發(fā)動機高效冷卻系統(tǒng)NEDC循環(huán)節(jié)能效果仿真分析

高騰麟，劉宇，徐小俊

(吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室,吉林 長春 130025)

隨著我國汽車保有量的上升和油耗法規(guī)的日益嚴格，汽車的節(jié)能減排變得越來越重要[1]。冷卻系統(tǒng)是發(fā)動機的重要組成部分，它的主要作用是使發(fā)動機工作時產生的熱量及時散發(fā)出去，防止溫度過高損壞發(fā)動機[2]，其對發(fā)動機油耗和排放的影響也越來越受到人們的重視?，F(xiàn)有的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)主要采用機械水泵、蠟式節(jié)溫器和傳統(tǒng)冷卻風扇，而機械水泵和傳統(tǒng)冷卻風扇的轉速無法和發(fā)動機轉速解耦[3-4]，會造成冷卻系統(tǒng)的冷卻強度無法與發(fā)動機所需要的冷卻強度相匹配，從而導致過度冷卻、冷卻系統(tǒng)功耗過大[5-6]。

為了克服傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的種種缺點，從冷卻系統(tǒng)核心部件的改進入手，提出了使用電控部件，即電子風扇、電子節(jié)溫器、電子水泵來取代傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的機械部件，并通過Flowmaster軟件搭建高效冷卻系統(tǒng)仿真模型，評價其在NEDC循環(huán)工況下的節(jié)能效果。

1 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)臺架試驗及熱平衡分析

所進行的試驗主要有流量分布試驗、冷卻系統(tǒng)熱平衡試驗，以及散熱器、水泵、風扇的單體試驗。使用壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器來測量冷卻系統(tǒng)中冷卻液的壓力、溫度及流量；使用測功機測量發(fā)動機輸出功率、扭矩、轉速等參數(shù)。

圖1為冷卻系統(tǒng)流量、溫度、壓力傳感器的安裝位置示意。

圖1 壓力、溫度、流量傳感器分布示意

1.1 冷卻液流量分布試驗

1) 發(fā)動機點火，改變負荷使水溫穩(wěn)定在(50±2) ℃，在節(jié)溫器完全關閉的情況下，測量不同發(fā)動機轉速時，冷卻液流量的分布情況。

2) 發(fā)動機點火，改變負荷使水溫穩(wěn)定在(110±2) ℃，在節(jié)溫器完全打開的情況下，測量不同轉速時冷卻液流量的分布情況。

主要關注散熱器、暖風、油冷器、膨脹水箱的冷卻液流量。使用Matlab編寫程序，并使用一次方程對流量測量結果進行擬合，擬合結果見圖2。從圖2可以看出，幾乎所有測量點都通過了直線。因此，在進行冷卻系統(tǒng)仿真時認為流過暖風、散熱器及油冷器的冷卻液流量與轉速成一次方的關系。

圖2 不同零部件流量隨轉速的變化

1.2 各部件的流阻特性分析及單體試驗結果

為了得到搭建冷卻系統(tǒng)一維仿真模型所需要的各零部件的流阻特性，擬通過試驗的方法來獲取。本節(jié)所用參數(shù)見表1。

在節(jié)溫器全開的情況下(冷卻液出口溫度為110 ℃)測量冷卻系統(tǒng)不同部件兩端的壓力及冷卻液入口流量，記錄不同轉速下的相關數(shù)據(jù)。使用Matlab對數(shù)據(jù)進行擬合，擬合的結果見圖3。

表1 試驗參數(shù)

圖3 不同零部件的流阻特性曲線

對水泵、風扇、散熱器逐一進行單體試驗，研究散熱器的散熱特性以及風扇和水泵的功率特性，使用數(shù)學公式對試驗結果進行擬合，擬合結果將會用于下文“電子風扇轉速與電子水泵轉速的最佳匹配組合”的求解。

根據(jù)冷卻水泵的試驗結果，在Flowmaster軟件中創(chuàng)建水泵的Suter Head曲線及Suter Torque曲線。

由試驗得到在節(jié)溫器全開狀態(tài)下流過散熱器的流量、總流量及水泵功率隨水泵轉速變化關系，結果見表2。

表2散熱器流量、總流量及水泵功率隨著水泵轉速的變化關系

n/r·min-1np/r·min-1qcbc/L·min-1qc/L·min-1Pp/W8509359.8416.937.801 0001 10011.9920.3513.311 5001 65017.9331.9832.832 0002 20024.2843.4156.022 5002 75031.1154.8785.303 0003 30037.7466.35123.083 5003 85044.4177.80171.804 0004 40051.0989.242233.874 5004 95057.80100.684311.735 0005 50064.51112.12407.795 5006 05071.21123.57524.936 0006 60077.93135.02664.23

利用Matlab對數(shù)據(jù)進行擬合，擬合后的水泵軸功率、流過散熱器的冷卻液流量表達式為

(1)

qcbc=0.020 8np-2.472 9。

(2)

對于冷卻風扇，由車載試驗風速測試結果可知，當汽車速度小于70 km/h時，風扇的旋轉增加了流過散熱器的風速，風扇在一定程度上可以調節(jié)流過散熱器的風速。當車速大于70 km/h時，風扇對風速的影響已經(jīng)非常小了，所得到的結果與Ngy-Srun Ap針對一款緊湊型車的研究結論較為一致[7]。基于上述結果，在本研究中只有在車速小于70 km/h才對風扇的轉速進行調節(jié)，車速大于70 km/h時風扇直接關閉。

定義基礎風速為在車輛行駛過程中，當風扇不轉時流過散熱器的氣流流速。實際上，基礎風速與車速在數(shù)值上相等。風速及風扇功耗主要與車速及風扇轉速有關[8]，而且當風扇靜止、基礎風速vab為0時，實際風速與風扇功耗也為0，所以va=f(vab,nf)，Pf=f4(nf,v)通過(0，0，0)點。因此建立方程：

(3)

(4)

式中：a，b，c，d，e以及f，g，h，i，j為兩個模型的估計參數(shù)。

按照參考文獻[9]中所提到的方法，結合實際的試驗數(shù)據(jù)，并采用最小二乘法的擬合結果為

(5)

(6)

散熱器的散熱量主要與三個因素有關，即流過散熱器的冷卻液流量、風速、液氣溫差[10]。本研究通過正交試驗法[11-12]研究了散熱器散熱量與以上三個因素之間的關系，根據(jù)參考文獻[9]，認為冷卻液散熱量Qc滿足如下非線性回歸模型：

(7)

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進行擬合，擬合后的公式為

(8)

1.3 發(fā)動機熱平衡試驗

為了確定不同工況下冷卻系統(tǒng)帶走的熱量，需要進行發(fā)動機熱平衡試驗。在發(fā)動機熱平衡試驗中，節(jié)溫器保持完全打開的狀態(tài)，同時采用臺架散熱器代替整車散熱器，其他配置與整車一樣，確保發(fā)動機內部冷卻液流量分配與原發(fā)動機一致，確保系統(tǒng)壓力在同一水平。在發(fā)動機進水管和臺架散熱器之間連接流量計，其他環(huán)路的流量計保持不變。

使用Matlab處理熱平衡試驗數(shù)據(jù)，對發(fā)動機進行熱平衡計算，得到不同扭矩和轉速下發(fā)動機傳遞給冷卻液的熱量(見圖4)。

圖4 不同扭矩和轉速下發(fā)動機傳遞給冷卻液的熱量

2 高效冷卻系統(tǒng)行駛控制策略研究

發(fā)動機暖機完成后，在NEDC循環(huán)工況下的控制屬于行駛控制，下面對高效冷卻系統(tǒng)行駛控制策略進行研究。

高效冷卻系統(tǒng)的行駛控制涉及到電子風扇、電控水泵及電子節(jié)溫器的綜合控制。行駛控制分為以下兩種情況。

1) 車速較低，發(fā)動機散熱量大

需要使用電子風扇/電子水泵最小功耗MAP表控制以及電子節(jié)溫器PID控制聯(lián)合，此時風扇轉速與水泵轉速是由發(fā)動機散熱需求、車速以及氣液溫差來決定的，通過計算得到節(jié)溫器全開時不同散熱需求、不同車速條件下，使冷卻系統(tǒng)總功耗最小的風扇與水泵轉速組合，并以MAP表的形式給出，電子風扇/電子水泵最小功耗MAP將在下文給出。加入電子節(jié)溫器的PID控制是為了提高冷卻液出水溫度的穩(wěn)定性，大部分情況下電子節(jié)溫器全開。

2) 車速高，發(fā)動機散熱量較小

當汽車車速較高時，流過散熱器的空氣流速較大，風扇對空氣流速的影響變得很小，此時為了減小風扇功耗，風扇可以停止轉動。

2.1 電子節(jié)溫器的PID控制

電子節(jié)溫器的控制原理見圖5，其中，Ted為設定的發(fā)動機出口冷卻液溫目標溫度，Te為實際測得的溫度，ETe為與目標溫度通過比較器獲得的偏差信號。控制器根據(jù)偏差信號按照一定的控制策略計算出對應的控制量，通過控制節(jié)溫器(高效冷卻系統(tǒng)使用三通閥代替)開度來控制冷卻液流過冷卻系統(tǒng)的大、小循環(huán)流量，使發(fā)動機冷卻液出水溫度控制在一個恒定值。使用溫差信號作為輸入，以流過散熱器的冷卻液流量作為輸出，可以很好地控制冷卻液溫度為恒定。

圖5 電子節(jié)溫器的PID控制

使用PID控制的電子節(jié)溫器可以使冷卻液更快地達到設定的溫度，同時對冷卻液溫度的控制也更加精確，減小了冷卻液溫度的振蕩。

2.2 電子風扇轉速與電子水泵轉速的最佳匹配組合

在車速較低、發(fā)動機散熱量大時，發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工況下散熱量是一定的。節(jié)溫器全開且車速不變時，在散熱量相同的情況下，水泵轉速與風扇轉速組合有很多種。為了減少附件功耗，需要找出使冷卻系統(tǒng)總功耗最小的水泵轉速與風扇轉速組合。

由于電子水泵和電子風扇是高效冷卻系統(tǒng)最主要的耗功元件，所以認為冷卻系統(tǒng)的總功耗Pc為水泵和風扇的功耗之和：

據(jù)美方官方統(tǒng)計，2017年中國對美國出口金額為5056億美元，而美國對中國的逆差金額為3752億美元，導致許多持零和博弈觀點的美國政界人士強烈不滿，近年來從倡導“自由貿易”調整為僅維護本國利益的“貿易保護主義”，這對中國經(jīng)濟社會發(fā)展產生諸多不利影響。

Pc=Pf+Pp。

(9)

因此，在車速與發(fā)動機實際所需的散熱量一定的條件下，冷卻系統(tǒng)總功耗與冷卻液流量qc和風扇轉速nf有關，由于qc只與np有關，則Pc可以表示為

Pc=f1(nf,np)。

(10)

冷卻系統(tǒng)目標函數(shù)可表示為

min(Pc)=min(f1(nf,np))。

(11)

由于水泵轉速與風扇轉速有一定的調節(jié)范圍，因此，上式的約束條件為

(12)

設定環(huán)境溫度為30 ℃，環(huán)境壓力為0.1 MPa，風扇轉速在區(qū)間0～2 600 r/min內，水泵轉速在900～5 000 r/min內。根據(jù)上述表達式和條件通過Matlab的fmincon函數(shù)，求解出在車速與發(fā)動機散熱需求確定時，使冷卻系統(tǒng)附件功耗最小的風扇轉速與水泵轉速的最優(yōu)組合，并求解出水泵的功耗、風扇的功耗以及總功耗。

3 冷卻系統(tǒng)仿真模型搭建及驗證

3.1 基于Flowmaster的冷卻系統(tǒng)仿真模型搭建

將核心零部件的流阻特性曲線和通過熱平衡試驗得到的發(fā)動機傳遞給冷卻液的熱量MAP圖輸入到Flowmaster軟件中，得到冷卻系統(tǒng)一維仿真模型(見圖6)。

圖6 冷卻系統(tǒng)模型

圖7示出節(jié)溫器全開狀態(tài)下各個部件的冷卻液流量隨轉速的變化情況。圖8示出節(jié)溫器全開狀態(tài)下各個部件冷卻液入口壓力隨轉速的變化情況。由圖可見，仿真值與試驗值誤差均在5%以內，說明所建立的冷卻系統(tǒng)仿真模型具有較高的精確度。

圖7 各個部件流量的仿真值與試驗值的對比

圖8 各個部件冷卻液入口壓力仿真值與試驗值對比

3.2 高效冷卻系統(tǒng)設計及建模

本研究建立的仿真模型通過控制器元件根據(jù)實際需要來控制風扇、水泵的轉速，利用控制器控制三通閥的開度來替代原有的蠟式節(jié)溫器，使用控制器對流量源進行控制，模擬汽車前進過程中形成的基礎風速。建立的高效冷卻模型見圖9。

圖9 高效冷卻系統(tǒng)模型

Master Controllers控制器中設置有高效冷卻系統(tǒng)控制程序，主要在NEDC循環(huán)工況下按照冷卻系統(tǒng)功耗最小原則輸出水泵轉速與風扇轉速。

4 NEDC工況下附件功耗的對比分析

4.1 NEDC循環(huán)工況的相關特性參數(shù)

圖10 車速隨時間變化曲線

根據(jù)整車參數(shù)可以計算得到NEDC循環(huán)工況下，發(fā)動機輸出轉速與扭矩隨時間的變化關系曲線(見圖11和圖12)。

圖11 發(fā)動機輸出轉速

圖12 發(fā)動機輸出扭矩

根據(jù)已經(jīng)求解出的NEDC循環(huán)工況下發(fā)動機輸出轉速與扭矩隨時間的變化關系，以及根據(jù)發(fā)動機熱平衡試驗求解出的不同轉速與扭矩下發(fā)動機傳遞給冷卻液的熱量，通過計算可以得到在NEDC循環(huán)工況下發(fā)動機散熱功率隨時間的變化曲線(見圖13)。

圖13 發(fā)動機散熱功率

4.2 原機與高效冷卻系統(tǒng)附件功耗對比

發(fā)動機在NEDC循環(huán)工況下的控制屬于行駛控制，高效冷卻系統(tǒng)將按照行駛控制來對汽車冷卻系統(tǒng)進行控制(MAP表+節(jié)溫器PID控制)。

原機冷卻系統(tǒng)使用機械式水泵，同時使用兩級可調的風扇：低速擋開啟溫度為103 ℃，關閉溫度為98 ℃；高速擋開啟溫度為108 ℃，關閉溫度為103 ℃。高速擋轉速為2 600 r/min，低速擋為1 300 r/min。而高效冷卻系統(tǒng)根據(jù)上文得到的電子風扇/電子水泵最小功耗MAP，實現(xiàn)在NEDC循環(huán)工況下水泵與風扇所消耗的總功量最小。

圖14示出NEDC循環(huán)工況下，高效冷卻系統(tǒng)中電子水泵與原機冷卻水泵轉速的對比。從圖中可以看出，高效冷卻系統(tǒng)電子水泵的轉速幾乎都比原機冷卻系統(tǒng)的機械水泵轉速低，這是因為原機的機械水泵無法與發(fā)動機的轉速解耦，在某些工況下轉速過高，造成功率浪費，同時會使冷卻強度超過實際需要的冷卻強度。當車輛行駛在車速較高的郊區(qū)工況時，高效冷卻系統(tǒng)的電子水泵轉速一直比較低，因為在車速較高的郊區(qū)工況下，較大的空氣流速會增強散熱器的散熱能力，這時就需要通過減小冷卻水泵的轉速來控制冷卻液的流量，在避免過度冷卻的同時減小水泵的功耗。

圖14 原機與高效冷卻系統(tǒng)水泵轉速對比

圖15示出高效冷卻系統(tǒng)電子風扇與原機風扇轉速對比。從圖中可以看出，原機風扇轉速僅兩級可調，而高效冷卻系統(tǒng)的風扇轉速是隨需求無級可調的，其在大部分情況下都比原機冷卻風扇轉速低，這就減小了風扇的功耗。當汽車行駛在車速較高的郊區(qū)工況時，風扇轉速都為0，這是因為當車速大于70 km/h時，風扇轉速對空氣流速的影響較小，而且此時較高的車速會增加空氣流速，冷卻強度也增大，風扇轉動只會增加功耗。

圖15 原機與高效冷卻系統(tǒng)風扇轉速對比

通過仿真分析，得到了高效冷卻系統(tǒng)與原機冷卻系統(tǒng)在NEDC循環(huán)工況下的水泵功耗及冷卻風扇功耗隨時間的變化關系(見圖16和圖17)，從圖中可以看出，高效冷卻系統(tǒng)的電子水泵和電子風扇節(jié)能效果顯著。

圖16 原機與高效冷卻系統(tǒng)水泵功耗對比

圖17 原機與高效冷卻系統(tǒng)風扇功耗對比

為了更直觀地對比整個NEDC循環(huán)工況下原機與高效冷卻系統(tǒng)附件總能耗，計算出了風扇與水泵的總能耗(見表3)。

表3 原機與高效冷卻系統(tǒng)能耗對比

由表3可知，在整個NEDC循環(huán)工況下，高效冷卻系統(tǒng)的水泵總能耗與風扇總能耗都小于原機冷卻系統(tǒng)，整個循環(huán)中電子水泵較原機機械水泵節(jié)能61.18%，而電子風扇較原機風扇節(jié)能32.24%，綜合來看，節(jié)能效果達到了40.85%。

5 結論

a) 高效冷卻系統(tǒng)的電子水泵轉速大部分情況下比原機的機械水泵轉速低，主要原因是原機的機械水泵轉速無法與發(fā)動機的轉速解耦，不能實現(xiàn)轉速的精確調節(jié);

b) 在NEDC循環(huán)的郊區(qū)工況下，高效冷卻系統(tǒng)與原機冷卻系統(tǒng)的風扇轉速都為0，這是因為較高的車速使經(jīng)過散熱器的空氣流速較大，冷卻系統(tǒng)的散熱能力是過剩的，無需風扇工作;

c) 通過仿真分析，在整個NEDC循環(huán)工況下，高效冷卻系統(tǒng)的附件能耗較原機冷卻系統(tǒng)減小了40.85%，其中電子風扇能耗比原機風扇能耗減小了32.24%，電子水泵能耗較原機的機械水泵能耗減小了61.18%，高效冷卻系統(tǒng)的節(jié)能效果顯著。