基于發動機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

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院,廣東 廣州 511434)

隨著國六排放法規和第五階段油耗法規的施行,提高發動機效率和降低排放變得愈加重要。傳統上,發動機熱管理系統主要采用機械水泵和節溫器,通過蠟包感應發動機出水溫度實現節溫器開度的變化,該方式只能粗略調節大小循環。

隨著電氣化冷卻系統的應用及混動專用發動機的開發,電子水泵逐漸替代機械水泵,實現電子水泵與發動機轉速的解耦[1],溫控模塊替代傳統節溫器,開度可根據控制策略自由調節。胡攀等[2]研究了電子水泵在混合動力發動機上的應用,研究結果顯示,電子水泵有助于縮短暖機時間、降低摩擦損失以及精確控制水溫。Samuel Wilson等[3]對不同的熱管理系統進行研究,結果顯示電子水泵加電子溫控閥的冷卻系統具有更好的溫度調節效果。Castiglione等[4]基于模型預測控制方法在快速暖機階段對電子水泵進行控制,研究結果表明,與傳統冷卻系統相比,可有效縮短暖機時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動機水溫。

此外,整車主機廠熱管理系統控制主要采用MAP前饋和PID反饋調節,存在溫度振蕩大、水溫控制遲滯等問題,且控制變量多,需耗費大量時間來標定,尤其是電子水泵和溫控模塊的加入,使得整個熱管理系統的標定變得更加復雜。Hoon Lee等[5]采用滑?？刂扑惴▽乜啬K進行控制,研究結果表明,在發動機工況變化時,發動機出水溫度可穩定跟隨目標水溫。A. Y. Karnik等[6]采用模型預測控制方法對電子水泵和溫控閥進行控制,研究結果表明,模型預測控制可精確對冷卻系統進行控制。

本研究針對電氣化冷卻系統的熱管理復雜問題,以某2.0 L發動機冷卻系統為研究對象,基于發動機臺架相關試驗數據,搭建發動機熱管理模型并與整車模型耦合成整車熱管理模型,結合電氣化冷卻系統的特點,搭建基于發動機冷卻需求的主動熱管理控制模型,分析電子水泵和溫控模塊在WLTC循環工況和RDE循環工況的收益。

1 發動機冷卻系統及模型搭建

本研究中冷卻系統由電子水泵、缸體、缸蓋、機油冷卻器、暖風、溫控模塊、散熱器、電子風扇及膨脹水箱組成,冷卻系統架構如圖1所示。缸體、缸蓋采用分流冷卻,并可單獨通過溫控模塊控制流量分布;電子水泵、溫控模塊及電子風扇均通過發動機熱管理控制模塊進行精確控制;此外,在缸蓋進水口、缸蓋出水口及缸體水套中安裝有溫度傳感器。

圖1 發動機冷卻系統架構

1.1 電子水泵的計算及選型

在設計階段,根據冷卻系統架構圖及各部件壓損數據搭建冷卻系統一維仿真模型,結合發動機標定工況的冷卻需求,計算得到電子水泵的性能,標定工況下不能低于10 m@105 L/min[7-8]。

根據式(1)可計算得到電子水泵功率,約為381 W,因此選配市場上450 W電子水泵,其參數如表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

1.2 溫控模塊

溫控模塊是通過電機調節球閥開度,能夠自由對缸體(block)、散熱器(radiator)和旁通(bypass)的流量進行主動分配。本研究冷卻系統所采用的溫控模塊為二進二出:進口分別連接缸蓋出口和缸體出口,缸蓋出口采用常通方式,缸體出口通過球閥開度控制;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。在溫控模塊球閥開度第一階段,缸體出口球閥關閉,加熱缸體使之迅速升溫,通過控制旁通開度來控制系統壓損和流量,實現快速暖機的功能;在溫控模塊球閥開度第二階段,缸體出口球閥逐漸打開,此時大循環仍然關閉,實現缸體缸蓋分流冷卻的功能;在溫控模塊球閥開度第三階段,小循環逐漸關閉,大循環逐漸打開至最大,通過散熱器降低冷卻系統溫度,實現按需冷卻的功能。

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,分別建立冷卻系統模型、機體熱模型、潤滑系統模型以及摩擦計算模型,并通過發動機臺架相關試驗數據對各個模型進行標定。標定完成后將各個子系統模型集成,耦合成發動機熱管理模型。

試驗發動機與自主研發的混動專用變速器GMC搭載于整車。采用GT-Suite仿真平臺搭建整車模型,與發動機熱管理模型耦合成整車熱管理模型。

2 整車熱管理系統控制模型的搭建

利用Simulink搭建整車熱管理系統控制模型,模型分為兩大部分:物理狀態模型和控制模型。物理狀態模型主要是對發動機冷卻系統各狀態量進行計算,包括流量、溫度及換熱量等,提供給控制模型,用于對電子水泵、溫控模塊及電子風扇的進一步控制。

2.1 Simulink物理狀態模型搭建

Simulink物理狀態模型包括冷卻系統流量分布計算、潤滑系統流量分布計算及缸體缸蓋、機油冷卻器換熱計算,如圖3所示。

圖3 Simulink物理狀態模型

1) 冷卻系統流量分布計算

利用GT-Suite冷卻系統模型計算冷卻系統中缸體、缸蓋、機油冷卻器、小循環旁通及大循環散熱器的冷卻液流量,并制成MAP圖表。發動機水溫分別取25,60,95,115 ℃,電子水泵轉速分別取660,2 200,3 850,5 500 r/min,溫控模塊球閥開度為0～100%,間隔5%逐漸遞增。當輸入電子水泵轉速、溫控模塊開度及發動機出水溫度時,即可查表插值得到各部分冷卻液流量,用于缸體、缸蓋及機油冷卻器等的換熱量計算。

2) 潤滑系統流量分布計算

利用GT-Suite潤滑系統模型計算不同轉速、負荷下機油冷卻器流量、活塞冷卻噴嘴流量以及主軸承泄漏流量,并制成MAP圖表。發動機油溫控制在0～140 ℃,間隔10 ℃逐漸遞增。當輸入發動機轉速、負荷以及主油道溫度時,即可查表插值得到相應部分的機油流量,用于對機油冷卻器、活塞、缸體機油換熱量的計算。

發動機燃燒產生高溫氣體,熱量傳遞到缸蓋燃燒室和集成排氣歧管,冷卻液流經缸蓋水套,帶走缸蓋中的熱量。缸蓋傳熱計算主要公式如下:

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

4) 缸體及活塞換熱計算

發動機燃燒產生高溫氣體,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,活塞冷卻噴嘴噴出機油冷卻活塞,帶走活塞中的熱量,冷卻液流經缸體水套,帶走缸體中的熱量。缸體及活塞傳熱計算涉及的公式與缸蓋傳熱計算公式基本一致,此處不再列出。

5) 機油冷卻器換熱計算

機油冷卻器主要是冷卻液與機油通過翅片進行換熱,機油冷卻器換熱計算公式如下:

(8)

(9)

ΔTin=Toil,out-TCo,in,

ΔTout=Toil,in-TCo,out;

(10)

(11)

2.2 Simulink物理狀態模型結果對比

2.2.1 流量結果對比

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

基于2.1節計算公式,對Simulink物理狀態模型進行計算,分別對GT-Suite和Simulink模型中缸蓋、缸體和機油冷卻器計算流量進行對比,結果如圖4至圖6所示。由圖可見,GT-Suite整車熱管理模型與Simulink物理狀態模型計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 缸蓋流量對比

圖5 缸體流量對比

圖6 機油冷卻器流量對比

2.2.2 溫度結果對比

基于2.1節計算公式及流量結果,對Simulink物理狀態模型進行計算,分別對比GT-Suite和Simulink模型中缸體缸間溫度、缸蓋鼻梁區溫度以及機油冷卻器出口水溫,如圖7至圖9所示。計算結果顯示,GT-Suite整車熱管理模型與Simulink物理狀態模型計算得到的各部位溫度基本一致,可用于控制模型。

圖7 缸體缸間溫度對比

圖8 缸蓋鼻梁區溫度對比

圖9 機油冷卻器出口水溫對比

2.3 Simulink控制模型搭建

通過物理狀態模型計算得到的各部件壁面溫度、換熱量可進一步計算得到各部件需求冷卻液流量、需求換熱量,并基于當前模式及缸蓋缸體冷卻液需求量比值計算得到新的溫控模塊開度,進一步調整電子水泵轉速以滿足系統冷卻需求,如圖10所示。

圖10 冷卻系統控制模型

1) 各部件需求冷卻液流量及換熱量計算

通過物理狀態模型計算得到的發動機各部件進出水溫度、壁面溫度及換熱量,以發動機臺架外特性試驗的壁面溫度為限值及臺架標定的最優發動機出水溫度為目標,計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算公式如下:

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

2) 溫控模塊開度和電子水泵轉速計算

由圖2溫控模塊流通特性,可得到在不同轉速下溫控模塊球閥開啟流量特性,根據當前的工作模式以及缸蓋缸體需求流量的比值,查詢溫控模塊球閥開度與缸蓋缸體流量比關系即可計算得到溫控模塊球閥開度。

基于計算得到的溫控模塊開度,為滿足各部件的冷卻需求,按比例增大或減小電子水泵轉速,以達到精確控制發動機冷卻需求的目的。

3 控制模型應用

將搭建的GT-Suite整車熱管理模型和Simulink控制模型耦合計算,如圖11所示。利用模型在環的方式驗證該控制模型的可行性,并針對 “電子水泵+溫控模塊”和“機械水泵+溫控模塊” 兩種方案在WLTC和RDE循環工況進行對比分析。

圖11 GT-Suite與Simulink耦合計算

3.1 WLTC循環工況分析

針對“電子水泵+溫控模塊”和“機械水泵+溫控模塊”技術方案分別計算WLTC循環工況下,發動機轉速、水泵轉速、溫控模塊開度、缸體缸蓋出水溫度,結果如圖12至圖16所示。由于機械水泵與發動機曲軸機械連接,因此機械水泵轉速與發動機轉速呈現固定速比關系,而電子水泵與發動機轉速實現解耦,電子水泵轉速可自由控制。由圖13可知,在WLTC循環工況中,電子水泵轉速均低于機械水泵轉速,在前200 s,電子水泵關閉實現冷卻系統零流量,使得缸蓋溫度上升更快;此外,由于“機械水泵+溫控模塊”技術方案只能通過溫度傳感器感知發動機出水溫度,從而對溫控模塊開度進行PID控制來調節發動機出水溫度接近目標出水溫度,因此溫控模塊開度調節波動較大;而“電子水泵+溫控模塊”技術方案采用上述的熱管理控制策略,可根據缸體缸蓋的冷卻需求計算得到溫控模塊開度,通過對電子水泵轉速調節控制發動機出水溫度接近目標出水溫度。

電子水泵和機械水泵功耗如圖17所示,在WLTC循環工況下,機械水泵平均功耗為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循環工況發動機轉速變化

圖14 WLTC循環工況溫控模塊開度變化

圖15 WLTC循環工況缸體出水溫度變化

圖16 WLTC循環工況缸蓋出水溫度變化

圖17 WLTC循環工況水泵功耗變化

3.2 RDE循環工況分析

另針對RDE循環工況進行計算,發動機轉速、水泵轉速、溫控模塊開度、缸體缸蓋出水溫度變化情況見圖18至圖22。由于RDE循環工況車速變化劇烈,導致發動機轉速也變化劇烈。“機械水泵+溫控模塊”技術方案中,機械水泵轉速遠高于電子水泵轉速,與此同時,溫控模塊開度也變化劇烈,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循環工況中,“電子水泵+溫控模塊”可減小發動機水溫振蕩。

圖18 RDE循環工況發動機轉速變化

圖19 RDE循環工況水泵轉速變化

圖20 RDE循環工況溫控模塊開度變化

圖21 RDE循環工況缸體出水溫度變化

4 結束語

根據電氣化冷卻系統的特點,利用Simulink搭建發動機冷卻系統物理模型和控制模型,通過對冷卻系統物理狀態計算,可根據缸蓋鼻梁區溫度、缸體缸間溫度及出水溫度等參數對發動機冷卻需求進行精確控制,同時減少對電子水泵和溫控模塊的標定工作。利用模型在環的方式可驗證不同冷卻系統配置方案的節油率以及控制策略的優化,可減少試驗驗證環節,提高冷卻系統以及整車的開發進度。