基于中心組合設計的主動進氣格柵多開度控制模型的建立*

王文璽，吳存學,2，干能強，王 顯，李 旭，蔡渝東

(1.中國長安汽車工程研究院，重慶 401120； 2.重慶大學機械工程學院，重慶 400044)

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2015211

基于中心組合設計的主動進氣格柵多開度控制模型的建立*

王文璽1，吳存學1,2，干能強1，王 顯1，李 旭1，蔡渝東1

(1.中國長安汽車工程研究院，重慶 401120； 2.重慶大學機械工程學院，重慶 400044)

本文中對一種基于冷卻需求預測進行AGS多開度控制的新方法的研究。首先通過建立發(fā)動機艙熱管理模型，對發(fā)動機散熱和冷卻需求進行理論分析，提出能滿足冷卻系統(tǒng)對進風量的實時需求的格柵多開角度控制算法。接著，引入中心組合設計法設計標定方案并采用二次多項式回歸方程建立車速-格柵開度-風扇狀態(tài)的3因素風量預測模型。最后進行實車試驗。結果表明，該方法能實時滿足整車冷卻需求，優(yōu)化標定方案，有效降低汽車行駛阻力，提升燃油經濟性。

主動進氣格柵；中心組合設計；控制模型；燃油經濟性

前言

日益嚴峻的環(huán)境和能源問題使節(jié)能型汽車的產業(yè)化刻不容緩。2012年國務院發(fā)布的《國家節(jié)能與新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》明確要求到2015年乘用車平均百公里油耗降至6.9L，2020年達到5.0L。

主動進氣格柵(active grille system, AGS)是近年來一項新興的節(jié)油技術，它通過在行駛過程中合理控制前進氣格柵的開度，調節(jié)進入發(fā)動機艙冷卻風量，降低行駛過程中的內循環(huán)阻力，提升整車燃油經濟性。另外，主動進氣格柵系統(tǒng)還能改善發(fā)動機暖機過程中的排放，提升整車駕駛性能，已在國外中高端車型中應用，而國內自主品牌的應用目前仍處于空白。

文獻[1]中對格柵全開和全閉2種狀態(tài)下的汽車空氣動力學特性進行了研究，提出了一種2開度的格柵控制算法。文獻[2]中對3種格柵狀態(tài)下的發(fā)動機艙熱平衡性能和整車駕駛性進行了研究，設計了基于冷卻需求、溫度控制和熱保護的控制模型。文獻[3]中提出了一種基于溫度模型的格柵開度控制模型。文獻[4]中對不同溫度和發(fā)動機特性下BSFC的性能進行了試驗研究，用于AGS邊界條件的建立。國內目前尚未有對AGS控制模型研究的相關文獻報道。

本文中通過建立發(fā)動機艙熱管理模型，對發(fā)動機散熱和冷卻需求進行理論分析，引入中心組合設計法設計標定方案，并通過二次多項式回歸方程建立車速-格柵開度-風扇狀態(tài)的3因素風量預測模型和格柵開度Map圖，實現對AGS系統(tǒng)的多開度控制，在優(yōu)化匹配標定方案的同時，通過10種開啟角度對冷卻風量進行精確控制，提升了整車燃油經濟性。

1 不同AGS開度下的風阻優(yōu)化

汽車在行駛過程中，壓力阻力約占總行駛阻力的91%，壓力阻力由形狀阻力、干擾阻力、內循環(huán)阻力和誘導阻力組成。其中，氣流流經發(fā)動機艙內阻所造成的內循環(huán)阻力占整個行駛阻力的約9%[5]。通過減少進入發(fā)動機艙的冷卻風量，能夠明顯降低由冷卻系通道不規(guī)則、各類拐角和障礙使流動方向發(fā)生突變所導致的摩擦和動量損失[6]。

以普通乘用車為例，車速為90km/h時，克服行駛阻力所消耗的油耗約占總油耗的25%。車速從90加速到110km/h時，行駛阻力增加約40%，油耗增加約10%～15%[5]。

空氣阻力表達式為

FL=0.5ρCdAv2

(1)

式中：FL為空氣阻力；ρ為空氣密度；Cd為空氣阻力系數；A為最大橫截面積；v為車速。

空氣阻力功率為

PL=FLv

(2)

空氣阻力系數Cd計算公式為

(3)

式中：m為整備質量；a1和v1為t1時刻所對應的加速度和車速；a2和v2為t2時刻所對應的加速度和車速。

裝有AGS的長安某車型的實際滑行阻力曲線如圖1所示。

由圖可見：車速20-90km/h區(qū)間，AGS全閉狀態(tài)比全開狀態(tài)的平均滑行阻力低9.75N；車速90-120km/h區(qū)間，AGS全閉狀態(tài)比AGS全開狀態(tài)的平均滑行阻力低31.44N。

由式(2)計算可得出AGS全閉狀態(tài)相對全開狀態(tài)所降低的風阻功率，見圖2。由圖可見：在車速大于80km/h后，AGS關閉所降低的風阻功率明顯增大；車速為100km/h時，風阻功率約降低2 800W。

由式(3)計算可得出AGS在不同開度下對應的空氣阻力系數，見表1。

表1 不同AGS開度下風阻系數

對整車3D數據進行表面網格劃分后計算處理分析結果如圖3和圖4所示。由圖可見：在AGS全閉狀態(tài)下可明顯降低進入發(fā)動機艙內的冷卻風量和因紊流所產生的氣流阻力。

基于CAE分析計算結果可知，AGS全開時，風阻系數約為0.338，全閉時，風阻系數約為0.325，CAE分析結果與表1計算結果相當。

可見安裝AGS能降低汽車在行駛過程中(特別是中高速情況下)的行駛阻力，通過合理控制AGS的開度，可在滿足整車冷卻需求的條件下，提升整車燃油經濟性。

2 AGS多開度控制模型

傳統(tǒng)汽車前進氣格柵的開口面積(GOA)是基于滿足最惡劣工況下散熱需求對風量要求而設計的。實際工況下，過量的冷卻氣流動量損失反而會導致內循環(huán)阻力上升[7]，因此須對GOA進行控制。

2.1 散熱需求模型

發(fā)動機燃料燃燒放熱可分為4個部分:機械做功Pm、發(fā)動機散熱量Pe、排氣帶走熱量Pex和散熱損失余項Pr。

發(fā)動機能量守恒方程如下：

Qe=Pm+Pe+Pex+Pr

(4)

式中Qe為燃料燃燒釋放熱量。

(5)

式中：Mf為燃料質量；Hf為燃料熱值。

Pm=neTn/9550

(6)

式中：ne為發(fā)動機轉速；Tn為發(fā)動機輸出轉矩。

(7)

式中：p為氣缸數；D為氣缸直徑；S為活塞行程；α為修正系數。

Pex=Mexcex(Tex-in-Tex-out)

(8)

式中：Mex為排氣質量；cex為排氣比熱容；Tex-in和Tex-out分別為排氣進、出口溫度。

發(fā)動機散熱量Pe通過缸壁傳熱傳遞到發(fā)動機冷卻液中。考慮發(fā)動機的熱容，忽略發(fā)動機表面輻射和對流換熱的影響，建立熱傳遞方程。

dTe/dt=(Pe-Pc)/(Mece)

(9)

式中：Pc為冷卻液傳熱量；Te為發(fā)動機本體溫度；Me為發(fā)動機質量；ce為發(fā)動機比熱容。

2.2 冷卻需求模型

行駛中，發(fā)動機冷卻所需的空氣流量Qa由風扇和車速共同確定[9]：

(10)

式中：Qf為風扇提供的空氣流量；vra為流過散熱器的平均風速；Ar為氣流流過散熱器通過面積；Tr-in和Tr-out分別為散熱器進風側、出風側平均溫度；ρa為空氣密度；ca為空氣定壓比熱容。

Ar由AGS開度θa的二次擬合函數表示：

Ar=f(θa)

(11)

冷卻氣流阻力系數γ[10]為

(12)

式中：vD為車速；Cpe為出口壓力系數；σr為散熱器等價壓力損失系數；σb為冷卻水箱等價壓力損失系數；σc為冷凝器等價壓力損失系數；σf為散熱風扇等價壓力損失系數；σp為冷卻系管道等價壓力損失系數。

軸流式風扇流量Qf[11]為

(13)

式中：φ為流量系數；D1為輪轂直徑；D2為葉輪外徑；u為葉輪外圓周速度。

2.3 AGS系統(tǒng)模型

由式(9)可知，當發(fā)動機處于熱平衡狀態(tài)時，dTe/dt=0，Pe=Pc，即發(fā)動機散熱量與冷卻液散熱量相當。依據式(7)和式(10)～式(13)建立基于車速、發(fā)動機轉速、轉矩、散熱器進出風側溫度和風扇轉速的AGS開度控制模型。

θa=f(vD,ne,Te,Tr-in,Tr-out,u)

(14)

基于上述過程，采用Simulink建立了AGS多開度控制系統(tǒng)模型，如圖5和圖6所示。其中，對AGS開度控制的模型如圖7所示。

對AGS開度的控制模型由2部分組成：MultiPos_cal用于計算壓縮機不工作時，滿足冷卻需求所需的格柵開度；Veh_AeroDynamic_cal用于計算當車速大于V_critical且壓縮機工作時，風阻功率增益最大化所對應的格柵開度。

3 基于中心組合的開度Map圖標定

3.1 標定方案與設計

在MultiPos_cal和Veh_AeroDynamic_cal模型中均須建立與車速vD、PWM風扇狀態(tài)ns(100為全開，0為停止)和格柵開度θa對應的空氣流量Qa的Map圖(LUT_AirFlow)，以用于AGS開度控制模型計算。

其中，vD標定范圍為0～200km/h，間隔10km/h，共21個標定點；ns標定范圍為0～100%，間隔20%，共6個標定點；θa標定范圍為0～100%，間隔10%，共11個標定點。采用傳統(tǒng)標定方法共需進行1 386組標定試驗。本文中通過引入中心組合設計(CCD)方法[12]進行試驗設計，通過二次多項式回歸方程建立車速-格柵開度-風扇狀態(tài)的3因素風量預測模型，實現格柵開度Map圖的標定。

以車速X1、風扇狀態(tài)X2和格柵開度X3為試驗因素，采用Design Expert8.0進行二次回歸中心組合試驗設計，各因素及水平的試驗設計見表2。標定方案及試驗結果見表3。

表2 風量因素水平編碼表

3.2 回歸模型和結果分析

對試驗數據進行多項回歸擬合，建立基于車速、風扇狀態(tài)和格柵開度的風量預測回歸方程：

Y′= 0.48+0.2366X1+0.1511X2+0.0925X3+

(15)

對回歸模型方程進行方差分析，F值為42.8，P值<0.000 1，表明自變量與因變量間有極顯著的相關關系，擬合水平良好；對預測模型的擬合度進行檢驗，回歸判定系數R2達到96.289%，體現出回歸模型方程與試驗數據整體符合程度較高，表明該模型可用于AGS的冷卻風量預測。

模型中各因素對風量的影響如圖8所示。空氣流量隨車速、風扇速度和格柵開度的增加而增大，由圖8(a)和圖8(b)分析可知，車速對空氣流量影響顯著，在AGS開度控制模型中應優(yōu)先考慮利用車速滿足發(fā)動機艙的冷卻風量需求。由圖8(c)分析可知，在車速較低時，格柵開度對空氣流量影響顯著，在AGS開度控制模型中當車速低于V_critical時，應優(yōu)先采用格柵開啟角度滿足冷卻風量需求。

表3 試驗設計及結果

4 AGS試驗數據分析

基于上述方法，建立AGS多開度控制模型及格柵開度Map圖，完成AGS系統(tǒng)軟硬件開發(fā)后，開展AGS實車性能試驗，AGS系統(tǒng)實車裝配圖如圖9所示。

AGS系統(tǒng)應當滿足在極限工況下(坡度10%，溫度35℃，車速70和120km/h)整車的熱管理性能設計標準，同時應提升典型工況下(NEDC)的整車燃油經濟性。AGS功能禁止(格柵始終全開)和開啟(控制模型正常工作)時熱性能試驗結果的對比如圖10和圖11所示。

由圖10可見，在極限工況下，AGS功能開啟后，散熱器進出水溫均高于AGS禁止時的水溫，平均溫度升高1.23℃。發(fā)動機艙其它溫度見表4。AGS開啟后，由于冷卻風量的控制，會導致發(fā)動機艙各部件的溫度整體有所上升，其中對于蓄電池的溫度影響較為明顯，應充分考慮溫度升高后對蓄電池充放電性能的影響，對發(fā)電機的輸出電壓進行電源管理，但總體來看，冷卻液和各部件的溫度均處于設計要求的最高工作溫度范圍內。

由圖11可見，AGS禁止時，不同車速下恒定的冷卻流量為0.53m3/s，AGS開啟后，平均冷卻流量為0.27m3/s，約降低49%，效果明顯。

AGS禁止與開啟的經濟性能試驗數據對比如圖12所示。由圖可見，AGS開啟后，整車滑行阻力降低，燃油的經濟性明顯提升，在NEDC工況下，實測節(jié)油效果約0.1L。

表4 發(fā)動機艙部件最高溫度 ℃

5 結論

(1) 提出一種基于冷卻需求預測進行AGS多開度控制的新方法，建立了整車散熱-冷卻需求模型和AGS多開度控制模型。對AGS可能影響到的熱管理性能和經濟性進行試驗驗證分析。結果表明，本文設計的AGS多開度控制方法能夠滿足整車熱管理性能設計標準，在極限工況下冷卻流量優(yōu)化約49%，典型工況下節(jié)油效果約0.1L。該方法可用于對AGS的閉環(huán)實時控制，有效提升汽車燃油經濟性。

(2) 通過引入中央組合設計方法實現對AGS多開度控制Map圖的標定，建立了冷卻需求預測模型及車速-開度-風扇狀態(tài)-風量響應曲面，對顯著影響冷卻風量的因素進行了理論分析。模型擬合精度較高，結果表明，該方法可用于準確預測冷卻需求并改善AGS匹配標定方案。

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Modeling of Multi-opening Control for Active InductionGrille Based on Central Composite Design

Wang Wenxi1, Wu Cunxue1,2, Gan Nengqiang1, Wang Xian1, Li Xu1& Cai Yudong1

1.AutomobileEngineeringInstituteofChanganAutomobileCo.,Ltd.,Chongqing401120;2.CollegeofMechanicalEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044

A new method for multi-opening control of active grille system is studied in this paper based on cooling requirements prediction. Firstly a model for the thermal management of engine compartment is built to theoretically analyze the dissipation and cooling requirements of engine and an algorithm for the multi-opening control of grille, meeting the requirements of cooling system on induction air quantity is proposed. Then the central composite design method is introduced to design calibration scheme and an air quantity prediction model with three factors of vehicle speed, grille opening and fan status is set up by using quadratic polynomial regression equation. Finally real vehicle tests are conducted and the results show that the method proposed can meet the cooling requirements of vehicle in real time, optimize the calibration scheme, effectively reduce the driving resistances and enhance the fuel economy of vehicle.

active induction grille; central composite design; control model; fuel economy

*國家863計劃項目(2012AA111902)和重慶市應用開發(fā)技術項目(cstc2013yykfC60001)資助。

原稿收到日期為2014年3月24日，修改稿收到日期為2014年6月30日。