崔俊杰 肖陽(yáng) 張?bào)忝?/p>

1. 東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心 湖北武漢 430056

2. 漢陽(yáng)專用汽車研究所 湖北武漢 430056

1 前言

隨著能源危機(jī)的出現(xiàn)、地球環(huán)境的惡化、日益嚴(yán)格的汽車排放法規(guī)的出臺(tái)以及人們對(duì)汽車舒適性要求的逐步增長(zhǎng)，汽車熱管理應(yīng)運(yùn)而生[1]?？偟膩?lái)說(shuō)，汽車熱管理就是運(yùn)用熱力學(xué)原理提高整個(gè)系統(tǒng)或裝置的能量利用率，減少?gòu)U熱損失、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性的相關(guān)技術(shù)，從整體的角度管理熱量。

汽車熱管理的主要研究?jī)?nèi)容包括熱管理對(duì)象熱特性研究、熱管理系統(tǒng)集成以及熱能綜合利用等，是從被動(dòng)地控制溫度到主動(dòng)地管理能量的思想轉(zhuǎn)變，是提高熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體性的重要研究方法。

2 電控冷卻系統(tǒng)控制原理及試驗(yàn)臺(tái)架的建立

發(fā)動(dòng)機(jī)作為整車中最大的熱源，是應(yīng)進(jìn)行熱管理分析和研究的對(duì)象。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，燃料燃燒所釋放熱量的去向有幾種，分別轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的有效功、被冷卻水帶走的熱量、被中冷器（空氣）帶走的熱量、排氣帶走的熱量以及一些相對(duì)較少的余項(xiàng)損失熱量[2]。在保證發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的前提下，合理地分配冷卻系統(tǒng)帶走的熱量，使之部分轉(zhuǎn)化為有效功，是研究的重點(diǎn)。

傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中的風(fēng)扇、水泵，都是由發(fā)動(dòng)機(jī)自身帶動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、成本較低、技術(shù)成熟；缺點(diǎn)則是在發(fā)動(dòng)機(jī)不停變換工況及環(huán)境的工作過(guò)程中，無(wú)法根據(jù)冷卻水的實(shí)時(shí)溫度調(diào)整風(fēng)扇、水泵的轉(zhuǎn)速，這樣勢(shì)必會(huì)造成熱量的浪費(fèi)，而電控冷卻系統(tǒng)能夠根據(jù)冷卻水溫信號(hào)調(diào)整風(fēng)扇、水泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到控制冷卻水流量的目的，更有利于熱量的利用，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率[3]。

2.1 電控冷卻試驗(yàn)系統(tǒng)條件建立

電控冷卻系統(tǒng)中，除冷卻水泵和電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備外，冷卻系統(tǒng)大部分元件為該車型原配。首先，將發(fā)動(dòng)機(jī)原內(nèi)置水泵廢除，拆下原水泵葉輪，以減小水路阻力，殼體保留當(dāng)作水管通道；再將原風(fēng)扇解體，保留風(fēng)扇部分，通過(guò)鍵槽連接，直接由電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇；最后，將兩臺(tái)某品牌MM440變頻器（其中7.5 kW變頻器用于控制水泵，30 kW 變頻器用于控制風(fēng)扇）安裝在控制柜內(nèi)，充分利用控制柜的金屬外殼減少變頻器對(duì)試驗(yàn)室的外部電器設(shè)備的電磁干擾，冷卻系統(tǒng)如圖1所示。

采用一臺(tái)便攜式計(jì)算機(jī)做為硬件平臺(tái)，在Windows XP操作系統(tǒng)上以Visual Studio C# 2005做為開發(fā)工具，選用SQL Server 2000作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和記錄周期設(shè)定為1 s，控制量輸出周期可設(shè)定為數(shù)據(jù)采集周期的整數(shù)倍，以便比較不同的控制周期對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響。控制程序主界面如圖2所示。

2.2 電控冷卻系統(tǒng)控制方法及原理

發(fā)動(dòng)機(jī)電控冷卻系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。ECU輸入輸出接口主要由某品牌ADAM-4561、ADAM-4017+和ADAM-4024構(gòu)成，該ADAM系列的模擬量輸入通道和模塊之間提供了3 000 V的電壓隔離，可有效地防止模塊在受到高壓沖擊時(shí)損壞。ADAM-4561是一款隔離端口轉(zhuǎn)換器，它可以讓PC 用戶將串行設(shè)備連接到使用USB接口的系統(tǒng)中，ADAM-4561由USB端口提供工作電源，無(wú)須外接電源。ADAM-4017+是16 位A/D、8通道的模擬量輸入模塊，可以采集電壓、電流等模擬量輸入信號(hào)，總的采樣速率為10 Hz，精度為±0.1%。ADAM-4024有4 路模擬量輸出通道，分辨率為12位，輸出量程為0~20 mA、4~20 mA、±10 V。輸出電流時(shí)精度為±0.1%，輸出電壓時(shí)精度為±0.2%。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液進(jìn)/出口溫度和散熱器空氣側(cè)的進(jìn)/出口溫度通過(guò)ADAM-4017+模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，送入ECU，ECU根據(jù)控制策略計(jì)算出控制量，通過(guò)ADAM-4024 模塊進(jìn)行D/A 轉(zhuǎn)換來(lái)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率?？紤]到試驗(yàn)室電磁干擾等惡劣的現(xiàn)場(chǎng)條件，ADAM-4017+和ADAM-4024的輸入輸出均采用電流信號(hào)，信號(hào)線采用屏蔽線并可靠接地，且這三個(gè)ADAM模塊需遠(yuǎn)離控制柜放置。

發(fā)動(dòng)機(jī)電控冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。將冷卻水泵、冷卻風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)連接脫開，風(fēng)扇、水泵直接由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速由兩臺(tái)變頻器分別控制；拆除節(jié)溫器，堵死小循環(huán)；控制程序根據(jù)檢測(cè)到的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液出水溫度，按相應(yīng)的控制策略進(jìn)行計(jì)算，然后通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，達(dá)到自動(dòng)控制冷卻系統(tǒng)的目的[4]。

3 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)樣機(jī)選用某品牌發(fā)動(dòng)機(jī)，采用整車原套冷卻系統(tǒng)，由臺(tái)架完成對(duì)出水溫度的控制。為了減少試驗(yàn)誤差、簡(jiǎn)化試驗(yàn)內(nèi)容、降低試驗(yàn)成本且能夠準(zhǔn)確得到出水溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響，試驗(yàn)過(guò)程中將電控水泵穩(wěn)定在同一轉(zhuǎn)速，僅用電控風(fēng)扇調(diào)節(jié)水溫。

首先，在臺(tái)架上確定發(fā)動(dòng)機(jī)在整車配置條件下最佳冷卻液溫度MAP。為了使電控冷卻系統(tǒng)能夠?qū)l(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度控制最佳，使其達(dá)到最好的經(jīng)濟(jì)性，先要進(jìn)行原機(jī)冷卻系統(tǒng)不同冷卻液溫度試驗(yàn)，以獲取該型發(fā)動(dòng)機(jī)在整車配置條件下最佳冷卻液溫度MAP。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度控制系統(tǒng)的控制精度，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速選擇在1 100、1 300、1 500、1 700和1 900 r/min五個(gè)轉(zhuǎn)速水平， 在82℃～94 ℃，每間隔2℃對(duì)原機(jī)進(jìn)行全工況試驗(yàn)，試驗(yàn)負(fù)荷選擇100%、75%、50%和25%四個(gè)負(fù)荷水平。

其次，確定原機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫關(guān)系曲線，并根據(jù)此曲線用電控冷卻系統(tǒng)模擬原機(jī)冷卻系統(tǒng)；并在對(duì)應(yīng)工況下，通過(guò)電控冷卻系統(tǒng)根據(jù)水溫MAP圖控制發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度，分別得出兩者的能耗[5]。

最后，分別對(duì)配備兩種冷卻系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)以1 000～1 900 r/min轉(zhuǎn)速，每間隔100 rad進(jìn)行外特性熱平衡試驗(yàn)[6]，電控冷卻系統(tǒng)按照前面制取的MAP圖控制出水溫度，試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度約為18℃~27℃，試驗(yàn)時(shí)取消節(jié)溫器，堵住小循環(huán)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)計(jì)算對(duì)比，得出以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的最佳冷卻液溫度MAP。如圖5所示。

對(duì)原機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，得出風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫的關(guān)系曲線如圖6所示。

根據(jù)圖6曲線，用電控冷卻系統(tǒng)模擬原機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度進(jìn)行控制，測(cè)量計(jì)算得出原機(jī)冷卻系統(tǒng)的能耗；然后用電控冷卻系統(tǒng)根據(jù)前面得出的最佳經(jīng)濟(jì)性水溫MAP圖控制發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度，使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)性，測(cè)量計(jì)算得出電控冷卻系統(tǒng)的能耗。兩種類型冷卻系統(tǒng)外特性工況下的能耗對(duì)比如圖7、表1所示（為便于標(biāo)注，以下各圖圖例均 “原機(jī)”代表帶原機(jī)冷卻系統(tǒng)；以“電控”代表電控冷卻系統(tǒng)）。

表1 兩種冷卻系統(tǒng)外特性工況能耗表

由表1可見，原機(jī)冷卻系統(tǒng)在1 000 r/min時(shí)能耗為1.29 kW；在1 900 r/min時(shí)能耗達(dá)13.44 kW。電控冷卻系統(tǒng)比原機(jī)冷卻系統(tǒng)能耗稍低，在低速工況下，兩者能耗差別不大，如在1 000 r/min時(shí)，兩者差別只有0.11 kW；此時(shí)由于原機(jī)冷卻系統(tǒng)的風(fēng)扇在冷卻液發(fā)動(dòng)機(jī)出口溫度信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，轉(zhuǎn)速很低，約為690 r/min，在低速區(qū)間，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變動(dòng)100 r/min引起的能耗變化在0.1 kW左右，所以電控冷卻系統(tǒng)節(jié)能不明顯；隨著轉(zhuǎn)速增加，兩者能耗差別越來(lái)越大，在1 900 r/min時(shí)，兩者差別為6.43 kW。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析可得，電控冷卻系統(tǒng)能耗比原機(jī)冷卻系統(tǒng)降低較多，較大程度地改善了發(fā)動(dòng)機(jī)燃料經(jīng)濟(jì)性，經(jīng)濟(jì)性提高最明顯的是在1 900 r/min工況，達(dá)2.28%。其改善情況如圖8所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)方案和試驗(yàn)過(guò)程做了具體的描述，并得出如下結(jié)論：

a. 電控冷卻系統(tǒng)能夠較大程度地改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料經(jīng)濟(jì)性，最高可提高2.28%；

b. 試驗(yàn)中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度有所上升，這勢(shì)必會(huì)對(duì)機(jī)油品質(zhì)、潤(rùn)滑和散熱效果以及發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷造成影響，如何解決這些問(wèn)題，還有待改進(jìn)。

通過(guò)試驗(yàn)，能夠看出電控冷卻系統(tǒng)在合理分配熱能、提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率上比傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)更有優(yōu)勢(shì)，能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)也具有較大的意義。

[1] 曹旭.發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理仿真與試驗(yàn)研究[D].上海交通大學(xué),2008.

[2] 譚建勛.工程機(jī)械熱管理系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)[D].浙江大學(xué),2005.

[3] 羅建曦.汽車熱管理系統(tǒng)集成空氣側(cè)熱流體分析研究[D].清華大學(xué),2004.

[4] 楊勝.汽車熱管理系統(tǒng)半物理仿真試驗(yàn)平臺(tái)研究[D].清華大學(xué),2004.

[5] N.S.Ap,A.Maire P.,et a1.Economical Engine Cooling System[C].SAE Paper No.2001-01-1708,2001.

[6] Ngy Srun Ap,Pascal Guerrero，et a1．Influence of Front End Vehicle.Fan and Shroud on the Heat Performance of A/C Condenser and Cooling Radiator[C].SAE Paper No.2002-01-1206,2002.