基于節(jié)能的重型商用車風(fēng)扇精確控制策略研究

張文博，楊志剛，辛乾

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基于節(jié)能的重型商用車風(fēng)扇精確控制策略研究

張文博，楊志剛，辛乾

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

隨著市場對車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的要求不斷提升，降低發(fā)動機(jī)附件功耗變得越來越重要。而風(fēng)扇作為發(fā)動機(jī)主要能耗附件，優(yōu)化其控制策略對降低發(fā)動機(jī)附件功耗從而降低車輛油耗有積極意義；同時對風(fēng)扇的精確控制影響車輛整體冷卻性能表現(xiàn)。

燃油經(jīng)濟(jì)性；風(fēng)扇控制

前言

隨著我國物流業(yè)的飛速發(fā)展，物流市場日趨繁榮，客戶對運輸車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的要求也日益提高。減小發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)耗功原件的功率損耗也越來越得到人們的重視，風(fēng)扇作為冷卻系統(tǒng)的主要耗功件，對其進(jìn)行精確控制顯得相當(dāng)重要[1]。同時風(fēng)扇的控制策略直接影響發(fā)動機(jī)的實際工作溫度，從而對發(fā)動機(jī)熱效率產(chǎn)生一定影響[2-3]。

而目前普遍配套的電控硅油離合器風(fēng)扇相比電磁離合器風(fēng)扇可控性更強(qiáng)，這就對控制策略的準(zhǔn)確性和合理性提出更高要求。

1 相關(guān)整車性能

風(fēng)扇控制策略除直接影響車輛經(jīng)濟(jì)性外，還影響以下整車性能，需在控制策略制訂時充分考慮：

1.1 可靠性

風(fēng)扇控制策略直接影響冷卻系統(tǒng)工作可靠性，進(jìn)而影響整車可靠性。

1.2 噪聲水平

在進(jìn)行車外噪聲試驗時，風(fēng)扇噪聲占較大比重，故風(fēng)扇的設(shè)計及控制策略的制訂對噪聲水平有一定影響。

1.3 安全性

對于加裝緩速器車型，緩速器要求冷卻系統(tǒng)能夠長時間穩(wěn)定的工作，否則將會導(dǎo)致緩速器自我保護(hù)而降低制動力矩，從而影響整車安全性。

2 控制邏輯

電控硅油離合器冷卻系統(tǒng)是一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其主要組成見下圖：

圖1 電控硅油離合器風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)簡圖

控制器是電控硅油離合器冷卻系統(tǒng)的中樞，控制和協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)?？刂破鞯幕驹硎菍鞲衅鞑杉降陌l(fā)動機(jī)水溫、中冷器氣溫、空調(diào)制冷劑壓力、緩速器開關(guān)量、發(fā)動機(jī)負(fù)荷、車速、發(fā)動機(jī)制動狀態(tài)、環(huán)境溫度和大氣壓力信號進(jìn)行綜合分析后，發(fā)出指令控制電控總成的線圈通斷電，進(jìn)而控制電控硅油離合器耦合程度并控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

2.1 控制邏輯說明

風(fēng)扇控制主要包含風(fēng)扇轉(zhuǎn)速需求計算模塊及控制驅(qū)動模塊兩大部分，分別介紹如下：

2.1.1 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速需求計算模塊

風(fēng)扇轉(zhuǎn)速需求計算需綜合考慮以下因素：

（1）發(fā)動機(jī)制動

當(dāng)激活發(fā)動機(jī)制動時，風(fēng)扇按預(yù)先標(biāo)定的轉(zhuǎn)速運行，從而增加發(fā)動機(jī)制動的阻力功率。為增加制動效果，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速按理論最高轉(zhuǎn)速標(biāo)定（即發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速×風(fēng)扇速比）。

（2）發(fā)動機(jī)負(fù)荷

當(dāng)發(fā)動機(jī)負(fù)載大于高負(fù)載閾值（暫定80%），且車速小于最低車速閾值（低于30km/h觸發(fā)，高于35km/h退出）時，認(rèn)為車輛當(dāng)前運行工況苛刻，冷卻系統(tǒng)需提供很大的散熱量，此時需求風(fēng)扇按最高轉(zhuǎn)速工作，即將基于負(fù)載率的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速設(shè)定為風(fēng)扇理論最高轉(zhuǎn)速（即發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速×風(fēng)扇速比）。

（3）冷卻液溫度

隨著海拔升高，大氣壓力下降，空氣密度下降，對冷卻風(fēng)扇的體積流量產(chǎn)生負(fù)面影響，為平衡該影響，在確定由冷卻液溫度決定的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速時，對根據(jù)溫度-轉(zhuǎn)速曲線獲得的需求轉(zhuǎn)速乘以一個與環(huán)境氣壓相關(guān)的修正系數(shù)。

根據(jù)KULI仿真計算結(jié)果，推薦的修正系數(shù)如下：

表1 大氣壓力-轉(zhuǎn)速修正系數(shù)

由于風(fēng)扇轉(zhuǎn)速需求與環(huán)境溫度密切相關(guān)，為減少風(fēng)扇功耗，按照常溫狀態(tài)（<25℃觸發(fā)）及高溫狀態(tài)（≥28℃觸發(fā)）分別制定風(fēng)扇轉(zhuǎn)速需求。對于某車型，制定的冷卻液溫度-風(fēng)扇轉(zhuǎn)速曲線見下表：

表2 冷卻液溫度-風(fēng)扇轉(zhuǎn)速

上表中環(huán)境溫度小于25℃的曲線按環(huán)境溫度28℃設(shè)置，環(huán)境溫度大于28℃的曲線按環(huán)境溫度40℃設(shè)置。WP13節(jié)溫器初開溫度為83℃，全開為92℃，故在高溫環(huán)境下風(fēng)扇與節(jié)溫器基本同步開啟。當(dāng)處于常溫狀態(tài)時，可將開啟溫度推遲2℃。這樣可適當(dāng)提高發(fā)動機(jī)運行時的冷卻液平均溫度，對發(fā)動機(jī)燃油消耗率表現(xiàn)帶來有利影響。

（4）進(jìn)氣溫度(中冷后溫度)

不同的進(jìn)氣溫度需求不同的最低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，中冷器溫升滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，一般要求在40℃環(huán)境下溫升不大于30℃。

表3 進(jìn)氣溫度-風(fēng)扇轉(zhuǎn)速

同時，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速器的設(shè)定還應(yīng)該考慮空調(diào)開啟時冷凝器的散熱需求，以及緩速器開啟時冷卻液溫度控制的需求。

不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對應(yīng)不同的風(fēng)扇最低、最高轉(zhuǎn)速，計算出的轉(zhuǎn)速需求應(yīng)修正為在此轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。基于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的風(fēng)扇最低、最高轉(zhuǎn)速限值需通過試驗獲得。

此外對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速傳感器故障時應(yīng)按風(fēng)扇100%轉(zhuǎn)速輸出轉(zhuǎn)速需求，避免冷卻液溫度過高。

2.1.2 風(fēng)扇控制模塊

目前普遍采用的是以風(fēng)扇轉(zhuǎn)速設(shè)定值及其與當(dāng)前轉(zhuǎn)速的偏差為輸入，以PWM信號為輸出的閉環(huán)PID控制方法。

電控硅油風(fēng)扇離合器電控部分示意圖如圖下：

電控硅油離合器是依靠硅油高粘度特性傳遞扭矩的裝置，通過控制閥片與進(jìn)油孔的相對位置調(diào)整進(jìn)油孔的開閉，從而控制硅油的流動路線，實現(xiàn)對電控硅油離合器分離或耦合的控制，同時在電控總成上安裝有測速傳感器，可以實時監(jiān)測風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

圖2 電控硅油風(fēng)扇離合器電控部分示意圖

圖3 電控硅油風(fēng)扇離合器電控部分示意圖

風(fēng)扇控制模塊中包含一個典型PID控制器所包含的比例、積分和微分模塊，三者的數(shù)值與風(fēng)扇前饋值相加作為PWM輸出信號。當(dāng)檢測到風(fēng)扇轉(zhuǎn)速傳感器故障時，三個控制模塊的輸出均會切換為0%；最終輸出的占空比由前饋值決定，該值處于0%~100%之間。

為了適應(yīng)快速調(diào)節(jié)的需求，上圖還包括一個參數(shù)設(shè)置模塊，對控制器的Kp、Ki參數(shù)進(jìn)行了分組設(shè)計，實現(xiàn)了控制參數(shù)的在線整定，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性。

4 結(jié)論

本文對冷卻風(fēng)扇的輸入?yún)?shù)進(jìn)行了梳理，新增了環(huán)境溫度、大氣壓力作為控制參數(shù)，并制定相應(yīng)的控制策略，在降低風(fēng)扇功耗的同時提升了車輛冷卻系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。預(yù)計可實現(xiàn)節(jié)油1%~2%。

[1] G,Gantore,F.Paltrinieri,F.Perini,et al.A Lumped Parameter Approach for Simulation of ICE Cooling Systems [C].SAE Paper 2009-01- 2760.

[2] 盧廣峰,郭新民,孫運柱.汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].農(nóng)機(jī)化研究,2002（2）:129:131.

[3] 楊小強(qiáng),蔡立艮,趙立強(qiáng).熱管理技術(shù)在工程車輛中的應(yīng)用研究[J].中國工程機(jī)械學(xué)報,2006,4（1）:61-63.

Research on Accurate Control Strategy of Heavy Duty Commercial Vehicle Fan Based on Energy Saving

Zhang Wenbo, Yang Zhigang, Xin Qian

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

As the market demand for fuel economy of vehicles continues to increase, reducing engine accessory power consumption is becoming increasingly important.The fan is the main energy consumption component of the engine. Optimizing the fan control strategy has a positive effect on reducing the engine accessory power consumption and the fuel consumption, at the same time, the precise control of the fan effects the overall cooling performance of the vehicle.

fuel economy; fan control

A

1671-7988(2018)18-219-03

U462

A

1671-7988(2018)18-219-03

CLC NO.: U462

張文博，男，碩士研究生，主要研究方向為車輛燃油經(jīng)濟(jì)性。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.074