汽車電子風扇轉速控制研究

胡巧聲,李永記,宋 偉,閔峻英,趙 強,林建平

(1.上汽大眾汽車有限公司 整車項目控制部,上海 201805; 2.同濟大學 機械與能源工程學院,上海 201804; 3.南京依維柯汽車有限公司 產品工程部,南京 210028)

車輛熱管理系統的電控化、智能化和集成化是未來汽車的發展趨勢[1-2].冷卻風扇作為熱管理系統中關鍵零部件,組織和控制著艙內空氣的流動,其轉速大小直接影響著散熱所需的冷卻風量[3].電控化和智能化的熱管理系統要求冷卻風扇從機械驅動走向電驅動,電子風扇根據控制信號進行同步調節,實現熱管理系統的智能化熱量控制,提高整車性能和舒適駕駛性能,實現節能減排的目標[4].

國外最先出現研究熱管理系統自動控制的是美國學者[5]于1981年公開發表的一個關于發動機電控冷卻系統的專利.2006年,大連理工大學的徐繼濤[6]基于改進的PID控制策略,開發了一套智能化發動機冷卻系統.2011年,沈陽工業大學的Li等[7]基于AVR單片機原理,研發了一套新型的智能化發動機冷卻控制系統.目前,國內外對于冷卻風扇的轉速控制主要基于實驗標定的溫度反饋調節,而通過仿真和理論結合建立風扇轉速的控制函數研究較少,前者雖然能夠滿足發動機的散熱要求,但是在一定程度上浪費了能量,增加了油耗,增加了開發成本[8-9].

本文以某型客車為研究對象,通過發動機傳熱理論分析了熱管理系統的傳熱路徑,基于發動機艙的熱平衡條件,結合相應的實驗和計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)仿真技術,建立了以車速、發動機轉速、散熱器進水溫度和環境溫度作為輸入,冷卻風扇轉速作為輸出的控制函數.在保證發動機正常工作的前提下,通過該函數可以精確控制發動機溫度,提高燃油經濟性,促進節能減排.

1 電子風扇轉速控制函數的建立方法

發動機艙熱管理系統的兩個子系統是水循環和冷卻風道,同時這也是冷卻傳熱的兩條基本路徑,其交匯點是散熱器,如圖1所示.冷卻水由水泵驅動進行強制循環流動,流經發動機的缸套、缸蓋及氣門座等受熱部件的水套并吸熱,溫度升高;再流入散熱器,釋放所吸收的熱量,溫度下降到吸熱前的水平,然后回到水泵進口,形成冷卻水循環回路.冷卻空氣通過進氣格柵進入發動機艙,經過冷凝器、散熱器和風扇,帶走冷卻水的熱量,最終散發到外界環境中,形成空氣的冷卻風道.

圖1 發動機艙熱管理系統示意圖Fig.1 Schematic of thermal management system

根據圖1進行熱管理系統冷卻傳熱理論分析可知:以散熱器標準散熱功率為核心,分別從水循環和冷卻風道這兩條傳熱路徑推導出標準散熱功率的計算公式,理論上這兩條路徑的標準散熱功率應相等.根據此相等關系即可由已知量(發動機發熱量、發動機轉速、散熱器進水溫度、環境溫度、水流量),求得匹配冷卻風扇的關鍵未知量(散熱器迎面風速).

在上述熱管理系統散熱分析的基礎上,散熱器的標準散熱功率、冷卻水流量和迎面風速有直接關系.進一步深入分析可知,冷卻水流量受水泵影響,而水泵是通過曲軸驅動與發動機相連,故水流量與發動機轉速存在函數關系.迎面風速受車速、風扇轉速和發動機艙零部件結構及其布置的影響,在發動機艙零部件結構及其布置確定的條件下,迎面風速與車速、風速轉速存在一個三元關系.聯立以上方程,最終可以建立一個以車速、發動機轉速、散熱器進水溫度和環境溫度作為輸入,冷卻風扇轉速作為輸出的熱管理系統控制函數組.

2 電子風扇轉速控制函數的建立

以某型客車為例,整合相關實驗、資料數據和CFD仿真技術,建立相匹配的冷卻風扇轉速控制函數.

2.1 發熱量與發動機轉速的函數f1

根據該型客車發動機經實驗測得的發熱量與轉速關系數據,當發動機轉速在0～4 000 r/min之內,發動機的發熱量與發動機轉速近似成四次方關系.根據實驗數據,利用最小二乘法擬合函數f1,其圖像如圖2所示,函數擬合的相關系數為0.991,發熱量與發動機轉速的函數f1為

(1)

式中:Qe為發動機發熱量，kW;re為發動機轉速，Kr/min.

圖2 發動機發熱量與發動機轉速關系Fig.2 Heat generation of engine vs. engine speed

2.2 散熱器標準散熱量的換算函數f2

根據《JB/T 2293—1978 汽車、拖拉機散熱器風筒試驗方法》[10],散熱器的標準散熱量Qn的計算公式為

(2)

式中:Qn為水側標準散熱功率，kW;Qr為冷卻系統應散發的散熱量，kW;Tw為散熱器的進水溫度，℃;Ta為環境溫度，℃.液-氣溫差(Tw-Ta)影響散熱器的實際散熱功率,其值越大,散熱器的實際散熱功率越大,冷卻水降溫越快.

2.3 散熱器標準散熱量與水流量、迎面風速的函數f3

對于一個結構形式和材料確定的散熱器來說,其標準散熱功率僅由冷卻水流量和迎面風速唯一確定[11],可以通過散熱器臺架實驗獲得其相關數據,圖3所示為散熱器標準散熱功率Qn與水流量q、迎面風速vr的關系曲線.由圖3(a)可知,相同的迎面風速下,標準散熱功率與水流量近似呈線性關系;由圖3(b)可知,相同的水流量下,標準散熱功率與迎面風速近似成三次方關系.

圖3 散熱器的散熱性能曲線Fig.3 Cooling performance curve of radiator

散熱器的標準散熱功率與水流量、迎面風速的關系可用四次多項式方程來表示,將實驗數據擬合出散熱器標準散熱功率Qn的計算表達式為(擬合的相關系數為0.922)

(3)

式中:q為冷卻水流量，(L·min-1);vr為迎面風速，(m·s-1).

2.4 水流量與發動機轉速的函數f4

由水泵性能實驗獲得水流量與水泵轉速的關系,由于水泵由發動機曲軸直接驅動,發動機轉速即為水泵轉速,當發動機轉速在0～4 000 r/min之內,水流量與發動機轉速近似呈線性關系.根據實驗數據可擬合函數f4的表達式為(擬合的相關系數為0.993)

(4)

式中:q為水流量(L/min);re為發動機轉速(kr/min).

2.5 迎面風速與車速、風扇轉速的函數f5

建立發動機艙熱管理系統的CFD仿真模型,如圖4所示,通過整車實驗驗證多種工況下模型有效.

圖4 發動機艙熱管理系統仿真Fig.4 Thermal management system of the underhood

設置多組車速(0～120 km/h)和風扇轉速(0～2 500 r/min)的不同組合,仿真獲得發動機艙內的風速場分布,并計算出散熱器迎風面的平均風速值.將獲得的數據按自變量不同分別作圖,得到迎面風速與車速、風扇轉速的趨勢線,如圖5所示.由圖5(a)可知,相同的風扇轉速下,迎面風速與車速近似呈線性關系;由圖5(b)可知,相同的車速下,迎面風速與風扇轉速近似成二次方關系.

圖5 散熱器迎面風速與車速、風扇轉速的關系圖Fig.5 Relations between the face velocity of radiator with vehicle speed and fan speed

散熱器迎面風速與車速、風扇轉速的關系近似可用三次多項式曲面方程來表示,根據獲得的數據點(vc,rf,vr),利用最小二乘法擬合出函數f5為(擬合的相關系數為0.994)

(5)

式中:vr為散熱器迎面風速，(m/s);vc為車速，(km/h);rf為風扇轉速，(Kr/min).

2.6 發動機艙熱平衡條件函數f0

根據發動機冷卻傳熱理論基礎,發動機艙熱平衡條件為發動機發熱量等于散熱器實際散熱量,故函數f0表達式為

(6)

綜上所述,對于研究車型所匹配的冷卻風扇,依據以散熱器標準散熱功率為核心的熱管理系統散熱匹配方法,建立了冷卻風扇轉速的控制函數組,如圖6所示.

圖6 冷卻風扇轉速的控制函數組Fig.6 Controlling function group of cooling fan speed

利用上述建立的冷卻風扇轉速的控制函數,選取怠速(發動機空轉,900 r/min)、最大扭矩點(1 800 r/min)、中間點(2 800 r/min)和最大功率點(3 450 r/min)4種工況下,分別計算在維持發動機艙內溫度的平衡所需的冷卻風扇轉速值,如表1所示.

表1 不同工況下理論所需的冷卻風扇轉速值Tab.1 Calculated values of cooling fan speed under different conditions

從表1中可以看出,當預設散熱器進水溫度Tw為常值時:① 在同一種工況下,隨著車速的不斷提高,所需風扇的轉速值不斷降低,直到高速情況下,冷卻風扇轉速為零,提高了發動機熱效率,以達到節能減排的目標;② 隨著環境溫度的不斷提高,所需風扇的轉速值也不斷提高;③ 不同工況下,發動機轉速的變化也會導致風扇轉速值的變化.

3 電子風扇無級調速控制程序

本文針對電子風扇無級調速的核心程序,即輸出不同工況下所需的冷卻風扇轉速,從熱管理系統集成的角度,利用Microsoft Visual Studio C/C++語言編寫了程序,包含程序主函數、散熱器標準散熱量函數、散熱器迎面風速計算函數和冷卻風扇轉速計算函數.

無級調速控制程序的計算過程如圖7所示.如當輸入車速40 km/h、發動機轉速1 800 r/min、散熱器進水溫度98 ℃和環境溫度35 ℃時,即可根據控制程序計算并輸出該工況下冷卻風扇的轉速為1 160 r/min.

圖7 風扇無級調速控制程序框圖Fig.7 Flow diagram of the stepless speed control program of the electronic fan

4 結論

(1) 基于熱管理系統冷卻傳熱的理論分析,以冷卻風扇為研究對象,結合相應的實驗、資料數據和CFD仿真技術,最終建立了以車速、發動機轉速、散熱器進水溫度和環境溫度作為輸入,冷卻風扇轉速作為輸出的熱管理系統控制函數組.最后,利用該控制函數計算了研究車型在怠速、最大扭矩點、中間點和最大功率點(發動機轉速分別為900,1 800,2 800和3 450 r/min)4種工況下,以不同擋位行駛時理論所需的冷卻風扇轉速值,從而驗證了轉速控制函數的有效性.

(2) 基于冷卻風扇的無級調速控制策略,利用C/C++語言編寫了控制程序,可實現冷卻風扇的智能化控制,精確地控制發動機出水溫度,減少油耗,提高發動機燃油經濟性,實現節能減排的目標.