。

表4 球閥1、2模塊中的輸入值

基于所建模型，根據(jù)表1數(shù)據(jù)，將不同工況下得到的最佳冷卻液溫度作為冷卻系統(tǒng)在該工況下的目標(biāo)溫度，結(jié)合電子節(jié)溫器的控制策略，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)出口冷卻液溫度和球閥開度進(jìn)行仿真計(jì)算。圖5為節(jié)氣門開度為50%，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 1 500 r/min、3 000 r/min、4 000 r/min和6 000 r/min時(shí)球閥轉(zhuǎn)角、目標(biāo)冷卻液溫度和實(shí)際冷卻液溫度的仿真結(jié)果?？芍?，實(shí)際冷卻液溫度逐漸趨向目標(biāo)值，說明對(duì)電子節(jié)溫器實(shí)施PID控制較為合理。

經(jīng)過仿真計(jì)算，發(fā)動(dòng)機(jī)出口冷卻液溫度最終都能通過電子節(jié)溫器球閥轉(zhuǎn)角的調(diào)節(jié)達(dá)到目標(biāo)溫度，即該節(jié)溫器的控制策略對(duì)冷卻系統(tǒng)具有較好的調(diào)節(jié)能力。不同工況下球閥轉(zhuǎn)角的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 50%節(jié)氣門開度下發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果

圖6 球閥轉(zhuǎn)角仿真結(jié)果

由圖6可知，在低速低負(fù)荷工況下，節(jié)溫器的球閥開度很小，而風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速很高。其原因是即使某些工況下需要較高的目標(biāo)冷卻液溫度，但原目標(biāo)車型選用兩級(jí)調(diào)節(jié)的電子風(fēng)扇會(huì)根據(jù)溫度傳感器傳遞的信號(hào)自動(dòng)選擇對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速，其不僅會(huì)降低電子節(jié)溫器的控制作用，同樣冷卻系統(tǒng)的功耗也會(huì)大幅增加，故需要對(duì)該模型的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化處理。

6 冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化

選用電控硅油離合器式風(fēng)扇來(lái)代替原車型風(fēng)扇。硅油離合器風(fēng)扇可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。該風(fēng)扇是通過ECU發(fā)出的PWM信號(hào)來(lái)控制硅油離合器中電磁閥的開閉，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制[11～12]。與傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)式風(fēng)扇相比，發(fā)動(dòng)機(jī)的功耗可降低4.2%。

該風(fēng)扇的控制策略同樣將發(fā)動(dòng)機(jī)出口冷卻液溫度和目標(biāo)溫度的偏差作為輸入量，通過風(fēng)扇控制器的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和多次迭代，最終使實(shí)際冷卻液溫度趨近目標(biāo)溫度。故該電子風(fēng)扇同樣采用PID控制策略，方法與上述節(jié)溫器相同。在不同的工況下進(jìn)行仿真計(jì)算，比較冷卻系統(tǒng)優(yōu)化前后的節(jié)溫器球閥轉(zhuǎn)角和風(fēng)扇的功耗，結(jié)果如圖7所示。

圖7 優(yōu)化前后球閥轉(zhuǎn)角和風(fēng)扇功耗對(duì)比

優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)在低速小負(fù)荷工況下，電子節(jié)溫器球閥的轉(zhuǎn)角顯著增加，同時(shí)風(fēng)扇的功耗大幅降低。與兩級(jí)調(diào)節(jié)風(fēng)扇相比，電控硅油離合器風(fēng)扇可通過減小風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，增加球閥轉(zhuǎn)角來(lái)達(dá)到與原機(jī)相同的散熱量，在保證目標(biāo)溫度的同時(shí)降低風(fēng)扇的功耗。而在高速大負(fù)荷工況下，由于散熱量增加，根據(jù)冷卻液溫度傳感器傳來(lái)的信號(hào)，電控硅油離合器風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速與兩級(jí)調(diào)節(jié)電子風(fēng)扇相比有所提高，但此時(shí)為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，減少氣缸熱量的散失，根據(jù)實(shí)際冷卻液溫度和目標(biāo)溫度的差值，節(jié)溫器的球閥轉(zhuǎn)角與優(yōu)化前相比有所減小，即減少流經(jīng)大循環(huán)的冷卻液，故風(fēng)扇功耗較優(yōu)化前提升。

電子風(fēng)扇和電子節(jié)溫器的優(yōu)化匹配，使得冷卻系統(tǒng)在滿足目標(biāo)車型冷卻條件下，在絕大部分工況下的系統(tǒng)功耗大幅降低。與原機(jī)相比，全工況下風(fēng)扇的平均功耗由2.41 kW降低至0.82 kW，平均降低66.18%，最大降幅為3.34 kW。故電控冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化匹配可兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)某新型球閥電子節(jié)溫器的工作原理和流量特性進(jìn)行了研究，并基于某國(guó)產(chǎn)1.5 L發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)建立仿真模型，分析該節(jié)溫器的控制策略以及在原車型冷卻系統(tǒng)上進(jìn)行優(yōu)化匹配，得到以下結(jié)論：

a.該電子節(jié)溫器的大循環(huán)流量比重是球閥開度的單一函數(shù)，與冷卻液總流量無(wú)關(guān)；

b.電子節(jié)溫器PID控制策略可通過調(diào)節(jié)節(jié)溫器球閥的轉(zhuǎn)角，來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)定的最佳冷卻液溫度。但限于電子風(fēng)扇選型的影響，在低速低負(fù)荷下，出現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速高而節(jié)溫器球閥轉(zhuǎn)角小的現(xiàn)象，故需要對(duì)該冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化；

c.選擇電控硅油離合器式風(fēng)扇來(lái)取代原機(jī)風(fēng)扇，通過與電子節(jié)溫器的匹配工作，在滿足冷卻條件的同時(shí)，風(fēng)扇功耗最大降幅3.34 kW，全工況下平均功耗降低了66.18%，即實(shí)現(xiàn)對(duì)原車型冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化。

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（責(zé)任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2017年2月1日。

Control Strategy Simulation of Ball-Valve Electronic Thermostat and Optimization of Cooling System

Tang Chenxi,Ni Jimin,Shi Xiuyong,Zhang Nan
（Tongji University,Shanghai 201804）

A new ball-valve electronic thermostat equipped to a home-made 1.5 L gasoline engine was studied and PID control strategy was established in this paper based on the functional relationship between large circulation flow rate proportion and ball-valve opening.The one-dimensional simulation model of engine cooling system was established by coupling GT-Cool software.The results show that the PID control strategy of the electronic thermostat can realize precise control of the coolant temperature.The electrical controlled silicone oil clutch fan was matched with this electronic thermostat.The simulation shows that the power consumption of the fan is reduced by 66.18%in average,with the maximum reduction of 3.34 kW in all conditions,matching optimization of the cooling system was realized.

Cooling system,Ball-valve type electronic thermostat,PID control strategy

冷卻系統(tǒng) 球閥型電子節(jié)溫器 PID控制策略

U464.138

A

1000-3703（2017）06-0053-05

GT-Cool中的PID控制器對(duì)電子節(jié)溫器的球閥開度進(jìn)行控制?？紤]到PID控制器應(yīng)同時(shí)控制兩個(gè)球閥的開度，故在兩球閥之間添加約束條件，即兩球閥的轉(zhuǎn)角之和為85°。引入數(shù)學(xué)等式模塊添加上述約束。對(duì)于GT-Cool中PID控制器參數(shù)的確定，在經(jīng)驗(yàn)數(shù)值的基礎(chǔ)上進(jìn)行多次反復(fù)試驗(yàn)后，得到較為理想的PID參數(shù)，即Kp為-3，KI為-1，KD為-2。