基于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻需求的熱管理控制模型研究

江武,林承伯,占文鋒,韋靜思

(廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院,廣東 廣州 511434)

隨著國(guó)六排放法規(guī)和第五階段油耗法規(guī)的施行,提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率和降低排放變得愈加重要。傳統(tǒng)上,發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)主要采用機(jī)械水泵和節(jié)溫器,通過(guò)蠟包感應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度實(shí)現(xiàn)節(jié)溫器開(kāi)度的變化,該方式只能粗略調(diào)節(jié)大小循環(huán)。

隨著電氣化冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用及混動(dòng)專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā),電子水泵逐漸替代機(jī)械水泵,實(shí)現(xiàn)電子水泵與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的解耦[1],溫控模塊替代傳統(tǒng)節(jié)溫器,開(kāi)度可根據(jù)控制策略自由調(diào)節(jié)。胡攀等[2]研究了電子水泵在混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用,研究結(jié)果顯示,電子水泵有助于縮短暖機(jī)時(shí)間、降低摩擦損失以及精確控制水溫。Samuel Wilson等[3]對(duì)不同的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行研究,結(jié)果顯示電子水泵加電子溫控閥的冷卻系統(tǒng)具有更好的溫度調(diào)節(jié)效果。Castiglione等[4]基于模型預(yù)測(cè)控制方法在快速暖機(jī)階段對(duì)電子水泵進(jìn)行控制,研究結(jié)果表明,與傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)相比,可有效縮短暖機(jī)時(shí)間和減少冷卻液流量。綜上所述,電子水泵和電子溫控閥有助于精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)水溫。

此外,整車(chē)主機(jī)廠熱管理系統(tǒng)控制主要采用MAP前饋和PID反饋調(diào)節(jié),存在溫度振蕩大、水溫控制遲滯等問(wèn)題,且控制變量多,需耗費(fèi)大量時(shí)間來(lái)標(biāo)定,尤其是電子水泵和溫控模塊的加入,使得整個(gè)熱管理系統(tǒng)的標(biāo)定變得更加復(fù)雜。Hoon Lee等[5]采用滑模控制算法對(duì)溫控模塊進(jìn)行控制,研究結(jié)果表明,在發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度可穩(wěn)定跟隨目標(biāo)水溫。A. Y. Karnik等[6]采用模型預(yù)測(cè)控制方法對(duì)電子水泵和溫控閥進(jìn)行控制,研究結(jié)果表明,模型預(yù)測(cè)控制可精確對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行控制。

本研究針對(duì)電氣化冷卻系統(tǒng)的熱管理復(fù)雜問(wèn)題,以某2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)為研究對(duì)象,基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù),搭建發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理模型并與整車(chē)模型耦合成整車(chē)熱管理模型,結(jié)合電氣化冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn),搭建基于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻需求的主動(dòng)熱管理控制模型,分析電子水泵和溫控模塊在WLTC循環(huán)工況和RDE循環(huán)工況的收益。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)及模型搭建

本研究中冷卻系統(tǒng)由電子水泵、缸體、缸蓋、機(jī)油冷卻器、暖風(fēng)、溫控模塊、散熱器、電子風(fēng)扇及膨脹水箱組成,冷卻系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。缸體、缸蓋采用分流冷卻,并可單獨(dú)通過(guò)溫控模塊控制流量分布;電子水泵、溫控模塊及電子風(fēng)扇均通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理控制模塊進(jìn)行精確控制;此外,在缸蓋進(jìn)水口、缸蓋出水口及缸體水套中安裝有溫度傳感器。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 電子水泵的計(jì)算及選型

在設(shè)計(jì)階段,根據(jù)冷卻系統(tǒng)架構(gòu)圖及各部件壓損數(shù)據(jù)搭建冷卻系統(tǒng)一維仿真模型,結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定工況的冷卻需求,計(jì)算得到電子水泵的性能,標(biāo)定工況下不能低于10 m@105 L/min[7-8]。

根據(jù)式(1)可計(jì)算得到電子水泵功率,約為381 W,因此選配市場(chǎng)上450 W電子水泵,其參數(shù)如表1所示。

(1)

式中:P為電子水泵功率;Q為電子水泵流量;H為電子水泵揚(yáng)程;ρ為冷卻液密度;g為重力加速度;η為電子水泵效率,本研究中η=45%。

表1 電子水泵參數(shù)

1.2 溫控模塊

溫控模塊是通過(guò)電機(jī)調(diào)節(jié)球閥開(kāi)度,能夠自由對(duì)缸體(block)、散熱器(radiator)和旁通(bypass)的流量進(jìn)行主動(dòng)分配。本研究冷卻系統(tǒng)所采用的溫控模塊為二進(jìn)二出:進(jìn)口分別連接缸蓋出口和缸體出口,缸蓋出口采用常通方式,缸體出口通過(guò)球閥開(kāi)度控制;出口分別連接散熱器和旁通管道。溫控模塊流通特性如圖2所示。在溫控模塊球閥開(kāi)度第一階段,缸體出口球閥關(guān)閉,加熱缸體使之迅速升溫,通過(guò)控制旁通開(kāi)度來(lái)控制系統(tǒng)壓損和流量,實(shí)現(xiàn)快速暖機(jī)的功能;在溫控模塊球閥開(kāi)度第二階段,缸體出口球閥逐漸打開(kāi),此時(shí)大循環(huán)仍然關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)缸體缸蓋分流冷卻的功能;在溫控模塊球閥開(kāi)度第三階段,小循環(huán)逐漸關(guān)閉,大循環(huán)逐漸打開(kāi)至最大,通過(guò)散熱器降低冷卻系統(tǒng)溫度,實(shí)現(xiàn)按需冷卻的功能。

圖2 溫控模塊流通特性

1.3 GT-Suite仿真模型的搭建

利用GT-Suite仿真平臺(tái),分別建立冷卻系統(tǒng)模型、機(jī)體熱模型、潤(rùn)滑系統(tǒng)模型以及摩擦計(jì)算模型,并通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)各個(gè)模型進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定完成后將各個(gè)子系統(tǒng)模型集成,耦合成發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理模型。

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與自主研發(fā)的混動(dòng)專(zhuān)用變速器GMC搭載于整車(chē)。采用GT-Suite仿真平臺(tái)搭建整車(chē)模型,與發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理模型耦合成整車(chē)熱管理模型。

2 整車(chē)熱管理系統(tǒng)控制模型的搭建

利用Simulink搭建整車(chē)熱管理系統(tǒng)控制模型,模型分為兩大部分:物理狀態(tài)模型和控制模型。物理狀態(tài)模型主要是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)各狀態(tài)量進(jìn)行計(jì)算,包括流量、溫度及換熱量等,提供給控制模型,用于對(duì)電子水泵、溫控模塊及電子風(fēng)扇的進(jìn)一步控制。

2.1 Simulink物理狀態(tài)模型搭建

Simulink物理狀態(tài)模型包括冷卻系統(tǒng)流量分布計(jì)算、潤(rùn)滑系統(tǒng)流量分布計(jì)算及缸體缸蓋、機(jī)油冷卻器換熱計(jì)算,如圖3所示。

圖3 Simulink物理狀態(tài)模型

1) 冷卻系統(tǒng)流量分布計(jì)算

利用GT-Suite冷卻系統(tǒng)模型計(jì)算冷卻系統(tǒng)中缸體、缸蓋、機(jī)油冷卻器、小循環(huán)旁通及大循環(huán)散熱器的冷卻液流量,并制成MAP圖表。發(fā)動(dòng)機(jī)水溫分別取25,60,95,115 ℃,電子水泵轉(zhuǎn)速分別取660,2 200,3 850,5 500 r/min,溫控模塊球閥開(kāi)度為0～100%,間隔5%逐漸遞增。當(dāng)輸入電子水泵轉(zhuǎn)速、溫控模塊開(kāi)度及發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度時(shí),即可查表插值得到各部分冷卻液流量,用于缸體、缸蓋及機(jī)油冷卻器等的換熱量計(jì)算。

2) 潤(rùn)滑系統(tǒng)流量分布計(jì)算

利用GT-Suite潤(rùn)滑系統(tǒng)模型計(jì)算不同轉(zhuǎn)速、負(fù)荷下機(jī)油冷卻器流量、活塞冷卻噴嘴流量以及主軸承泄漏流量,并制成MAP圖表。發(fā)動(dòng)機(jī)油溫控制在0～140 ℃,間隔10 ℃逐漸遞增。當(dāng)輸入發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷以及主油道溫度時(shí),即可查表插值得到相應(yīng)部分的機(jī)油流量,用于對(duì)機(jī)油冷卻器、活塞、缸體機(jī)油換熱量的計(jì)算。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生高溫氣體,熱量傳遞到缸蓋燃燒室和集成排氣歧管,冷卻液流經(jīng)缸蓋水套,帶走缸蓋中的熱量。缸蓋傳熱計(jì)算主要公式如下:

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

4) 缸體及活塞換熱計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生高溫氣體,熱量傳遞到缸套和活塞頂面,活塞裙部與缸套相互接觸,傳遞熱量;同時(shí),活塞冷卻噴嘴噴出機(jī)油冷卻活塞,帶走活塞中的熱量,冷卻液流經(jīng)缸體水套,帶走缸體中的熱量。缸體及活塞傳熱計(jì)算涉及的公式與缸蓋傳熱計(jì)算公式基本一致,此處不再列出。

5) 機(jī)油冷卻器換熱計(jì)算

機(jī)油冷卻器主要是冷卻液與機(jī)油通過(guò)翅片進(jìn)行換熱,機(jī)油冷卻器換熱計(jì)算公式如下:

(8)

(9)

ΔTin=Toil,out-TCo,in,

ΔTout=Toil,in-TCo,out;

(10)

(11)

2.2 Simulink物理狀態(tài)模型結(jié)果對(duì)比

2.2.1 流量結(jié)果對(duì)比

可能性的崩潰使攝影成為說(shuō)謊者。機(jī)械所觀察到的并非事物在生活中真實(shí)的樣子，他認(rèn)為，攝影是人造的、虛假的，而藝術(shù)，比如雕塑才更加遵循事物本身的樣子——一種時(shí)間與動(dòng)作的延續(xù)。羅丹還說(shuō)，即使不用這些詞語(yǔ)，雕塑也是牛頓式存在的象征——連續(xù)的和理性的，而攝影的中斷對(duì)他而言是陌生的。

基于2.1節(jié)計(jì)算公式,對(duì)Simulink物理狀態(tài)模型進(jìn)行計(jì)算,分別對(duì)GT-Suite和Simulink模型中缸蓋、缸體和機(jī)油冷卻器計(jì)算流量進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖4至圖6所示。由圖可見(jiàn),GT-Suite整車(chē)熱管理模型與Simulink物理狀態(tài)模型計(jì)算得到的各部分冷卻液流量基本一致,可用于控制模型。

圖4 缸蓋流量對(duì)比

圖5 缸體流量對(duì)比

圖6 機(jī)油冷卻器流量對(duì)比

2.2.2 溫度結(jié)果對(duì)比

基于2.1節(jié)計(jì)算公式及流量結(jié)果,對(duì)Simulink物理狀態(tài)模型進(jìn)行計(jì)算,分別對(duì)比GT-Suite和Simulink模型中缸體缸間溫度、缸蓋鼻梁區(qū)溫度以及機(jī)油冷卻器出口水溫,如圖7至圖9所示。計(jì)算結(jié)果顯示,GT-Suite整車(chē)熱管理模型與Simulink物理狀態(tài)模型計(jì)算得到的各部位溫度基本一致,可用于控制模型。

圖7 缸體缸間溫度對(duì)比

圖8 缸蓋鼻梁區(qū)溫度對(duì)比

圖9 機(jī)油冷卻器出口水溫對(duì)比

2.3 Simulink控制模型搭建

通過(guò)物理狀態(tài)模型計(jì)算得到的各部件壁面溫度、換熱量可進(jìn)一步計(jì)算得到各部件需求冷卻液流量、需求換熱量,并基于當(dāng)前模式及缸蓋缸體冷卻液需求量比值計(jì)算得到新的溫控模塊開(kāi)度,進(jìn)一步調(diào)整電子水泵轉(zhuǎn)速以滿(mǎn)足系統(tǒng)冷卻需求,如圖10所示。

圖10 冷卻系統(tǒng)控制模型

1) 各部件需求冷卻液流量及換熱量計(jì)算

通過(guò)物理狀態(tài)模型計(jì)算得到的發(fā)動(dòng)機(jī)各部件進(jìn)出水溫度、壁面溫度及換熱量,以發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架外特性試驗(yàn)的壁面溫度為限值及臺(tái)架標(biāo)定的最優(yōu)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度為目標(biāo),計(jì)算該工況下各部件需求冷卻液流量及換熱量。

各部件需求冷卻液流量計(jì)算公式如下:

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

2) 溫控模塊開(kāi)度和電子水泵轉(zhuǎn)速計(jì)算

由圖2溫控模塊流通特性,可得到在不同轉(zhuǎn)速下溫控模塊球閥開(kāi)啟流量特性,根據(jù)當(dāng)前的工作模式以及缸蓋缸體需求流量的比值,查詢(xún)溫控模塊球閥開(kāi)度與缸蓋缸體流量比關(guān)系即可計(jì)算得到溫控模塊球閥開(kāi)度。

基于計(jì)算得到的溫控模塊開(kāi)度,為滿(mǎn)足各部件的冷卻需求,按比例增大或減小電子水泵轉(zhuǎn)速,以達(dá)到精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻需求的目的。

3 控制模型應(yīng)用

將搭建的GT-Suite整車(chē)熱管理模型和Simulink控制模型耦合計(jì)算,如圖11所示。利用模型在環(huán)的方式驗(yàn)證該控制模型的可行性,并針對(duì) “電子水泵+溫控模塊”和“機(jī)械水泵+溫控模塊” 兩種方案在WLTC和RDE循環(huán)工況進(jìn)行對(duì)比分析。

圖11 GT-Suite與Simulink耦合計(jì)算

3.1 WLTC循環(huán)工況分析

針對(duì)“電子水泵+溫控模塊”和“機(jī)械水泵+溫控模塊”技術(shù)方案分別計(jì)算WLTC循環(huán)工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水泵轉(zhuǎn)速、溫控模塊開(kāi)度、缸體缸蓋出水溫度,結(jié)果如圖12至圖16所示。由于機(jī)械水泵與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸機(jī)械連接,因此機(jī)械水泵轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)固定速比關(guān)系,而電子水泵與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)解耦,電子水泵轉(zhuǎn)速可自由控制。由圖13可知,在WLTC循環(huán)工況中,電子水泵轉(zhuǎn)速均低于機(jī)械水泵轉(zhuǎn)速,在前200 s,電子水泵關(guān)閉實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)零流量,使得缸蓋溫度上升更快;此外,由于“機(jī)械水泵+溫控模塊”技術(shù)方案只能通過(guò)溫度傳感器感知發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度,從而對(duì)溫控模塊開(kāi)度進(jìn)行PID控制來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度接近目標(biāo)出水溫度,因此溫控模塊開(kāi)度調(diào)節(jié)波動(dòng)較大;而“電子水泵+溫控模塊”技術(shù)方案采用上述的熱管理控制策略,可根據(jù)缸體缸蓋的冷卻需求計(jì)算得到溫控模塊開(kāi)度,通過(guò)對(duì)電子水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度接近目標(biāo)出水溫度。

電子水泵和機(jī)械水泵功耗如圖17所示,在WLTC循環(huán)工況下,機(jī)械水泵平均功耗為16.6 W,而電子水泵平均功耗為2.8 W,油耗降低約0.2%。

圖12 WLTC循環(huán)工況發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化

圖14 WLTC循環(huán)工況溫控模塊開(kāi)度變化

圖15 WLTC循環(huán)工況缸體出水溫度變化

圖16 WLTC循環(huán)工況缸蓋出水溫度變化

圖17 WLTC循環(huán)工況水泵功耗變化

3.2 RDE循環(huán)工況分析

另針對(duì)RDE循環(huán)工況進(jìn)行計(jì)算,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水泵轉(zhuǎn)速、溫控模塊開(kāi)度、缸體缸蓋出水溫度變化情況見(jiàn)圖18至圖22。由于RDE循環(huán)工況車(chē)速變化劇烈,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也變化劇烈。“機(jī)械水泵+溫控模塊”技術(shù)方案中,機(jī)械水泵轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于電子水泵轉(zhuǎn)速,與此同時(shí),溫控模塊開(kāi)度也變化劇烈,從溫控模塊壽命角度考慮,“電子水泵+溫控模塊”技術(shù)方案采用上述熱管理控制策略,可明顯提高溫控模塊壽命。從圖21和圖22缸體、缸蓋出水溫度變化可知,在RDE循環(huán)工況中,“電子水泵+溫控模塊”可減小發(fā)動(dòng)機(jī)水溫振蕩。

圖18 RDE循環(huán)工況發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化

圖19 RDE循環(huán)工況水泵轉(zhuǎn)速變化

圖20 RDE循環(huán)工況溫控模塊開(kāi)度變化

圖21 RDE循環(huán)工況缸體出水溫度變化

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)電氣化冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn),利用Simulink搭建發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)物理模型和控制模型,通過(guò)對(duì)冷卻系統(tǒng)物理狀態(tài)計(jì)算,可根據(jù)缸蓋鼻梁區(qū)溫度、缸體缸間溫度及出水溫度等參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻需求進(jìn)行精確控制,同時(shí)減少對(duì)電子水泵和溫控模塊的標(biāo)定工作。利用模型在環(huán)的方式可驗(yàn)證不同冷卻系統(tǒng)配置方案的節(jié)油率以及控制策略的優(yōu)化,可減少試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié),提高冷卻系統(tǒng)以及整車(chē)的開(kāi)發(fā)進(jìn)度。