裝甲車輛柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)在高原環(huán)境下控制方案優(yōu)化研究

靳瑩 喬新勇 康琦 顧程

摘要： 針對(duì)裝甲車輛柴油機(jī)在高原地區(qū)關(guān)鍵部件不能得到有效冷卻導(dǎo)致柴油機(jī)故障頻發(fā)，影響著裝甲車輛的可靠性和作戰(zhàn)效能發(fā)揮的問題，研究高原環(huán)境下柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)控制方案優(yōu)化方法，提出了基于柴油機(jī)工況開環(huán)控制和基于柴油機(jī)出水口溫度PID閉環(huán)反饋相結(jié)合的控制方法。最后以海拔5000m時(shí)為例編制了開環(huán)控制MAP圖，對(duì)控制方案進(jìn)行了模型仿真，結(jié)果表明優(yōu)化后的控制系統(tǒng)能夠有效提高冷卻系統(tǒng)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(guān)鍵詞：裝甲車輛;柴油機(jī);冷卻系統(tǒng);控制方案;高原環(huán)境

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

中圖分類號(hào)：U664.121.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）17-0004-02

0? 引言

對(duì)某型裝甲車輛大功率柴油機(jī)高原地區(qū)運(yùn)行技術(shù)狀況的統(tǒng)計(jì)表明：在高原地區(qū)柴油機(jī)冷卻水溫度偏高，柴油機(jī)關(guān)鍵部件不能得到有效冷卻導(dǎo)致柴油機(jī)拉缸、活塞燒頂、缸蓋缸墊燒蝕等事故經(jīng)常發(fā)生，嚴(yán)重影響著裝甲車輛的可靠性和作戰(zhàn)效能的發(fā)揮[1-3]。

文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了基于預(yù)置MAP與模糊控制相結(jié)合的高低溫雙循環(huán)冷卻系統(tǒng)冷卻液溫度控制策略，但并非針對(duì)高原環(huán)境。為了保證高原條件下柴油機(jī)的可靠工作，提高柴油機(jī)的高原適應(yīng)能力，有必要研究?jī)?yōu)化高原環(huán)境下柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)控制方案。本文以某型裝甲車輛大功率風(fēng)冷柴油機(jī)為研究對(duì)象，研究其冷卻系統(tǒng)控制方案優(yōu)化方法，為提升柴油機(jī)高原適應(yīng)性提供理論指導(dǎo)和技術(shù)途徑。

本文以某型裝甲車輛大功率風(fēng)冷柴油機(jī)為研究對(duì)象，研究其冷卻系統(tǒng)控制方案優(yōu)化方法，為提升柴油機(jī)高原適應(yīng)性提供理論指導(dǎo)和技術(shù)途徑。

1? 柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)控制方案

冷卻系統(tǒng)控制的目標(biāo)是使柴油機(jī)進(jìn)出水溫度維持在一定范圍內(nèi)，控制的方法主要有降低柴油機(jī)熱負(fù)荷、強(qiáng)化冷卻系統(tǒng)散熱能力以及冷卻系統(tǒng)智能化控制。

柴油機(jī)熱負(fù)荷控制是在柴油機(jī)上通過采用中冷技術(shù)進(jìn)一步降低進(jìn)入氣缸內(nèi)空氣的溫度，從而降低柴油機(jī)渦輪前后排溫，改善缸內(nèi)燃燒條件，最終降低柴油機(jī)的熱負(fù)荷。由于該型柴油機(jī)采用風(fēng)冷技術(shù)，因此不考慮熱負(fù)荷控制方案。

結(jié)合該型裝甲車輛的實(shí)際，柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)控制方案主要采用電控風(fēng)扇、電控水泵，可以根據(jù)環(huán)境條件、運(yùn)行工況以及柴油機(jī)出水口溫度來動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)風(fēng)扇和水泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制冷卻系統(tǒng)的散熱量，實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)智能化控制。

本文采用的控制方案是基于柴油機(jī)工況的開環(huán)控制系統(tǒng)和基于柴油機(jī)出水口溫度的PID算法閉環(huán)反饋系統(tǒng)相結(jié)合的控制方法。考慮到該型裝甲車輛風(fēng)扇慣性大，經(jīng)常性調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速需要較大功耗，因此對(duì)風(fēng)扇采取開環(huán)控制方法，對(duì)水泵采取開環(huán)和閉環(huán)相結(jié)合的控制方法。整個(gè)控制方案根據(jù)環(huán)境條件、運(yùn)行工況（柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷）以及柴油機(jī)出水口溫度來動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)風(fēng)扇和水泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制冷卻系統(tǒng)的散熱量，實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)智能化控制，最終有效解決裝甲車輛在高原環(huán)境下散熱能力不足問題，提高其高原環(huán)境適應(yīng)能力。柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)控制方案如圖1所示。在整個(gè)冷卻系統(tǒng)控制過程中，開環(huán)控制針對(duì)于穩(wěn)定工況時(shí)，能夠較為快速的確定最優(yōu)風(fēng)扇和水泵轉(zhuǎn)速;閉環(huán)控制針對(duì)于變工況時(shí)，通過對(duì)水泵轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)調(diào)控，使得冷卻系統(tǒng)散熱量滿足需求。實(shí)現(xiàn)有效開環(huán)控制的關(guān)鍵在于控制MAP圖的制定，而實(shí)現(xiàn)快速精確閉環(huán)控制的關(guān)鍵在于PID參數(shù)的確定。

1.1 開環(huán)控制方法

開環(huán)控制的工作原理是依據(jù)控制MAP圖，根據(jù)環(huán)境條件、運(yùn)行工況（柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷）對(duì)風(fēng)扇和水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，使得柴油機(jī)出水口溫度保持在合理范圍內(nèi)。因此開環(huán)MAP圖的編制對(duì)于開環(huán)控制十分重要。由于高原環(huán)境對(duì)于散熱器冷側(cè)的影響最大，對(duì)于散熱器熱側(cè)的影響較小，因此在編制開環(huán)MAP圖過程中，主要對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速M(fèi)AP圖進(jìn)行編制，水泵轉(zhuǎn)速與原冷卻系統(tǒng)轉(zhuǎn)速一致，即水泵轉(zhuǎn)速M(fèi)AP圖與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速成一定比例。在柴油機(jī)傳散熱耦合模型中，改變風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，以出口水溫不超過95℃為目標(biāo)進(jìn)行迭代計(jì)算。

1.2 閉環(huán)控制方法

閉環(huán)控制PID控制算法，通過對(duì)比柴油機(jī)出水口溫度和目標(biāo)溫度，當(dāng)二者之間存在偏差時(shí)，PID控制器可對(duì)水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行修正，使得柴油機(jī)出水口溫度接近目標(biāo)溫度。

PID控制主要是根據(jù)系統(tǒng)的誤差值，利用比例、積分、微分算法，計(jì)算出控制調(diào)節(jié)量，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制。基本PID控制系統(tǒng)如圖2所示。

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

1.3 海拔5000m下柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)控制方案

以海拔5000m條件下柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)控制方案為例，說明整個(gè)柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)控制方案的建立過程。考慮到柴油機(jī)傳散熱耦合模型計(jì)算量較大，因此選取了柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變化范圍內(nèi)的有限個(gè)點(diǎn)進(jìn)行迭代計(jì)算，對(duì)于其他工況點(diǎn)采用插值的方式得到，最終獲得風(fēng)扇轉(zhuǎn)速M(fèi)AP圖，如圖4所示。

通過參考文獻(xiàn)[10]以及模型仿真，最終確定PID參數(shù)，其中Kp=1.022，TI=0.307，TD=0。按照上述控制方案對(duì)柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過仿真得到柴油機(jī)出水口溫度隨時(shí)間變化曲線，如圖5所示。由圖看出，在380s時(shí)柴油機(jī)出水口溫度基本穩(wěn)定在目標(biāo)溫度附近，說明該控制方案有效，能夠提高冷卻系統(tǒng)的散熱能力。

2? 結(jié)束語(yǔ)

通過仿真計(jì)算得到不同環(huán)境、轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、出水溫度對(duì)應(yīng)的最優(yōu)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，采用基于柴油機(jī)工況的開環(huán)控制系統(tǒng)和基于柴油機(jī)出水口溫度的PID算法閉環(huán)反饋系統(tǒng)相結(jié)合的控制方法，并實(shí)時(shí)對(duì)比實(shí)際柴油機(jī)出水溫度和目標(biāo)溫度，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)反饋控制，并以海拔5000m時(shí)為例對(duì)控制方案進(jìn)行了模型仿真，表明控制方案較為有效。

參考文獻(xiàn)：

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