胡巧聲,李永記,宋 偉,閔峻英,趙 強,林建平

(1.上汽大眾汽車有限公司 整車項目控制部,上海 201805; 2.同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院,上海 201804; 3.南京依維柯汽車有限公司 產(chǎn)品工程部,南京 210028)

車輛熱管理系統(tǒng)的電控化、智能化和集成化是未來汽車的發(fā)展趨勢[1-2].冷卻風(fēng)扇作為熱管理系統(tǒng)中關(guān)鍵零部件,組織和控制著艙內(nèi)空氣的流動,其轉(zhuǎn)速大小直接影響著散熱所需的冷卻風(fēng)量[3].電控化和智能化的熱管理系統(tǒng)要求冷卻風(fēng)扇從機械驅(qū)動走向電驅(qū)動,電子風(fēng)扇根據(jù)控制信號進行同步調(diào)節(jié),實現(xiàn)熱管理系統(tǒng)的智能化熱量控制,提高整車性能和舒適駕駛性能,實現(xiàn)節(jié)能減排的目標[4].

國外最先出現(xiàn)研究熱管理系統(tǒng)自動控制的是美國學(xué)者[5]于1981年公開發(fā)表的一個關(guān)于發(fā)動機電控冷卻系統(tǒng)的專利.2006年,大連理工大學(xué)的徐繼濤[6]基于改進的PID控制策略,開發(fā)了一套智能化發(fā)動機冷卻系統(tǒng).2011年,沈陽工業(yè)大學(xué)的Li等[7]基于AVR單片機原理,研發(fā)了一套新型的智能化發(fā)動機冷卻控制系統(tǒng).目前,國內(nèi)外對于冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速控制主要基于實驗標定的溫度反饋調(diào)節(jié),而通過仿真和理論結(jié)合建立風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制函數(shù)研究較少,前者雖然能夠滿足發(fā)動機的散熱要求,但是在一定程度上浪費了能量,增加了油耗,增加了開發(fā)成本[8-9].

本文以某型客車為研究對象,通過發(fā)動機傳熱理論分析了熱管理系統(tǒng)的傳熱路徑,基于發(fā)動機艙的熱平衡條件,結(jié)合相應(yīng)的實驗和計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)仿真技術(shù),建立了以車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、散熱器進水溫度和環(huán)境溫度作為輸入,冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速作為輸出的控制函數(shù).在保證發(fā)動機正常工作的前提下,通過該函數(shù)可以精確控制發(fā)動機溫度,提高燃油經(jīng)濟性,促進節(jié)能減排.

1 電子風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制函數(shù)的建立方法

發(fā)動機艙熱管理系統(tǒng)的兩個子系統(tǒng)是水循環(huán)和冷卻風(fēng)道,同時這也是冷卻傳熱的兩條基本路徑,其交匯點是散熱器,如圖1所示.冷卻水由水泵驅(qū)動進行強制循環(huán)流動,流經(jīng)發(fā)動機的缸套、缸蓋及氣門座等受熱部件的水套并吸熱,溫度升高;再流入散熱器,釋放所吸收的熱量,溫度下降到吸熱前的水平,然后回到水泵進口,形成冷卻水循環(huán)回路.冷卻空氣通過進氣格柵進入發(fā)動機艙,經(jīng)過冷凝器、散熱器和風(fēng)扇,帶走冷卻水的熱量,最終散發(fā)到外界環(huán)境中,形成空氣的冷卻風(fēng)道.

圖1 發(fā)動機艙熱管理系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of thermal management system

根據(jù)圖1進行熱管理系統(tǒng)冷卻傳熱理論分析可知:以散熱器標準散熱功率為核心,分別從水循環(huán)和冷卻風(fēng)道這兩條傳熱路徑推導(dǎo)出標準散熱功率的計算公式,理論上這兩條路徑的標準散熱功率應(yīng)相等.根據(jù)此相等關(guān)系即可由已知量(發(fā)動機發(fā)熱量、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、散熱器進水溫度、環(huán)境溫度、水流量),求得匹配冷卻風(fēng)扇的關(guān)鍵未知量(散熱器迎面風(fēng)速).

在上述熱管理系統(tǒng)散熱分析的基礎(chǔ)上,散熱器的標準散熱功率、冷卻水流量和迎面風(fēng)速有直接關(guān)系.進一步深入分析可知,冷卻水流量受水泵影響,而水泵是通過曲軸驅(qū)動與發(fā)動機相連,故水流量與發(fā)動機轉(zhuǎn)速存在函數(shù)關(guān)系.迎面風(fēng)速受車速、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和發(fā)動機艙零部件結(jié)構(gòu)及其布置的影響,在發(fā)動機艙零部件結(jié)構(gòu)及其布置確定的條件下,迎面風(fēng)速與車速、風(fēng)速轉(zhuǎn)速存在一個三元關(guān)系.聯(lián)立以上方程,最終可以建立一個以車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、散熱器進水溫度和環(huán)境溫度作為輸入,冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速作為輸出的熱管理系統(tǒng)控制函數(shù)組.

2 電子風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制函數(shù)的建立

以某型客車為例,整合相關(guān)實驗、資料數(shù)據(jù)和CFD仿真技術(shù),建立相匹配的冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制函數(shù).

2.1 發(fā)熱量與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的函數(shù)f1

根據(jù)該型客車發(fā)動機經(jīng)實驗測得的發(fā)熱量與轉(zhuǎn)速關(guān)系數(shù)據(jù),當發(fā)動機轉(zhuǎn)速在0～4 000 r/min之內(nèi),發(fā)動機的發(fā)熱量與發(fā)動機轉(zhuǎn)速近似成四次方關(guān)系.根據(jù)實驗數(shù)據(jù),利用最小二乘法擬合函數(shù)f1,其圖像如圖2所示,函數(shù)擬合的相關(guān)系數(shù)為0.991,發(fā)熱量與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的函數(shù)f1為

(1)

式中:Qe為發(fā)動機發(fā)熱量，kW;re為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，Kr/min.

圖2 發(fā)動機發(fā)熱量與發(fā)動機轉(zhuǎn)速關(guān)系Fig.2 Heat generation of engine vs. engine speed

2.2 散熱器標準散熱量的換算函數(shù)f2

根據(jù)《JB/T 2293—1978 汽車、拖拉機散熱器風(fēng)筒試驗方法》[10],散熱器的標準散熱量Qn的計算公式為

(2)

式中:Qn為水側(cè)標準散熱功率，kW;Qr為冷卻系統(tǒng)應(yīng)散發(fā)的散熱量，kW;Tw為散熱器的進水溫度，℃;Ta為環(huán)境溫度，℃.液-氣溫差(Tw-Ta)影響散熱器的實際散熱功率,其值越大,散熱器的實際散熱功率越大,冷卻水降溫越快.

2.3 散熱器標準散熱量與水流量、迎面風(fēng)速的函數(shù)f3

對于一個結(jié)構(gòu)形式和材料確定的散熱器來說,其標準散熱功率僅由冷卻水流量和迎面風(fēng)速唯一確定[11],可以通過散熱器臺架實驗獲得其相關(guān)數(shù)據(jù),圖3所示為散熱器標準散熱功率Qn與水流量q、迎面風(fēng)速vr的關(guān)系曲線.由圖3(a)可知,相同的迎面風(fēng)速下,標準散熱功率與水流量近似呈線性關(guān)系;由圖3(b)可知,相同的水流量下,標準散熱功率與迎面風(fēng)速近似成三次方關(guān)系.

圖3 散熱器的散熱性能曲線Fig.3 Cooling performance curve of radiator

散熱器的標準散熱功率與水流量、迎面風(fēng)速的關(guān)系可用四次多項式方程來表示,將實驗數(shù)據(jù)擬合出散熱器標準散熱功率Qn的計算表達式為(擬合的相關(guān)系數(shù)為0.922)

(3)

式中:q為冷卻水流量，(L·min-1);vr為迎面風(fēng)速，(m·s-1).

2.4 水流量與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的函數(shù)f4

由水泵性能實驗獲得水流量與水泵轉(zhuǎn)速的關(guān)系,由于水泵由發(fā)動機曲軸直接驅(qū)動,發(fā)動機轉(zhuǎn)速即為水泵轉(zhuǎn)速,當發(fā)動機轉(zhuǎn)速在0～4 000 r/min之內(nèi),水流量與發(fā)動機轉(zhuǎn)速近似呈線性關(guān)系.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可擬合函數(shù)f4的表達式為(擬合的相關(guān)系數(shù)為0.993)

(4)

式中:q為水流量(L/min);re為發(fā)動機轉(zhuǎn)速(kr/min).

2.5 迎面風(fēng)速與車速、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的函數(shù)f5

建立發(fā)動機艙熱管理系統(tǒng)的CFD仿真模型,如圖4所示,通過整車實驗驗證多種工況下模型有效.

圖4 發(fā)動機艙熱管理系統(tǒng)仿真Fig.4 Thermal management system of the underhood

設(shè)置多組車速(0～120 km/h)和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速(0～2 500 r/min)的不同組合,仿真獲得發(fā)動機艙內(nèi)的風(fēng)速場分布,并計算出散熱器迎風(fēng)面的平均風(fēng)速值.將獲得的數(shù)據(jù)按自變量不同分別作圖,得到迎面風(fēng)速與車速、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的趨勢線,如圖5所示.由圖5(a)可知,相同的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下,迎面風(fēng)速與車速近似呈線性關(guān)系;由圖5(b)可知,相同的車速下,迎面風(fēng)速與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速近似成二次方關(guān)系.

圖5 散熱器迎面風(fēng)速與車速、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖Fig.5 Relations between the face velocity of radiator with vehicle speed and fan speed

散熱器迎面風(fēng)速與車速、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的關(guān)系近似可用三次多項式曲面方程來表示,根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)點(vc,rf,vr),利用最小二乘法擬合出函數(shù)f5為(擬合的相關(guān)系數(shù)為0.994)

(5)

式中:vr為散熱器迎面風(fēng)速，(m/s);vc為車速，(km/h);rf為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，(Kr/min).

2.6 發(fā)動機艙熱平衡條件函數(shù)f0

根據(jù)發(fā)動機冷卻傳熱理論基礎(chǔ),發(fā)動機艙熱平衡條件為發(fā)動機發(fā)熱量等于散熱器實際散熱量,故函數(shù)f0表達式為

(6)

綜上所述,對于研究車型所匹配的冷卻風(fēng)扇,依據(jù)以散熱器標準散熱功率為核心的熱管理系統(tǒng)散熱匹配方法,建立了冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制函數(shù)組,如圖6所示.

圖6 冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制函數(shù)組Fig.6 Controlling function group of cooling fan speed

利用上述建立的冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制函數(shù),選取怠速(發(fā)動機空轉(zhuǎn),900 r/min)、最大扭矩點(1 800 r/min)、中間點(2 800 r/min)和最大功率點(3 450 r/min)4種工況下,分別計算在維持發(fā)動機艙內(nèi)溫度的平衡所需的冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速值,如表1所示.

表1 不同工況下理論所需的冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速值Tab.1 Calculated values of cooling fan speed under different conditions

從表1中可以看出,當預(yù)設(shè)散熱器進水溫度Tw為常值時:① 在同一種工況下,隨著車速的不斷提高,所需風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速值不斷降低,直到高速情況下,冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為零,提高了發(fā)動機熱效率,以達到節(jié)能減排的目標;② 隨著環(huán)境溫度的不斷提高,所需風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速值也不斷提高;③ 不同工況下,發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化也會導(dǎo)致風(fēng)扇轉(zhuǎn)速值的變化.

3 電子風(fēng)扇無級調(diào)速控制程序

本文針對電子風(fēng)扇無級調(diào)速的核心程序,即輸出不同工況下所需的冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速,從熱管理系統(tǒng)集成的角度,利用Microsoft Visual Studio C/C++語言編寫了程序,包含程序主函數(shù)、散熱器標準散熱量函數(shù)、散熱器迎面風(fēng)速計算函數(shù)和冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計算函數(shù).

無級調(diào)速控制程序的計算過程如圖7所示.如當輸入車速40 km/h、發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 800 r/min、散熱器進水溫度98 ℃和環(huán)境溫度35 ℃時,即可根據(jù)控制程序計算并輸出該工況下冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速為1 160 r/min.

圖7 風(fēng)扇無級調(diào)速控制程序框圖Fig.7 Flow diagram of the stepless speed control program of the electronic fan

4 結(jié)論

(1) 基于熱管理系統(tǒng)冷卻傳熱的理論分析,以冷卻風(fēng)扇為研究對象,結(jié)合相應(yīng)的實驗、資料數(shù)據(jù)和CFD仿真技術(shù),最終建立了以車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、散熱器進水溫度和環(huán)境溫度作為輸入,冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速作為輸出的熱管理系統(tǒng)控制函數(shù)組.最后,利用該控制函數(shù)計算了研究車型在怠速、最大扭矩點、中間點和最大功率點(發(fā)動機轉(zhuǎn)速分別為900,1 800,2 800和3 450 r/min)4種工況下,以不同擋位行駛時理論所需的冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速值,從而驗證了轉(zhuǎn)速控制函數(shù)的有效性.

(2) 基于冷卻風(fēng)扇的無級調(diào)速控制策略,利用C/C++語言編寫了控制程序,可實現(xiàn)冷卻風(fēng)扇的智能化控制,精確地控制發(fā)動機出水溫度,減少油耗,提高發(fā)動機燃油經(jīng)濟性,實現(xiàn)節(jié)能減排的目標.