基于冷卻熱管理的商用車燃油經(jīng)濟(jì)性提升試驗(yàn)研究

馮高山

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

在節(jié)能減排的背景下，隨著汽車產(chǎn)銷量和油價(jià)的持續(xù)攀升，以及國家標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)日趨嚴(yán)格，燃油經(jīng)濟(jì)性已成為各整車廠和車主關(guān)注的焦點(diǎn)之一。對于配置燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的商用車，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作水溫及其附件功的消耗，包括冷卻風(fēng)扇等附件的功耗，是影響其運(yùn)行油耗較為顯著的因素。根據(jù)傳熱學(xué)，若發(fā)動(dòng)機(jī)的工作水溫越低，相應(yīng)的熱損失越大，同時(shí)，水溫越低，潤滑油粘度越大，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功增大，如此，必將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)有效輸出機(jī)械功率下降，燃油經(jīng)濟(jì)性降低；另一方面，相對適宜的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行水溫，會(huì)降低冷卻風(fēng)扇的運(yùn)行時(shí)間，從而降低風(fēng)扇的附件功耗。試驗(yàn)表明，冷卻水溫從50℃增加到85℃，可提高經(jīng)濟(jì)性約3%[1]。

發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)是對冷卻系統(tǒng)，潤滑系統(tǒng)，進(jìn)排氣系統(tǒng)，增壓中冷系統(tǒng)以及EGR冷卻系統(tǒng)等熱流子系統(tǒng)的集成控制，目的是合理利用熱能，其中冷卻系統(tǒng)是熱管理系統(tǒng)的核心組成部分[2]。高性能的熱管理系統(tǒng)，一方面可以迅速暖機(jī)，另一方面可使發(fā)動(dòng)機(jī)增壓空氣、冷卻水溫始終保持在適宜的工作溫度，減少散熱損失和風(fēng)扇附件功耗，以降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和提高做功效率，并優(yōu)化排放[2-5]。

本研究通過調(diào)整冷卻系統(tǒng)控制策略，對某中型商用車的燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行改善。研究中通過提升節(jié)溫器初開溫度，同時(shí)采用電控硅油離合器的無級(jí)調(diào)速閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對水溫的較精準(zhǔn)控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)在合適、穩(wěn)定的溫度下高效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了最終整車降油耗目的。

目前，對于本文研究對象的某中型載貨商用車，其發(fā)動(dòng)機(jī)工作水溫以及冷卻風(fēng)扇功耗的控制，主要是通過節(jié)溫器的開啟溫度、電控風(fēng)扇離合器以及兩者之間的控制策略實(shí)現(xiàn)。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器開啟溫度，及其與電控風(fēng)扇離合器的控制策略的優(yōu)劣，決定了發(fā)動(dòng)機(jī)工作水溫及風(fēng)扇功耗對整車油耗改善的程度。目前，某中型載貨商用車匹配的電控硅油離合風(fēng)扇，其控制策略均為ON-OFF模式，該控制模式有以下劣勢：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)水溫達(dá)到風(fēng)扇離合器開啟的條件時(shí)，風(fēng)扇則全速運(yùn)轉(zhuǎn)（ON模式），冷卻系統(tǒng)的冷卻性能瞬間提升，水溫下降幅度較大，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，水溫波動(dòng)較大，無法實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫的精確控制；

（2）對于冷卻系統(tǒng)而言，在穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行水溫過程中，無需風(fēng)扇時(shí)刻全速運(yùn)轉(zhuǎn)，電控硅油離合風(fēng)扇的ON-OFF控制模式，則會(huì)增加風(fēng)扇全速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間占比，從而增大風(fēng)扇的附件功耗。同時(shí)，我司商用車發(fā)動(dòng)機(jī)目前節(jié)溫器初開溫度較低，導(dǎo)致冷卻大循環(huán)過早運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行水溫偏低，不利于整車油耗改善，同時(shí)也不利于整車的排放控制優(yōu)化。

1 電控硅油風(fēng)扇離合器工作原理

1.1 電控硅油離合器結(jié)構(gòu)及工作原理

電控硅油離合器的工作過程，通常包括硅油油路、閥片、磁路、工作腔、主動(dòng)軸以及電路等路徑及部件。見圖1.

圖1 電控硅油風(fēng)扇離合器結(jié)構(gòu)[6]

電控硅油離合器嚙合時(shí)，電路不供電，電磁線圈斷電，電磁力消失閥片打開硅油出口，硅油進(jìn)入工作腔，硅油的粘滯力帶動(dòng)離合器嚙合，風(fēng)扇高速運(yùn)轉(zhuǎn)；分離時(shí)，電磁線圈通電，產(chǎn)生的電磁力使閥片關(guān)閉出油口，硅油不能進(jìn)入工作腔，工作腔因硅油量的減少，相應(yīng)的粘滯力減弱，離合器分離，驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇低速運(yùn)轉(zhuǎn)。一般，對于風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制，是通過控制電磁線圈的輸入電壓脈沖信號(hào)的通電時(shí)間比例實(shí)現(xiàn)的，電磁線圈的通電時(shí)間比例控制閥片的開啟和關(guān)閉時(shí)間比例，從而實(shí)現(xiàn)對電控硅油離合器的轉(zhuǎn)速控制。

1.2 電控硅油離合器控制原理

發(fā)動(dòng)機(jī)ECU根據(jù)采集的水溫信號(hào)、進(jìn)氣歧管溫度信號(hào)、或者空調(diào)開關(guān)信號(hào)，然后根據(jù)標(biāo)定的溫度和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速關(guān)系表以及標(biāo)定的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與脈沖占空比關(guān)系表（風(fēng)扇控制MAP），確定風(fēng)扇的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并對比風(fēng)扇實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速，通過PID增益調(diào)節(jié)，最終得出風(fēng)扇控制的占空比（PWM，Pulse Width Modulation），控制輸出電壓脈沖信號(hào)控制電控硅油離合器的線圈斷電和通電時(shí)間比例，進(jìn)而控制閥片打開和關(guān)閉硅油出油口的時(shí)間比例，從而達(dá)到控制硅油進(jìn)入離合器工作腔的量比，以此方式實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的閉環(huán)無極調(diào)速功能[7]。見圖2.

圖2 電控硅油離合器風(fēng)扇控制原理[6]

2 試驗(yàn)樣車主要參數(shù)

試驗(yàn)使用了2臺(tái)相同型號(hào)的商用柴油車，更改樣車1的冷卻系統(tǒng)控制策略，考察策略的節(jié)油效果，樣車2不做任何變更，用作空白對比，用于排除試驗(yàn)中環(huán)境溫度等條件的改變對油耗的影響。樣車初始參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)樣車初始參數(shù)

3 電控硅油風(fēng)扇標(biāo)定過程

電控硅油風(fēng)扇離合器的控制策略由原來的90℃~82℃的ON-OFF策略更改為88℃~95℃的無級(jí)調(diào)速閉環(huán)控制，一方面提高風(fēng)扇初開、全速運(yùn)轉(zhuǎn)的溫度，以配合節(jié)溫器溫度提升實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工作水溫提升；另一方面閉環(huán)的無級(jí)調(diào)速控制可使水溫穩(wěn)定運(yùn)行在設(shè)定溫度。實(shí)現(xiàn)該策略需進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)標(biāo)定兩個(gè)階段[8]：

（1）靜態(tài)標(biāo)定①確定發(fā)動(dòng)機(jī)水溫與風(fēng)扇目標(biāo)轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系；②調(diào)整風(fēng)扇相應(yīng)特性參數(shù)、每個(gè)轉(zhuǎn)速下的PWM反饋值，以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和平穩(wěn)控制。

（2）動(dòng)態(tài)標(biāo)定

對整車進(jìn)行拖車熱平衡試驗(yàn)，考察該策略是否可滿足冷卻性能要求。

3.1 靜態(tài)標(biāo)定過程

3.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)水溫與風(fēng)扇目標(biāo)轉(zhuǎn)速關(guān)系的確定

發(fā)動(dòng)機(jī)水溫和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速關(guān)系的一般原則是：低水溫對應(yīng)低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，高水溫對應(yīng)高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。根據(jù)以往試驗(yàn)結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)設(shè)定初值，再在樣車上進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)整。最終獲得樣車的發(fā)動(dòng)機(jī)水溫與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的關(guān)系，如表2所示。3.1.2電控硅油離合風(fēng)扇控制MAP的確定

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)水溫與風(fēng)扇目標(biāo)轉(zhuǎn)速關(guān)系

根據(jù)第1章電控硅油風(fēng)扇離合器的結(jié)構(gòu)分析可知，理論上PWM=0時(shí)，閥門全開，風(fēng)扇隨離合器主動(dòng)軸全速運(yùn)轉(zhuǎn)，PWM=1時(shí)，閥門全閉，風(fēng)扇怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，取0~1之間值時(shí)，如PWM=0.3時(shí)，控制頻率為10 Hz，則在0.1 s內(nèi)，PWM=1和PWM=0的時(shí)間比為7∶3，則風(fēng)扇以介于怠速和全速之間的中間轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。但實(shí)際上閥門的機(jī)械開閉變化慢于電信號(hào)瞬間變化，且風(fēng)扇的從動(dòng)速度與硅油量不一定呈線性關(guān)系，因此PWM值與風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)速度的對應(yīng)關(guān)系需要通過實(shí)際測試獲得。最終通過試驗(yàn)測得出，對于該樣車匹配的電控硅油離合器風(fēng)扇，當(dāng)PWM=0.4時(shí)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速即等于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（不計(jì)滑差）。最終樣車風(fēng)扇控制占空比PWM設(shè)定如表3所示，其控制MAP（PWM）如圖 3所示。

表3 風(fēng)扇控制占空比PWM設(shè)定

實(shí)際控制中，ECU通過表2、表3獲得PWM的基值PWM基，根據(jù)風(fēng)扇實(shí)際轉(zhuǎn)速與請求轉(zhuǎn)速的差值得出風(fēng)扇轉(zhuǎn)速補(bǔ)償值PWM補(bǔ)，再最終計(jì)算出風(fēng)扇占空比用于控制風(fēng)扇的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速[9]。

圖3 風(fēng)扇控制MAP（PWM）

3.2 動(dòng)態(tài)標(biāo)定過程

通過熱平衡道路拖車試驗(yàn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定，考察該控制策略是否可滿足整車匹配要求。

通過冷卻系統(tǒng)熱平衡匹配試驗(yàn)，驗(yàn)證整車在極限工況的冷卻能力，評估電控硅油離合風(fēng)扇的冷卻系統(tǒng)適應(yīng)性。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用無極調(diào)速閉環(huán)控制方案的熱平衡匹配試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫基本控制在89℃左右，波動(dòng)幅度較小，水溫控制穩(wěn)定性較好；而采用ON-OFF控制方案的熱平衡匹配試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫在85℃～96℃之間波動(dòng)，波動(dòng)幅度較大，在極限工況下，這樣會(huì)對冷卻系統(tǒng)的散熱器產(chǎn)生熱沖擊，不利于冷卻系統(tǒng)部件的可靠性。同時(shí)，通過圖4可知，ON-OFF控制方案下的發(fā)動(dòng)機(jī)水溫，大部分時(shí)間低于無極調(diào)速方案，因此無極調(diào)速的風(fēng)扇控制方案對整車油耗更有利。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行水溫對比

4 用戶模擬油耗試驗(yàn)考察策略降油耗效果

對兩臺(tái)樣車保持初始狀態(tài)進(jìn)行用戶模擬油耗試驗(yàn)，摸底兩臺(tái)樣車的油耗水平；并將兩臺(tái)初始狀態(tài)的油耗作為后續(xù)方案的參考對比。在完成樣車1的電控硅油離合器風(fēng)扇標(biāo)定和節(jié)溫器更換后，對2臺(tái)樣車再次進(jìn)行用戶模擬油耗試驗(yàn)，考察冷卻系統(tǒng)控制策略的變更對整車降油耗的改善效果。試驗(yàn)根據(jù)GB/T12545《汽車燃料消耗量測試方法》，在如圖5所示路譜的高速路段，開展用戶模擬油耗試驗(yàn)。

圖5 用戶模擬油耗路譜

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行水溫提升及穩(wěn)定性

樣車1在更改節(jié)溫器和風(fēng)扇控制策略前后，整車在做用戶模擬油耗試驗(yàn)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行水溫變化趨勢如圖6所示。

圖6 樣車1更改水溫控制策略前后發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行水溫

由圖6可知，由于節(jié)溫器初開溫度由78℃提高至85℃，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行溫度相應(yīng)提升了約7℃，同時(shí)，由圖2（b）可知，運(yùn)行過程中水溫穩(wěn)定性良好。

5.2 整車運(yùn)行油耗改善

兩臺(tái)樣車用戶模擬油耗試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 用戶模擬油耗試驗(yàn)結(jié)果

由于各次試驗(yàn)路段相同，每臺(tái)樣車司機(jī)相同，故樣車2在試驗(yàn)1、2的油耗差視為由于天氣等環(huán)境因素引起的系統(tǒng)誤差，則認(rèn)為樣車1的兩次試驗(yàn)結(jié)果同樣包含系統(tǒng)誤差0.02 L/100 km.故由試驗(yàn)1和試驗(yàn)2結(jié)果對比可知，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行水溫提升7℃這一措施可降油耗0.36 L·100 km-1.

同理，樣車1在試驗(yàn)2、3的結(jié)果差異仍認(rèn)為是環(huán)境因素引起的系統(tǒng)誤差，則由試驗(yàn)2和試驗(yàn)3的結(jié)果可知，相對直連風(fēng)扇，采用風(fēng)扇無級(jí)調(diào)速閉環(huán)控制策略可降油耗0.52 L·100 km-1.可以預(yù)期，對于該型號(hào)商用車，當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，通過提升整車運(yùn)行水溫和控制風(fēng)扇運(yùn)行，預(yù)計(jì)可使整車油耗降低約0.88 L·100 km-1.

6 結(jié)論

本研究通過結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器開啟溫度提升，以及電控硅油離合風(fēng)扇電控標(biāo)定控制策略優(yōu)化，完成對發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行水溫的提升和準(zhǔn)確控制，在提升發(fā)動(dòng)機(jī)做功效率的同時(shí)，降低了風(fēng)扇運(yùn)行功耗，從而實(shí)現(xiàn)某商用載貨車整車運(yùn)行燃油經(jīng)濟(jì)性的提升。

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