基于中心組合設計的主動進氣格柵控制標定

肖利英王文璽李趁前（-廣西大學廣西南寧50000 -上汽通用五菱汽車股份有限公司-天津博頓電子有限公司）

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基于中心組合設計的主動進氣格柵控制標定

肖利英1王文璽2李趁前3
（1-廣西大學廣西南寧530000 2-上汽通用五菱汽車股份有限公司3-天津博頓電子有限公司）

摘要：目前主動進氣格柵多采用開環控制，在建立發動機艙熱管理模型的基礎上，對發動機散熱與冷卻需求進行建模分析，建立了最多15種的格柵開啟角度控制算法，滿足冷卻系統對進風量的實時閉環控制。同時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-風扇狀態的三因素風量預測模型。結果表明，該方法能夠實時滿足整車冷卻需求并優化匹配標定方案，有效降低汽車行駛阻力，提升燃油經濟性。

關鍵詞：中心組合設計主動進氣格柵控制模型燃油經濟性

引言

主動進氣格柵（Active Grille System，以下簡稱AGS）是近年來一項新興的節油技術，它具備成本相對較低，節油效果明顯的特點，目前已在歐洲及北美汽車市場普及應用。它通過在行駛過程中合理控制前進氣格柵的開度，達到調節進入發動機艙冷卻風量的目的，降低行駛過程中的內循環阻力，提升整車燃油經濟性。同時主動進氣格柵系統能夠改善發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。

Charnesky[1]對格柵全開和全閉2種狀態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。Sharkawy[2]對3種格柵狀態下的發動機艙熱平衡性能及整車駕駛性進行了研究，設計了基于冷卻需求、溫度控制、熱保護的控制模型。Mustafa[3]提出了一種基于溫度模型的格柵開度控制模型。Richard Burke[4]對不同溫度及發動機特性下BSFC的性能進行了研究及大量試驗，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。

本文通過建立發動機艙熱管理模型，對發動機散熱與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-風扇狀態的三因素風量預測模型及格柵開度Map圖，實現對AGS系統的多開度控制，在優化匹配標定方案的同時，通過最多10種開啟角度對冷卻風量進行精確控制，提升整車燃油經濟性。

1不同AGS開度下的風阻優化

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、內循環阻力、誘導阻力共同組成。其中，氣流流經發動機艙內阻所造成的內循環阻力占整個行駛阻力約9%[5]。通過減少進入到發動機艙的冷卻風量，能夠明顯降低由冷卻系導腔不規則、各類拐角、障礙使流動方向發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90 km/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 km/h加速到110 km/h時，行駛阻力增加約40%，油耗增加約10～15%。

空氣阻力由式1計算。）其中：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。

由式（1）可得空氣阻力功率為：其中：PL為空氣阻力功率，FL為空氣阻力，v為車速。

空氣阻力系數cd計算公式為：其中：m為整備質量，a1、v1為t1時刻所對應的加速度與車速，a2、v2為t2時刻所對應的加速度與車速。

某車型在搭載AGS后的實際滑行阻力曲線如圖1所示。

圖1　 AGS全開、閉滑行阻力曲線

在整個滑行過程中，AGS全閉狀態比全開狀態的平均滑行阻力低約28 N；車速20～90 km/h區間，AGS全閉狀態比全開狀態的平均滑行阻力低19.21 N；車速90～120 km/h區間，AGS全閉狀態比AGS全開狀態的平均滑行阻力低48.11 N。

由式2計算可得出AGS全閉狀態相對全開狀態所優化的風阻功率，見圖2。在車速大于80 km/h后，AGS所產生的風阻功率優化增益明顯增高，在車速為100 km/h時，優化風阻功率約3 430 W。

圖2　 AGS全閉狀態優化風阻功率

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（見圖3、4）可知，AGS在關閉狀態下能夠明顯降低進入到發動機艙內的冷卻風量，同時能夠優化紊流所產生的氣阻。

圖3　冷卻風量優化值

圖4　冷凝器入口壓力云圖

基于CAE分析計算結果，格柵開度為100%時，風阻系數約為0.355，開度為0%時，風阻系數約為0.341，CAE分析結果與實測結果相當。

AGS能夠優化汽車在行駛過程中（特別是中高速情況下）的行駛阻力，通過合理控制AGS的開啟角度，能夠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阻力上升[7]，因此可對GOA進行控制優化。

2.1散熱需求模型

發動機燃料燃燒放熱可分為四個部分:機械做功Pm、發動機散熱量Pe、排氣帶走熱量Pex和余項散熱損失Pr。

發動機能量守恒方程如下：其中：Qe為燃料燃燒釋放熱量。其中：Mf為燃料質量，Hf為燃料熱值。其中：ne為發動機轉速，Tn為發動機輸出扭矩。其中：p為氣缸數，D為氣缸直徑，S為活塞行程；α為修正系數。其中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。

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

其中：Pc為冷卻液傳熱量，Te為發動機本體溫度，Me

為發動機質量，ce為發動機比熱容。

2.2冷卻需求模型

行駛中，發動機冷卻所需的空氣流量Qa由風扇與車速共同提供，表示為：其中：Qf為風扇提供的空氣流量，vra為通過散熱器的平均風速，Ar為散熱器迎風面積，Tr-in、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表示的二次擬合函數表示：

冷卻氣流阻力系數γ可由下式計算：其中：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可由下式計算：

其中：準為流量系數，D1為輪轂直徑，D2為葉輪外徑，u為葉輪外圓周速度。

2.3 AGS系統模型

由式（9）可知，當發動機處于熱平衡狀態時，dTe/ dt = 0，Pe= Pc。即，發動機散熱量與冷卻液散熱量相當。依據式（7）、（10）、（11）、（12）、（13）建立基于車速、發動機轉速、扭矩、散熱器進出風側溫度、風扇轉速的AGS開度控制模型。

基于上述過程，采用Simulink建立了AGS多開度控制系統模型，如圖5、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。

圖5　 AGS控制算法流程圖

圖6　 AGS系統模型

圖7　 AGS開度控制模型

3基于中心組合的格柵開度Map圖標定

3.1標定方案與設計

在MultiPos_cal和Veh_AeroDynamic_cal模型中均需要建立基于車速vD、風扇狀態ns、格柵開度θa不同狀態下對應的空氣流量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0～200 km/h，以10 km/h為標定區間，共21個標定點；ns標定范圍為0～100%，以20%為標定區間，共6個標定點；θa標定范圍為0～100%，以10%為標定區間，共15個標定點。采用傳統標定方法共需進行1 890組標定試驗。本文通過引入中心組合設計（CCD）方法進行DOE設計，通過二次多項式回歸方程建立車速-格柵開度-風扇狀態的三因素風量預測模型，實現格柵開度Map圖的標定。

以車速X1、風扇狀態X2、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。

表2　風量因素水平編碼表

標定方案及試驗結果見表3。

表3　試驗設計及結果

3.2回歸模型及結果分析

對實驗數據進行多項擬合回歸，建立基于車速、風扇狀態、格柵開度的風量預測回歸模型方程，見式14。

對回歸模型方程進行方差分析，F值為42.8，P 值<0.0001，表明自變量和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。

圖8　模型響應曲面分析圖

空氣流量隨車速、風扇速度、格柵開度的增加而增大，由圖8a）、b）分析可知，車速對于空氣流量影響顯著，在AGS開度控制模型中應優先考慮利用車速滿足發動機艙的冷卻風量需求。由圖8c)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，應優先采用格柵開啟角度滿足冷卻風量需求。

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系統軟硬件開發后，開展AGS實車性能試驗，AGS系統裝配效果如圖9所示。

圖9　 AGS裝配圖

AGS系統應當滿足在極限工況下（10%爬坡，溫度35℃，車速70、120 km/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）與開啟（控制模型正常工作）的熱性能試驗數據對比如圖10、11所示。

圖10　冷卻水溫對比

由圖10分析可知，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2.03℃。發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，對發電機的輸出電壓進行電源管理。但從總體來看，冷卻液及各部件的溫度均處于設計要求的最大工作溫度范圍內。

表4　發動機艙部件溫度

AGS功能禁止與開啟的經濟性能試驗數據對比如表5所示。由圖分析可知，AGS功能開啟后，整車滑行阻力降低，采用降低后的滑行阻力曲線能夠帶來較為明顯的經濟性提升，在NEDC工況下，實測節油效果約0.13 L。

表5　 NEDC油耗測試對比

5結論

1）本文提出了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-冷卻需求模型及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了試驗驗證分析。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，典型工況下節油效果約0.1L。該方法可用于對AGS的閉環實時控制，有效提升汽車燃油經濟性。

2）本文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-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F值為42.8，P值<0.0001，回歸判定系數達到96.289%，結果表明，該方法可用于準確預測冷卻需求并優化設計AGS匹配標定方案。

參考文獻：

1 Scott Charnesky，Gregory Fadler，Thomas Lockwood. Variable and fixed airflow for vehicle cooling [C]. SAE Paper 2011-01-1340

2 Alaa E. El-Sharkawy，Joshua C. Kamrad，et al. Evaluation of impact of active grille shutter on vehicle thermal management [C]. SAE Paper 2011-01-1172

3 Rashad Mustafa，Mirko Schulze，Peter Eilts，et al. Improved energy management using engine compartment encapsulation and grille shutter control[C]. SAE Paper 2012-01-1203

4 Richard Burke，Chris Brace. The effects of engine thermal conditions on performance，emissions and fuel consumption [C]. SAE Paper 2010-01-0802

5 Bing Xu，Michael Leffert. Fuel economy impact of grille opening and engine cooling fan power on a mid-size sedan [C]. SAE Paper 2013-01-0857

6 Hussein Jama，Simon Watkins，Chris Dixon. Reduced drag and adequate cooling for passenger vehicles using variable area front air intakes [C]. SAE Paper 2006-01-0342

7 Michael Duoba. Ambient temperature（20°F，72°F and 95°F）impact on fuel and energy consumption for several conventional vehicles，hybrid and plug-in hybrid electric vehicles and battery electric vehicle [C]. SAE Paper 2013-01-1462

The Calibration of Active Grille System Based on
Central Composite Design

Xiao Liying1, Wang Wenxi2, Li Chenqian3
1- Guangxi University（Nanning，Guangxi，530000，China）
2- SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd. 3- Tianjin Bodun Electronics Co.，Ltd.

Abstract：For the open loop control algorithm of active grille system at the moment，this paper has designed an engine compartment thermal management model，and then analyzed the engine heat dissipation and cooling requirement. A grille angle control algorithm which has maximum 15 angles was developed. This method can meet real-time requirements of inlet air for the cooling system. The calibration scheme was designed through central composite design method，and a three factors prediction model based on speed-grille angle-fan status was designed through quadratic polynomial regression equation. The test result shows that，this method can meet the real-time requirements of cooling system and optimize the calibration scheme，reduce the aerodynamic drag effectively，and improve the fuel economy.

Keywords：Central composite design，Active grille system，Control model，Fuel economy

收稿日期：（2015-05-10）

文章編號：2095-8234（2015）03-0038-06

文獻標識碼：A

中圖分類號：U461.8

作者簡介：肖利英（1965-），女，高級工程師，主要研究方向為汽車及發動機的設計研發。