汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)智能控制技術(shù)探討

馬維維

（青島恒星科技學院 山東 青島 266100）

引言

隨著汽車發(fā)動機性能的提高，對散熱的需求不斷提高，發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的控制技術(shù)發(fā)生了顛覆性的改變，主要包括冷卻風扇、冷卻水泵以及節(jié)溫器等零部件的改進[1-3]。冷卻風扇主要是根據(jù)發(fā)動機的溫度調(diào)節(jié)風力大小，達到發(fā)動機散熱的目的。隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，可采用電子設備，通過溫度感知的手段實時調(diào)節(jié)風扇的工作頻率。目前，冷卻水泵主要包括機械水泵與電子水泵等2種。其中，電子水泵能提高汽車發(fā)動機的工作效率，降低能量損耗。但電子水泵的缺點較為明顯，且成本較高，控制策略復雜，在實際的工程中應用較少。節(jié)溫器是冷卻液流程分配的控制調(diào)節(jié)單元，電子節(jié)溫器已取代傳統(tǒng)的蠟式節(jié)溫器。電子節(jié)溫器能根據(jù)冷卻液溫度的反饋實時調(diào)整冷卻液流量。

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)主要包括主冷卻系統(tǒng)、EGR（廢氣再循環(huán)）冷卻系統(tǒng)以及增壓中冷系統(tǒng)等，分別由3條獨立的冷卻回路以及冷卻水泵控制。奧迪（Audi）公司開發(fā)的EA888型發(fā)動機，利用多功能熱管理系統(tǒng)，在冷卻過程中精確控制冷卻液溫度。同時，節(jié)油率和減排效率也有所提高，可以說是智能冷卻系統(tǒng)的雛形[4-7]。本文主要對汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)智能控制的相關(guān)技術(shù)進行了介紹。

1 發(fā)動機智能冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)介紹

發(fā)動機智能冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括傳感器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)等。其中，傳感器系統(tǒng)的主要作用是對發(fā)動機溫度進行實時監(jiān)測以及對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行管理；控制系統(tǒng)的主要作用是按照既定的控制邏輯，結(jié)合各種運行數(shù)據(jù)進行控制策略的執(zhí)行；循環(huán)系統(tǒng)的主要作用是利用冷卻液對發(fā)動機降溫以及對自身溫度循環(huán)進行控制，根據(jù)冷卻液溫度自動調(diào)節(jié)為大循環(huán)和小循環(huán)等2種模式；各系統(tǒng)間通過LAN總線構(gòu)建通訊網(wǎng)絡，各部件按照控制策略進行操作。

汽車發(fā)動機的工作主要包括3個階段：起動暖機階段、行駛階段以及后冷卻階段。起動暖機階段指在汽車發(fā)動機起動后，發(fā)動機機內(nèi)冷卻液由較低溫度上升為正常的發(fā)動機運行溫度的階段。該階段是汽車發(fā)動機零部件磨損最嚴重的階段，縮短暖機時間成為發(fā)動機冷卻技術(shù)的關(guān)鍵。行駛階段為汽車發(fā)動機正常工作階段，在該階段，發(fā)動機冷卻系統(tǒng)處于穩(wěn)定循環(huán)狀態(tài)，因此不做為主要研究對象。后冷卻階段指發(fā)動機停機后，由于發(fā)動機自身的特點，需要冷卻系統(tǒng)持續(xù)為其冷卻，避免因局部過熱造成發(fā)動機的穩(wěn)定性和可靠性降低。通常的解決辦法是利用電子風扇持續(xù)為發(fā)動機降溫。汽車發(fā)動機智能冷卻系統(tǒng)控制策略如圖2所示[8-10]。

圖1 智能冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

汽車發(fā)動機智能冷卻系統(tǒng)控制策略所涵蓋的關(guān)鍵技術(shù)包括電子節(jié)溫器的模糊控制、電子風扇與電子水泵的MAP+模糊控制等。

1.1 電子節(jié)溫器的模糊控制

所謂模糊控制理論指的是通過構(gòu)建模糊集及模糊邏輯，建立隸屬函數(shù)間的相互關(guān)系，實現(xiàn)對目標對象的控制。該理論主要解決不確定性特征的目標對象的控制問題，模糊控制的原理如圖3所示。

模糊控制的工作步驟如下：

1）根據(jù)部件輸入?yún)?shù)確定目標值，通過A/D轉(zhuǎn)換器將采集的信號進行轉(zhuǎn)換，將目標值與轉(zhuǎn)換后的值相減，從而得出系統(tǒng)誤差e；

2）通過微分計算系統(tǒng)誤差的變化率d e/d t，通常采取一個周期的變化表示△e。

3）構(gòu)建隸屬函數(shù)，將誤差e和誤差變化率按照某種規(guī)律劃分為不同的模糊子集，得到模糊量E和△E；

4）根據(jù)實際的汽車發(fā)動機智能冷卻系統(tǒng)工作流程建立相關(guān)規(guī)則，通過行為模擬的方式完成目標對象的控制；

5）對模糊量E和△E所屬區(qū)間進行判斷，根據(jù)4）所定義的模糊規(guī)則進行模糊推理，得出控制量U；

6）對模糊控制量U完成去模糊操作，得出精確的控制量u。

圖2 汽車發(fā)動機智能冷卻系統(tǒng)控制策略流程圖

圖3 模糊控制原理圖

以發(fā)動機缸蓋出口處的冷卻液溫度與預測溫度差作為電子節(jié)溫器模糊控制器的輸入量，以上述步驟計算所得出的電子節(jié)溫器開度增量u作為輸出量，完成對冷卻系統(tǒng)大小循環(huán)流量的分配。

在控制過程中，電子節(jié)溫器需遵循如下規(guī)則：

1）若冷卻液實際溫度超高（遠大于目標值），并且上升速率較高（處于暖機狀態(tài)），則較大幅度增加電子節(jié)溫器的開度；

2）若冷卻液實際溫度稍高（距離目標值不大），并且上升速率較低（處于正常行駛狀態(tài)），則保持電子節(jié)溫器的開度基本不變；

3）若冷卻液實際溫度較低（遠小于目標值），并且下降速率較高（處于后冷卻控制狀態(tài)），則較小幅度減小電子節(jié)溫器的開度。

1.2 電子風扇與電子水泵聯(lián)合的MAP+模糊控制

當汽車發(fā)動機處于暖機或正常行駛狀態(tài)時，電子風扇與電子水泵即進入工作狀態(tài)，該時刻執(zhí)行MAP+模糊控制的聯(lián)合控制模式，控制流程如圖4所示。

圖4 電子風扇與電子水泵的聯(lián)合控制流程圖

在聯(lián)合控制過程中，融合了MAP模糊查詢以及模糊控制等2種控制策略，通過動態(tài)的匹配方式尋求電子風扇及電子水泵的最優(yōu)組合解，并以各自的最優(yōu)解作為模糊控制策略的輸入進行控制調(diào)節(jié)，完成對目標對象的控制。

2 仿真實驗

仿真實驗是通過仿真手段對不同的控制技術(shù)進行性能分析，主要包括起動暖機階段和后冷卻階段對智能控制策略進行模擬，并與傳統(tǒng)的蠟式冷卻模式進行對比，也就是將采用電子節(jié)溫器和電子水泵的智能冷卻模式與采用傳統(tǒng)蠟式節(jié)溫器和機械水泵的傳統(tǒng)冷卻模式進行對比。實驗條件如表1所示。

表1 實驗參數(shù)表

利用表1所示的實驗參數(shù)進行智能控制策略的模擬，并在汽車行駛的不同階段，將智能冷卻系統(tǒng)控制模式與傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)控制模式進行對比，按照汽車發(fā)動機不同階段的運行情況對發(fā)動機進口、出口的冷卻液溫度進行檢測，

實驗結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，在起動暖機階段，智能冷卻系統(tǒng)溫度較高；在行駛階段，相比傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)，智能冷卻系統(tǒng)的溫度變化更為平穩(wěn)，表明智能冷卻系統(tǒng)能更穩(wěn)定地為發(fā)動機散熱提供支持，而傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)往往由于部件間的性能瓶頸，造成整體性能下降。

圖5 智能冷卻系統(tǒng)與傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)發(fā)動機缸蓋冷卻液溫度

3 結(jié)論

本文介紹了汽車發(fā)動機智能冷卻系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，并對電子風扇、電子水泵等的控制策略進行了分析，對相關(guān)的模糊控制流程進行了說明，通過仿真實驗證明了智能冷卻系統(tǒng)在發(fā)動機降溫的穩(wěn)定性上比傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)好。