裝甲車輛柴油機冷卻系統在高原環境下控制方案優化研究

靳瑩 喬新勇 康琦 顧程

摘要： 針對裝甲車輛柴油機在高原地區關鍵部件不能得到有效冷卻導致柴油機故障頻發，影響著裝甲車輛的可靠性和作戰效能發揮的問題，研究高原環境下柴油機冷卻系統控制方案優化方法，提出了基于柴油機工況開環控制和基于柴油機出水口溫度PID閉環反饋相結合的控制方法。最后以海拔5000m時為例編制了開環控制MAP圖，對控制方案進行了模型仿真，結果表明優化后的控制系統能夠有效提高冷卻系統散熱能力。

Abstract： Aiming at the problem that the key components of armored vehicle diesel engine can not be effectively cooled in plateau area， which leads to frequent diesel engine failures and affects the reliability and operational effectiveness of armored vehicles， the optimization method of control scheme of diesel engine cooling system in plateau environment is studied， A control method based on diesel engine open-loop control and PID closed-loop feedback is proposed. At last， an open-loop control map is drawn up when the altitude is 5000m， and the control scheme is simulated. The results show that the optimized control system can effectively improve the cooling capacity of the cooling system.

關鍵詞：裝甲車輛;柴油機;冷卻系統;控制方案;高原環境

Key words： armored vehicle;diesel engine;cooling system;control scheme;plateau environment

中圖分類號：U664.121.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）17-0004-02

0? 引言

對某型裝甲車輛大功率柴油機高原地區運行技術狀況的統計表明：在高原地區柴油機冷卻水溫度偏高，柴油機關鍵部件不能得到有效冷卻導致柴油機拉缸、活塞燒頂、缸蓋缸墊燒蝕等事故經常發生，嚴重影響著裝甲車輛的可靠性和作戰效能的發揮[1-3]。

文獻[4]設計了基于預置MAP與模糊控制相結合的高低溫雙循環冷卻系統冷卻液溫度控制策略，但并非針對高原環境。為了保證高原條件下柴油機的可靠工作，提高柴油機的高原適應能力，有必要研究優化高原環境下柴油機冷卻系統控制方案。本文以某型裝甲車輛大功率風冷柴油機為研究對象，研究其冷卻系統控制方案優化方法，為提升柴油機高原適應性提供理論指導和技術途徑。

本文以某型裝甲車輛大功率風冷柴油機為研究對象，研究其冷卻系統控制方案優化方法，為提升柴油機高原適應性提供理論指導和技術途徑。

1? 柴油機冷卻系統控制方案

冷卻系統控制的目標是使柴油機進出水溫度維持在一定范圍內，控制的方法主要有降低柴油機熱負荷、強化冷卻系統散熱能力以及冷卻系統智能化控制。

柴油機熱負荷控制是在柴油機上通過采用中冷技術進一步降低進入氣缸內空氣的溫度，從而降低柴油機渦輪前后排溫，改善缸內燃燒條件，最終降低柴油機的熱負荷。由于該型柴油機采用風冷技術，因此不考慮熱負荷控制方案。

結合該型裝甲車輛的實際，柴油機冷卻系統控制方案主要采用電控風扇、電控水泵，可以根據環境條件、運行工況以及柴油機出水口溫度來動態的調節風扇和水泵的轉速，進而控制冷卻系統的散熱量，實現冷卻系統智能化控制。

本文采用的控制方案是基于柴油機工況的開環控制系統和基于柴油機出水口溫度的PID算法閉環反饋系統相結合的控制方法。考慮到該型裝甲車輛風扇慣性大，經常性調整風扇轉速需要較大功耗，因此對風扇采取開環控制方法，對水泵采取開環和閉環相結合的控制方法。整個控制方案根據環境條件、運行工況（柴油機轉速、負荷）以及柴油機出水口溫度來動態的調節風扇和水泵的轉速，進而控制冷卻系統的散熱量，實現冷卻系統智能化控制，最終有效解決裝甲車輛在高原環境下散熱能力不足問題，提高其高原環境適應能力。柴油機冷卻系統控制方案如圖1所示。在整個冷卻系統控制過程中，開環控制針對于穩定工況時，能夠較為快速的確定最優風扇和水泵轉速;閉環控制針對于變工況時，通過對水泵轉速的實時調控，使得冷卻系統散熱量滿足需求。實現有效開環控制的關鍵在于控制MAP圖的制定，而實現快速精確閉環控制的關鍵在于PID參數的確定。

1.1 開環控制方法

開環控制的工作原理是依據控制MAP圖，根據環境條件、運行工況（柴油機轉速、負荷）對風扇和水泵轉速進行調整，使得柴油機出水口溫度保持在合理范圍內。因此開環MAP圖的編制對于開環控制十分重要。由于高原環境對于散熱器冷側的影響最大，對于散熱器熱側的影響較小，因此在編制開環MAP圖過程中，主要對風扇轉速MAP圖進行編制，水泵轉速與原冷卻系統轉速一致，即水泵轉速MAP圖與柴油機轉速成一定比例。在柴油機傳散熱耦合模型中，改變風扇轉速，以出口水溫不超過95℃為目標進行迭代計算。

1.2 閉環控制方法

閉環控制PID控制算法，通過對比柴油機出水口溫度和目標溫度，當二者之間存在偏差時，PID控制器可對水泵轉速進行修正，使得柴油機出水口溫度接近目標溫度。

PID控制主要是根據系統的誤差值，利用比例、積分、微分算法，計算出控制調節量，最終實現對整個系統的精準控制。基本PID控制系統如圖2所示。

在柴油機傳散熱耦合模型中，加入PID控制單元，其中目標溫度為95℃。如圖3所示。

1.3 海拔5000m下柴油機冷卻系統控制方案

以海拔5000m條件下柴油機冷卻系統控制方案為例，說明整個柴油機冷卻系統控制方案的建立過程。考慮到柴油機傳散熱耦合模型計算量較大，因此選取了柴油機轉速和負荷變化范圍內的有限個點進行迭代計算，對于其他工況點采用插值的方式得到，最終獲得風扇轉速MAP圖，如圖4所示。

通過參考文獻[10]以及模型仿真，最終確定PID參數，其中Kp=1.022，TI=0.307，TD=0。按照上述控制方案對柴油機冷卻系統進行控制，通過仿真得到柴油機出水口溫度隨時間變化曲線，如圖5所示。由圖看出，在380s時柴油機出水口溫度基本穩定在目標溫度附近，說明該控制方案有效，能夠提高冷卻系統的散熱能力。

2? 結束語

通過仿真計算得到不同環境、轉速、負荷、出水溫度對應的最優風扇轉速，采用基于柴油機工況的開環控制系統和基于柴油機出水口溫度的PID算法閉環反饋系統相結合的控制方法，并實時對比實際柴油機出水溫度和目標溫度，實現了閉環反饋控制，并以海拔5000m時為例對控制方案進行了模型仿真，表明控制方案較為有效。

參考文獻：

[1]和穆.高原坦克動力裝置狀態監測與壽命預測方法研究

[D].北京：裝甲兵工程學院，2012.

[2]康琦.高原條件下柴油機冷卻系統傳散熱分析及優化研究[D].北京：陸軍裝甲兵學院，2018.

[3]劉建敏，何盼攀，王普凱，等.兩級增壓中冷柴油機冷卻散熱系統高海拔性能研究[J].裝甲兵工程學院學報，2016（04）：35-39.

[4]尹洪濤，駱清國，寧興興，司東亞.裝甲車輛柴油機冷卻系統控制策略研究[J].計算機測量與控制，2015，23（9）：3085-3087.

[5]姚仲鵬，王新國.車輛冷卻傳熱[M].北京：北京理工大學出版社，2011.

[6]GAMMA TECHNOLOGIES， INC. GT-SUITE Controls Tutorials[M].GAMMA TECHNOLOGIES， INC，2014.