【摘要】以某款國產(chǎn)1.5L柴油機(jī)配備的新型閥門式電子節(jié)氣門為研究對(duì)象，擬合大循環(huán)流量比重與閥門開度的函數(shù)關(guān)系，并對(duì)其起草PID控制策略。耦合GT-Cool硬件構(gòu)建底盤冷卻系統(tǒng)一維仿真模型，結(jié)果闡明PID控制策略才能實(shí)現(xiàn)冷卻液體溫的準(zhǔn)確控制。將電控硅油離合器吊扇與該電子節(jié)氣門匹配，仿真結(jié)果闡明，全載荷下吊扇性能平均減少66.18%，最大幅度為3.34kW，實(shí)現(xiàn)了對(duì)冷卻系統(tǒng)的匹配優(yōu)化。

1序言

冷卻系統(tǒng)除了起冷卻作用，但是其在汽車起動(dòng)、暖機(jī)、行駛及停機(jī)的各個(gè)階段都要保證汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及零部件的使用壽命[1]。汽缸作為調(diào)節(jié)冷卻液大小循環(huán)的關(guān)鍵零件，在冷卻系統(tǒng)中的作用非常關(guān)鍵。傳統(tǒng)的蠟式差速器具備響應(yīng)速率慢、開啟水溫固定等劣勢(shì)[2]，不能對(duì)冷卻液濕度進(jìn)行準(zhǔn)確控制，易導(dǎo)致過冷、過熱或內(nèi)燃機(jī)功率消耗過大等問題，新型閥門式電子節(jié)氣門通過變壓器控制閥門的開度來對(duì)大小循環(huán)的流量進(jìn)行精確調(diào)節(jié)[3～5]，從而實(shí)現(xiàn)室溫的準(zhǔn)確控制，亦可減低底盤功率的損失。本文主要對(duì)閥門式電子節(jié)氣門的控制策略進(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)氣門的工作原理

使用應(yīng)適于某國產(chǎn)1.5L單缸4缸底盤的閥門式電子節(jié)氣門，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要包括馬達(dá)、傳動(dòng)蝸輪、球閥1、球閥2和電機(jī)以及各通路的管線。該電子節(jié)氣門通路之間借助兩個(gè)閥門的開度來實(shí)現(xiàn)汽車在冷起動(dòng)、暖機(jī)、行駛及停機(jī)不同載荷下冷卻液循環(huán)的控制。閥門1控制冷卻液大小循環(huán)的流量，球閥2實(shí)現(xiàn)暖機(jī)過程中與車箱加熱器的傳熱。

圖1電子節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)示意

暖機(jī)和冷起動(dòng)階段，閥門2處于關(guān)掉狀態(tài)。冷卻液回路在輔助電機(jī)的作用下，流經(jīng)布置在進(jìn)氣歧管附近的冷卻水套，吸收進(jìn)氣糖分與車箱加熱器傳熱，實(shí)現(xiàn)底盤的迅速起動(dòng)；暖機(jī)過程結(jié)束后閥門2開啟；為保證內(nèi)燃機(jī)零部件的耐久性以及汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，馬達(dá)推動(dòng)閥門1晃動(dòng)來控制冷卻液大小循環(huán)的流量；傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)在內(nèi)燃機(jī)停機(jī)后便停止工作，易使內(nèi)燃機(jī)形成熱浸現(xiàn)象[6]。該電子節(jié)氣門在停機(jī)后，閥門1和閥門2處于關(guān)掉狀態(tài)。在輔助電動(dòng)電機(jī)作用下，冷卻液從汽缸蓋處流回機(jī)體，帶走內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的糖分以提高停機(jī)后的熱負(fù)荷。

3電子節(jié)氣門流量特征

該汽缸的核心結(jié)構(gòu)為O形閥門，其作用是控制冷卻液大、小循環(huán)的流量，具備快開的流量特征。該快開型特征可增加閥門在小開度時(shí)的響應(yīng)速率，同時(shí)防止在大開度時(shí)的流量波動(dòng)。閥門1的拐角在0°～85°之間調(diào)節(jié)大、小循環(huán)的流量。當(dāng)拐角為0°時(shí)，閥門1關(guān)掉，冷卻液全部流經(jīng)小循環(huán)；當(dāng)閥門拐角為85°時(shí)，閥門1全部開啟，冷卻液全部流經(jīng)大循環(huán)。

研究閥門搖動(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)冷卻液體溫的準(zhǔn)確控制。定義閥門開度為當(dāng)前載荷下閥門拐角占閥門全開角（85°）的比列。通過臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，剖析閥門不同開度和電機(jī)不同扭矩時(shí)，對(duì)冷卻液大、小循環(huán)流量的分配狀況。實(shí)驗(yàn)選用的電機(jī)扭矩為2000r/min、3000r/min和4000r/min，閥門開度分別為3%、7%、10%、15%、30%、50%、70%和100%。不同電機(jī)扭矩和閥門開度下的冷卻液大/小循環(huán)的流量占總流量的比重如圖2所示。

圖2汽缸流量特征曲線

由圖2可知，對(duì)于不同的電機(jī)扭矩，冷卻液大循環(huán)流量所占比重幾乎相似。取上述數(shù)據(jù)的平均值，得到大循環(huán)流量平均比重與閥門開度的關(guān)系曲線，即大循環(huán)流量比重是閥門開度的單一函數(shù)，與電機(jī)扭矩?zé)o關(guān)。運(yùn)用硬件中的三次擬合得到閥門開度-冷卻液大循環(huán)流量比重的關(guān)系式：

式中，x為閥門開度；y為大循環(huán)冷卻液流量比重。

對(duì)應(yīng)的電子節(jié)氣門小循環(huán)流量特征曲線即差速器的流量特征曲線。

4最佳冷卻液氣溫

以汽油消耗率作為最佳冷卻液體溫的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。冷卻液體溫過高，燃料的霧化療效較好，汽油消耗率降低；冷卻液體溫過低，零件熱負(fù)荷較大，易導(dǎo)致早燃和爆震等害處。綜合考慮底盤的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，冷卻液氣溫應(yīng)維持在90～105℃。依據(jù)底盤臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，目標(biāo)車型在不同載荷下分別以90℃、95℃、100℃和105℃作為目標(biāo)冷卻液濕度進(jìn)行研究，圖3所示為火花塞開度25%和100%下的汽油消耗率狀況。

圖3不同負(fù)荷率、不同冷卻液氣溫下的汽油消耗率

由圖3可知，在低速小負(fù)荷載荷（扭矩大于3000r/min且進(jìn)氣道開度大于50%）下，較高的冷卻液氣溫對(duì)應(yīng)的汽油消耗率較低，成因是低速小負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)氣溫較低，較高的冷卻液可以給汽缸加熱，促使燃料的充分燃燒；在高速大負(fù)荷（車速為6000r/min時(shí)的所有進(jìn)氣道開度，以及100%進(jìn)氣道開度時(shí)的所有扭矩載荷）時(shí)，較低的冷卻液氣溫對(duì)應(yīng)較低的汽油消耗，成因是此刻底盤以動(dòng)力輸出為主，較低的冷卻液氣溫可維持汽缸較高的濕度，促使燃料的充分燃燒[7]；在中速中等負(fù)荷（扭矩大于3000r/min且進(jìn)氣道開度為50%～70%，以及扭矩3000～5000r/min且進(jìn)氣道開度大于75%）階段，為了減少零部件的熱負(fù)荷并保證噴霧有較差的霧化療效，最低汽油消耗率對(duì)應(yīng)中等的冷卻液體溫。參照最低汽油消耗率，初步擬定3種不同載荷下的最佳冷卻液體溫，如表1所列。

表1不同載荷下的最佳冷卻液氣溫℃

5仿真模型構(gòu)建與電子節(jié)氣門控制策略

5.1推行冷卻系統(tǒng)仿真模型

考慮到要在穩(wěn)態(tài)載荷下對(duì)電子節(jié)氣門的控制策略及冷卻系統(tǒng)優(yōu)化進(jìn)行研究，反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)除了歷時(shí)并且費(fèi)用較高，所以確立目標(biāo)車型的冷卻系統(tǒng)仿真模型，對(duì)應(yīng)底盤參數(shù)如表2所列。對(duì)底盤冷卻系統(tǒng)進(jìn)行臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，選擇車速為1500r/min、2000r/min、3000r/min、4000r/min、5000r/min、6000r/min，進(jìn)氣道開度為25%、50%、75%和100%，得到不同載荷下冷卻系統(tǒng)的散熱量，并通過實(shí)驗(yàn)分別得到電機(jī)、風(fēng)扇和散熱器的功耗曲線。

表2底盤技術(shù)參數(shù)

為便于模型的構(gòu)建，作如下假定：

a.冷卻液流通管線設(shè)置為光滑，即不考慮流動(dòng)損失；

b.模型中無電子電扇模塊，依據(jù)底盤冷卻液出口水溫，在傳統(tǒng)電扇模塊的基礎(chǔ)上設(shè)定電扇車速查詢表來取代電子吊扇。

基于以上假定，推行冷卻系統(tǒng)一維仿真模型。將實(shí)驗(yàn)得到的電機(jī)、風(fēng)扇和散熱器功耗曲線對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)鍵入到模型中對(duì)應(yīng)的模塊中。邊界條件與實(shí)驗(yàn)相似，即環(huán)境濕度25℃，環(huán)境壓力0.1MPa，空氣相對(duì)溫度70%，外界風(fēng)速為零。

運(yùn)用實(shí)驗(yàn)榮獲數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)底盤出口冷卻液的流量進(jìn)行校準(zhǔn)。為與實(shí)驗(yàn)保持一致，仿真估算底盤在外特征汽缸全開時(shí)不同怠速下的底盤冷卻液出口流量。表3是不同怠速下，實(shí)驗(yàn)與模型的冷卻液流量數(shù)據(jù)。兩者的偏差約在±5%，則推行的模型較為靠譜，可取代實(shí)驗(yàn)對(duì)電子節(jié)氣門的控制策略和冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化進(jìn)行仿真。

表3冷卻液流量實(shí)驗(yàn)值與仿真值對(duì)比

5.2電子節(jié)氣門控制策略

結(jié)合一維仿真模型和最佳冷卻液體溫的設(shè)定，對(duì)閥門型電子節(jié)氣門的控制策略進(jìn)行研究。為了減少對(duì)冷卻液體溫的準(zhǔn)確控制，并增加汽缸閥門的響應(yīng)速率，輔以誤差（PID）控制法[8]。圖4為目標(biāo)車型冷卻系統(tǒng)PID控制示意。

圖4PID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)比列系數(shù)，常見的參數(shù)整定有理論和實(shí)驗(yàn)兩種方式[9～10]。理論法是對(duì)受控對(duì)象構(gòu)建精確的物理模型，通過估算輸出量與鍵入量之間的傳遞函數(shù)榮獲對(duì)應(yīng)的系數(shù)。考慮馬達(dá)的復(fù)雜性，以實(shí)驗(yàn)法作為常用方式來確定相應(yīng)的比列系數(shù)。實(shí)驗(yàn)法確立在經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，按照實(shí)際控制系統(tǒng)提出的現(xiàn)實(shí)要求，進(jìn)行少量預(yù)整定實(shí)驗(yàn)，得到若干有效基準(zhǔn)參數(shù)后，按照經(jīng)驗(yàn)公式估算出比列系數(shù)。

考慮到上述完善的模型只針對(duì)冷卻系統(tǒng)在汽缸全開時(shí)的仿真，要研究電子節(jié)氣門的控制策略對(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)。運(yùn)用中的閥門模塊來等效電子節(jié)氣門對(duì)大小循環(huán)冷卻液流量的控制。在大、小循環(huán)中各引進(jìn)一個(gè)閥門，并在兩個(gè)閥門之間添加約束關(guān)系，即流經(jīng)兩閥門冷卻液流量之和為100%。將上述擬合得到的差速器大、小循環(huán)流量特征曲線轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)（見表4），鍵入到閥門模塊1、2中。

表4閥門1、2模塊中的鍵入值

基于所建模型，依照表1數(shù)據(jù)，將不同載荷下得到的最佳冷卻液氣溫作為冷卻系統(tǒng)在該載荷下的目標(biāo)體溫，結(jié)合電子節(jié)氣門的控制策略，對(duì)底盤出口冷卻液氣溫和閥門開度進(jìn)行仿真估算。圖5為火花塞開度為50%，底盤車速為1500r/min、3000r/min、4000r/min和6000r/min時(shí)閥門拐角、目標(biāo)冷卻液氣溫和實(shí)際冷卻液體溫的仿真結(jié)果?？芍?，實(shí)際冷卻液氣溫逐步趨于目標(biāo)值，說明對(duì)電子節(jié)氣門推行PID控制較為合理。

經(jīng)過仿真估算，底盤出口冷卻液氣溫最終都能通過電子節(jié)氣門閥門拐角的調(diào)節(jié)達(dá)到目標(biāo)體溫，即該汽缸的控制策略對(duì)冷卻系統(tǒng)具備較差的調(diào)節(jié)能力。不同載荷下閥門拐角的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖550%進(jìn)氣道開度下內(nèi)燃機(jī)各車速仿真結(jié)果

圖6閥門拐角仿真結(jié)果

由圖6可知，在低速低負(fù)荷載荷下，汽缸的閥門開度很小，而吊扇的扭矩很高。其成因是雖然這些載荷下還要較高的目標(biāo)冷卻液體溫球閥，但原目標(biāo)車型采用兩級(jí)調(diào)節(jié)的電子電扇會(huì)依據(jù)氣溫傳感傳遞的訊號(hào)手動(dòng)選擇對(duì)應(yīng)車速，其除了會(huì)增加電子節(jié)氣門的控制作用，同樣冷卻系統(tǒng)的性能也會(huì)急劇降低，故須要對(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

采用電控硅油離合器式電扇來取代原車型吊扇。硅油離合器吊扇可實(shí)現(xiàn)扭矩的無級(jí)調(diào)節(jié)。該吊扇是通過ECU發(fā)出的PWM訊號(hào)來控制硅油離合器中電磁閥的開閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電扇扭矩的控制[11～12]。與傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)式電扇相比，底盤的性能可增加4.2%。

該吊扇的控制策略同樣將進(jìn)氣道出口冷卻液氣溫和目標(biāo)體溫的誤差作為鍵入量，通過吊扇控制器的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和多次迭代，最終使實(shí)際冷卻液氣溫趨近目標(biāo)體溫。故該電子吊扇同樣選用PID控制策略，方式與上述汽缸相似。在不同的載荷下進(jìn)行仿真估算，比較冷卻系統(tǒng)優(yōu)化前后的差速器閥門拐角和電扇的性能，結(jié)果如圖7所示。

圖7優(yōu)化前后閥門拐角和電扇性能對(duì)比

優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)在低速小負(fù)荷載荷下，電子節(jié)氣門閥門的拐角明顯提高，同時(shí)吊扇的性能急劇減少。與兩級(jí)調(diào)節(jié)吊扇相比，電控硅油離合器吊扇可通過降低吊扇扭矩，提高閥門拐角來達(dá)到與原機(jī)相似的散熱量，在保證目標(biāo)體溫的同時(shí)減少吊扇的性能。而在高速大負(fù)荷載荷下，因?yàn)樯崃拷档?，依?jù)冷卻液氣溫傳感傳來的訊號(hào)，電控硅油離合器吊扇的扭矩與兩級(jí)調(diào)節(jié)電子吊扇相比有所增加，但此刻為了保證底盤的動(dòng)力性球閥，提高汽缸糖分的散失，按照實(shí)際冷卻液氣溫和目標(biāo)體溫的殘差，汽缸的閥門拐角與優(yōu)化前相比有所減少，即提高流經(jīng)大循環(huán)的冷卻液，故電扇性能較優(yōu)化前提升。

電子吊扇和電子節(jié)氣門的優(yōu)化匹配，并且冷卻系統(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)性能急劇減少。與原機(jī)相比，全載荷下吊扇的平均性能由2.41kW增加至0.82kW，平均減少66.18%，最大幅度為3.34kW。故電控冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化匹配可兼具底盤的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性的特征。

7結(jié)束語

本文對(duì)某新型閥門電子節(jié)氣門的工作原理和流量特征進(jìn)行了研究，并基于某國產(chǎn)1.5L底盤冷卻系統(tǒng)構(gòu)建仿真模型，剖析該汽缸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，得到以下推論：

a.該電子節(jié)氣門的大循環(huán)流量比重是閥門開度的單一函數(shù)，與冷卻液總流量無關(guān)；

b.電子節(jié)氣門PID控制策略可通過調(diào)節(jié)差速器閥門的拐角，來實(shí)現(xiàn)設(shè)定的最佳冷卻液體溫。但限于電子吊扇選型的影響，在低速低負(fù)荷下，出現(xiàn)吊扇車速高而火花塞閥門拐角小的現(xiàn)象，故須要對(duì)該冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化；

c.選擇電控硅油離合器式電扇來代替原機(jī)電扇，通過與電子節(jié)氣門的匹配工作，在滿足冷卻條件的同時(shí)，電扇性能最大幅度3.34kW，全載荷下平均性能增加了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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