摘要：以某款國產(chǎn)1.5 L汽油機搭載的新型球閥式電子節(jié)溫器為研究對象，擬合大循環(huán)流量比重與球閥開度的函數(shù)關(guān)系，并對其制定PID控制策略。耦合GT-Cool軟件建立發(fā)動機冷卻系統(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，實現(xiàn)了對冷卻系統(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、暖機、行駛及停機的各個階段都要保證車輛的動力性、經(jīng)濟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[2]，不能對冷卻液溫度進行精確控制，易造成過冷、過熱或發(fā)動機功率消耗過大等問題，新型球閥式電子節(jié)溫器通過電機控制球閥的開度來對大小循環(huán)的流量進行準確調(diào)節(jié)[3～5]，進而實現(xiàn)溫度的精確控制，亦可減少發(fā)動機功率的損失。本文主要對球閥式電子節(jié)溫器的控制策略進行研究，并對目標車型的冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)化。

2 電子節(jié)溫器的工作原理

使用應(yīng)用于某國產(chǎn)1.5 L直列4缸發(fā)動機的球閥式電子節(jié)溫器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要包括電機、傳動齒輪、球閥1、球閥2和水泵以及各通路的管道。該電子節(jié)溫器通路之間依靠兩個球閥的開度來實現(xiàn)車輛在冷起動、暖機、行駛及停機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實現(xiàn)暖機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

暖機和冷起動階段，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，實現(xiàn)發(fā)動機的快速起動；暖機過程結(jié)束后球閥2開啟；為保證發(fā)動機零部件的耐久性以及車輛的動力性和經(jīng)濟性，電機帶動球閥1轉(zhuǎn)動來控制冷卻液大小循環(huán)的流量；傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)在發(fā)動機停機后便停止工作，易使發(fā)動機產(chǎn)生熱浸現(xiàn)象[6]。該電子節(jié)溫器在停機后，球閥1和球閥2處于關(guān)閉狀態(tài)。在輔助電動水泵作用下，冷卻液從氣缸蓋處流回機體，帶走發(fā)動機內(nèi)的熱量以減少停機后的熱負荷。

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的響應(yīng)速度，同時避免在大開度時的流量波動。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，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，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)動對冷卻液大、小循環(huán)對應(yīng)流量的影響，可實現(xiàn)對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。通過臺架試驗，分析球閥不同開度和水泵不同轉(zhuǎn)速時，對冷卻液大、小循環(huán)流量的分配情況。試驗選取的水泵轉(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定標準。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，零件熱負荷較大，易造成早燃和爆震等危害。綜合考慮發(fā)動機的經(jīng)濟性和動力性，冷卻液溫度應(yīng)維持在90～105℃。根據(jù)發(fā)動機臺架試驗，目標車型在不同工況下分別以90℃、95℃、100℃和105℃作為目標冷卻液溫度進行研究，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應(yīng)的燃油消耗率較低，原因是低速小負荷時，缸內(nèi)溫度較低，較高的冷卻液可以給氣缸加熱，促進燃料的充分燃燒；在高速大負荷（轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時的所有節(jié)氣門開度，以及100%節(jié)氣門開度時的所有轉(zhuǎn)速工況）時，較低的冷卻液溫度對應(yīng)較低的燃油消耗，原因是此時發(fā)動機以動力輸出為主，較低的冷卻液溫度可維持氣缸較高的溫度，促進燃料的充分燃燒[7]；在中速中等負荷（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荷并保證噴霧有較好的霧化效果，最低燃油消耗率對應(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)工況下對電子節(jié)溫器的控制策略及冷卻系統(tǒng)優(yōu)化進行研究，反復(fù)進行試驗不僅耗時而且成本較高，因此建立目標車型的冷卻系統(tǒng)仿真模型，對應(yīng)發(fā)動機參數(shù)如表2所列。對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行臺架試驗，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，并通過試驗分別得到水泵、風(fēng)扇和散熱器的性能曲線。

表2 發(fā)動機技術(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，即不考慮流動損失；

b.模型中無電子風(fēng)扇模塊，根據(jù)發(fā)動機冷卻液出口溫度，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。將試驗得到的水泵、風(fēng)扇和散熱器性能曲線對應(yīng)數(shù)據(jù)輸入到模型中對應(yīng)的模塊中。邊界條件與試驗相同，即環(huán)境溫度25℃，環(huán)境壓力0.1 MPa，空氣相對濕度70%，外界風(fēng)速為零。

利用試驗獲得數(shù)據(jù)對模型進行驗證，對發(fā)動機出口冷卻液的流量進行標定。為與試驗保持一致，仿真計算發(fā)動機在外特性節(jié)溫器全開時不同轉(zhuǎn)速下的發(fā)動機冷卻液出口流量。表3是不同轉(zhuǎn)速下，試驗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，可代替試驗對電子節(jié)溫器的控制策略和冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化進行仿真。

表3 冷卻液流量試驗值與仿真值對比


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，對球閥型電子節(jié)溫器的控制策略進行研究。為了提高對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為目標車型冷卻系統(tǒng)PID控制示意。


圖4 PID控制示意

對于PID控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)能力主要取決于3個比例系數(shù)，常見的參數(shù)整定有理論和試驗兩種方法[9～10]。理論法是對受控對象建立準確的數(shù)學(xué)模型，通過計算輸出量與輸入量之間的傳遞函數(shù)獲得對應(yīng)的系數(shù)。考慮電機的復(fù)雜性，以試驗法作為常用方法來確定相應(yīng)的比例系數(shù)。試驗法建立在經(jīng)驗基礎(chǔ)上，根據(jù)實際控制系統(tǒng)提出的現(xiàn)實要求，進行少量預(yù)整定試驗，得到若干有效基準參數(shù)后，按照經(jīng)驗公式計算出比例系數(shù)。

考慮到上述建立的模型只針對冷卻系統(tǒng)在節(jié)溫器全開時的仿真，要研究電子節(jié)溫器的控制策略對冷卻系統(tǒng)的影響，需在上述模型基礎(chǔ)上進行改進。利用GTCool中的球閥模塊來等效電子節(jié)溫器對大小循環(huán)冷卻液流量的控制。在大、小循環(huán)中各引入一個球閥，并在兩個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)在該工況下的目標溫度，結(jié)合電子節(jié)溫器的控制策略，對發(fā)動機出口冷卻液溫度和球閥開度進行仿真計算。圖5為節(jié)氣門開度為50%，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為 1 500 r/min、3 000 r/min、4 000 r/min和6 000 r/min時球閥轉(zhuǎn)角、目標冷卻液溫度和實際冷卻液溫度的仿真結(jié)果。可知，實際冷卻液溫度逐漸趨向目標值，說明對電子節(jié)溫器實施PID控制較為合理。

經(jīng)過仿真計算，發(fā)動機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)達到目標溫度，即該節(jié)溫器的控制策略對冷卻系統(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)動機各轉(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冷卻液溫度，但原目標車型選用兩級調(diào)節(jié)的電子風(fēng)扇會根據(jù)溫度傳感器傳遞的信號自動選擇對應(yīng)轉(zhuǎn)速，其不僅會降低電子節(jié)溫器的控制作用，同樣冷卻系統(tǒng)的功耗也會大幅增加，故需要對該模型的冷卻系統(tǒng)進行優(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)扇來代替原車型風(fēng)扇。硅油離合器風(fēng)扇可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無級調(diào)節(jié)。該風(fēng)扇是通過ECU發(fā)出的PWM信號來控制硅油離合器中電磁閥的開閉，進而實現(xiàn)對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制[11～12]。與傳統(tǒng)的機械傳動式風(fēng)扇相比，發(fā)動機的功耗可降低4.2%。

該風(fēng)扇的控制策略同樣將發(fā)動機出口冷卻液溫度和目標溫度的偏差作為輸入量，通過風(fēng)扇控制器的實時調(diào)節(jié)和多次迭代，最終使實際冷卻液溫度趨近目標溫度。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。在不同的工況下進行仿真計算，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)扇功耗對比

優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)在低速小負荷工況下，電子節(jié)溫器球閥的轉(zhuǎn)角顯著增加，同時風(fēng)扇的功耗大幅降低。與兩級調(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)角來達到與原機相同的散熱量，在保證目標溫度的同時降低風(fēng)扇的功耗。而在高速大負荷工況下，由于散熱量增加，根據(jù)冷卻液溫度傳感器傳來的信號，電控硅油離合器風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速與兩級調(diào)節(jié)電子風(fēng)扇相比有所提高，但此時為了保證發(fā)動機的動力性，減少氣缸熱量的散失，根據(jù)實際冷卻液溫度和目標溫度的差值，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)動機的動力性與經(jīng)濟性的特點。

7 結(jié)束語

本文對某新型球閥電子節(jié)溫器的工作原理和流量特性進行了研究，并基于某國產(chǎn)1.5 L發(fā)動機冷卻系統(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，來實現(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，故需要對該冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)化；

c.選擇電控硅油離合器式風(fēng)扇來取代原機風(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，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%，即實現(xiàn)對原車型冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化。