发动机冷却系统风扇不同驱动控制策略的仿真研究

发动机冷却系统风扇不同驱动控制策略的仿真研究／牛晓冬，倪计民，徐向阳等　ｄｏｉ：１　０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１　００５—２５５０．２０１　３．０２．００２　设计－＿研究　发动机冷却系统风扇不同驱动控制策略的　仿真研究　牛晓冬　，倪计民　，徐向阳　，徐宸原ｓ　（１．同济大学汽车学院，上海２０１８０４；２．一汽客车（无锡）有限公司，无锡２１４１７７；３山东大学，济南２５０１００　．摘要：应用商用仿真软件ＡＭＥＳｉｍ对某客车柴油机建立冷却系统一维仿真计算模型。针对不同温度和不同形式工况　对冷却系统进行仿真计算并分析了系统散热能力。通过匹配不同转速的风扇和不同控制策略的风扇驱动方式对于　，系统冷却风扇的耗功进行了优化，在保持系统散热能力不变的情况下，降低系统功耗。　关键词：发动机冷却系统；电磁风扇离合器　ＡＭＥＳｉｍ；匹配计算　中图分类号：Ｕ４６４．１３８　文献标志码：Ａ　文章编号：１００５—２５５０（２０１３）０２—０００５—０７　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　Ｆａｎ　Ｃｌｕｔｃｈｅｓ　ｆｏｒ　Ｅｎｇｉｎｅ　Ｃｏｏｌｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＮＩＵ　Ｘｉａｏ－ｄｏｎｇ　，ＮＩ　Ｊｉ—ｍｉｎ‘，ＸＵ　Ｘｉａｎｇ－ｙａｎｇ　，ＸＵ　Ｃｈｅｎ—ｙｕａｎ。　（１．Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＴｏｎｇｊｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１８０４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｆａｗ　Ｂｕｓ　Ａｎｄ　Ｃｏａｃｈ，Ｗｕｘｉ　２１４１７７，Ｃｈｉｎａ：　３．Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ　２５０１００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｏｏｌ　ＡＭＥＳｉｍ，ｏｎｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｅｎｇｉｎｅ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｆｏｒ　ａ　ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｆａｎ’Ｓ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｂｙ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｆａｎｓ　ａｎｄ　ｆａｎ　ｃｌｕｔｃｈｅｓ．　Ｗｈｉｌｅ　ｓｙｓｔｅｍ＇ｓ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｒｅｍａｉｎｓ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｌｅｖｅｌ，ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｒｅｄｕｃｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｎｇｉｎｅ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ；ａｎ　ｅｌｅｃｔｆｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｃｌｕｔｃｈ；ＡＭＥＳｉｍ；ｍａｔｃｈｉｎｇ　内燃机诞生百余年来，其基本功能结构变化不　大。尤其是冷却系统，在近几十年中一直未有重大突　破。传统内燃机冷却系统是根据系统最大散热需求　来设计和标定的。事实上冷却系统仅有３％～５％的时　间在理想状态下运行口］，发动机长期在过冷状态下　运行。时至今日，这种基于系统最大需求设计和标定　的冷却系统已经难以满足刻不容缓的节能环保需求　和适应日益严苛的排放法规。因此，兼顾发动机性能　的同时来减少系统耗功，是发动机冷却系统未来提　收稿日期：２０１２—０９—１３　作者简介：牛晓冬（１９８７一），男，上海人，在读硕士，主要研究方向发　动机热管理系统。　高与发展的方向　本文借助于ＡＭＥＳｉｍ软件，以某客车冷却系统　为基础，首先校核了不同行驶工况下该系统的散热　能力是否满足设计需求：然后研究了系统与不同风　扇匹配后，风扇的耗功情况：最后分析了该系统在使　用电磁温控式冷却风扇和硅油离合风扇代替机械式　定传动比冷却风扇后的耗功改善情况。　１　冷却风扇的不同驱动形式　１．１　冷却系统热交换基本公式　散热器中的气一液热交换公式为　ａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ　Ｒｏｂｏｔｉｃｓ，２００６（２１）：５５—６４．　『１６］邹猛．月面探测车辆驱动轮牵引性能研究［Ｄ］．吉林：吉　林大学，２００８．　ｇｙ　ＩＶ，２００２（８）：３４３—３５１．　［１４］Ｉａｇｎｅｍｍａ　Ｋ．Ａ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　Ｓｉｎｇｌｅ　Ｗｈｅｅｌ　Ｔｅｓｔｂｅｄ　ｆｏｒ　Ｓｔｕｄｙｉｎｇ　Ｐｌａｎｅｔａｒｙ　Ｒｏｖｅｒ　Ｗｈｅｅｌ—Ｔｅｒｒａｉｎ　Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ［Ｒ］．　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｒｅｐｏｒｔ　０１—０５—０５，ＭＩＴ　Ｆｉｅｌｄ　ａｎｄ　Ｓｐａｃｅ　Ｒｏｂｏｔｉｃｓ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，２００５：２－９．　［１７］邹猛，张金换，任露泉，等．月球车驱动轮牵引性能研究　［Ｊ］．宇航学报，２００９，３０（１）：９８—１０３．　［１８］邹猛．基于模拟月壤的轮壤关系研究［Ｄ］．吉林：吉林大　学，２０１０．　［１５］Ｂｒｏｏｋｓ　Ｃ　Ａ，Ｉａｇｎｅｍｍａ　Ｋ，Ｄｕｂｏｗｓｋｙ　Ｓ．Ｖｉｓｕａｌ　Ｗｈｅｅｌ　Ｓｉｎｋａｇｅ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｆｏｒ　Ｐ１ａｎｅｔａｒｙ　Ｒｏｖｅｒ　Ｍｏｂｉｌｉｔｙ　Ｃｈａｒ　・５・　设计一研究　ｐ　＝Ａ　ｈ・Ｕ・（　一　）　（１）　式中：（）　为散热器中空气与冷却液在单位时间内的　热交换量：Ａ　为散热器内部的热交换面积；　为对　流换热系数；　和　为冷却液进出散热器的温度。　系统热平衡公式为：　Ｑ。＝ｍ１Ｃｐ△Ｔｌ－＿ｍ，１　ｐＣ　１ｔ△　（２）　式中：ｐ。为大循环传热量；ｍ　为内部冷却液的质量　流：Ｃ　为内部冷却液的比热容；△　为内部冷却液的　温差：ｍ　为外部冷却空气的质量流；Ｃ　为外部冷却　空气的比热容：△　为外部冷却空气的温差。　１．２定传动比机械式冷却风扇　传统冷却风扇一般置于散热器之后，由驱动水　泵和发电机的同一根Ｖ带传动。发电机启动时，风　扇随之启动，吸进空气使其通过散热器，以增强散热　器的散热能力，加速冷却液的冷却。　由于传统风扇直接与发动机连接，风扇转速与　发动机转速成对应的关系，在低速高负荷工况时，会　因为风量不足而导致发动机过热；反之，在高速低负　荷情况下，发动机过度被冷却是常见的现象。　某车辆公路实测结果表明，气温１０℃一２０℃时，　９０％的行驶时间内，风扇无需工作：气温０ｅｃ～１０　时，风扇的工作时间仅为５％Ｅ　。　为避免发动机过热或过冷现象频繁发生，各种能够　改变风扇转速的驱动装置和控制策略应运而生（见图１）。　图１冷却风扇驱动形式　１．３硅油离合式风扇与电磁温控式冷却风扇　硅油离合式风扇主要通过感温元件，确定进入　离合器硅油的量，并利用硅油的粘性将动力输出给　风扇使其转动。　液力驱动型风扇是通过水温传感器、ＥＣＵ发出　控制信号，通过比例阀调节系统油压，实现由马达及　风扇转速调节。　电磁离合式冷却风扇的关键在于温控电磁离合　器。电磁离合器是利用线圈通电时电磁产生的吸力，　吸引衔铁盘压紧摩擦片以实现扭矩的传递，使风扇　・６・　汽车科技第２期２０１３年３月　工作。断开电路后，衔铁盘与摩擦片分离，风扇空转。　一般电磁离合器内部有大小不同的线圈，通过通电　后产生不同的吸合力来使风扇可以空转、低速运转　及高速运转。　电动风扇是由电动机直接驱动风扇，可以根据　发动机温度和负荷的不同来改变风扇转速。因重型　汽车风扇耗功较大，而电动风扇驱动功率受蓄电池　的限制，故电动风扇很少运用在重型汽车上。　２模型建立和冷却系统散热能力分析　某客车柴油机冷却系统（见图２）使用机械式传　动方式来驱动水泵，并且匹配定转速比机械式风扇。　图２某客车柴油机冷却系统简图　２．１冷却系统建模　发动机基本参数如表１所示。使用ＡＭＥＳｉｍ软件　建立发动机冷却系统仿真计算模型，模型如图３所示。　表１发动机基本参数　参数名称　发动机参数　排量几　６．６　气缸数　６　怠速转速／ｒ・ｒａｉｎ　８００　最大功率，ｋＷ　１７３　额定转速／ｒ・ｍｉｎ　２　３００　最大扭矩／Ｎｍ　９２７　最大转速／ｒ・ｍｉｎ　２　５００　图３发动机冷却系统仿真计算模型　２．２不同工况下系统冷却能力分析　客车长期在低速高负荷的情况下行驶，若遇到　ＩＥＤＳ的插电式气、电混合城市客车的仿真与研究／叶阳，李项根，高幼民等　ｄｏｉ：１　０．３９６９４．ｉｓｓｎ．１　００５—２５５０．２０１　３．０２．００３　设计－研究　ＩＥＤＳ的插电式气、电混合城市客车的　仿真与研究　叶　阳　，李顶根　，高幼民　，苗华春　（１．华中科技大学能源与动力工程学院，武汉４３００７４；２．襄樊宇清电动汽车有限公司，襄阳４４１００３）　摘要：论述了应用Ａｕｔｏｎｏｍｉｃ软件对基于ＩＥＤＳ（传动集成式电驱动系统）系统的插电式气电混合城市客车的仿真．　、并对其动力性、经济性、排放性及电池管理控制进行了分析。仿真结果表明融合先进技术的气电混合城市客车不但　、满足其城市公交运行要求，而且相比于传统天然气汽车节气率达２２４％，具有较高的能源利用率及较低的污染物排　．放。　关键词：混合动力汽车；气电混合；插电式；Ａｕｔｏｎｏｍｉｃ：仿真　中图分类号：Ｕ４６９．７　文献标志码：Ａ　文章编号：１００５—２５５０（２０１３）０２—００１１－０５　Ｔｈｅ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ａ　Ｐｌｕｇ－ｉｎ　Ｇａｓ－ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｈｙｂｒｉｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ＢＵＳ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＩＥＤＳ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＹＥ　Ｙａｎｇ　，ＬＩ　Ｄｉｎｇ－ｇｅｎ　，ＧＡＯ　Ｙｏｕ—ｍｉｎ　，ＭＩＡＯ　Ｈｕａ—ｃｈｕｎ。　（１．Ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｘｉａｎｇｆａｎ　Ｙｕｑｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｉｒｃ　Ｖｅｈｉｃｌｅｓ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ　Ｌｉｍｉｔｅｄ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｘｉａｎｇｙａｎｇ　４４１００３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｐｌｕｇ—ｉｎ　ｇａｓ—ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｈｙｂｒｉｄ　ｅｌｅｃｔｉｃ　ｂｕｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＩＥＤＳ（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｄｒｒｉｖｅ　ｓｙｓｔｅｍ）　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｏｆ　Ａｕｔｏｎｏｍｉｃ　ｗａｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ，ｅｃｏｎｏｍｙ，ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｂｕｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｇａｓ—ｅｌｅｃｔｉｃ　ｒｈｙｂｒｉｄ　ｃｉｔｙ　ｂｕｓｅｓ　ｍｅｔ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　ｕｒｂａｎ　ｐｕｂｌｉｃ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔ．Ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｔｏ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｇａｓ　ｖｅｈｉｃｌｅｓ，　ｔｈｅ　ｇａｓ－ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｈｙｂｒｉｄ　ｃｉｔｙ　ｂｕｓｅｓ　ｈａｄ　ｈｉｇｈｅｒ　ｅｎｅｒｇｙ　ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｌｆｏｗｅｒ　ｐｏｌｌｕｔａｎｔ　ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ　ｔｈｅ　ｆｕｅｌ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｂｙ　２２．４％．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｙｂｒｉｄ　ｖｅｈｉｃｌｅｓ；ｇａｓ—ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｈｙｂｒｉｄ；ｐｌｕｇ－ｉｎ；Ａｕｔｏｎｏｍｉｃ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ＩＥＤＳ系统是指传动集成式电驱动系统，其包括　变频调速电机、齿轮式变速器、控制系统等。基于　ＩＥＤＳ系统插电式气、电混合城市公交车辆与传统公　电动机组成混合动力系统，既能弥补燃气发动机功　率的不足，也能使燃气发动机一直处于高效的工作　区，同时结合混合动力系统的优势，进一步达到提高　交车辆相比，其具有明显的技术优势。　其一，与传统的汽油和柴油发动机相比天然气　能量利用率与减少污染物排放的目的　］。　其二，插电式混合动力汽车Ｅ３］可以利用外部电　网通过充电装置对车载电池组进行充电，从而增加　纯电动续驶里程，大大减少对燃油的依赖，同时还可　作为替代燃料具有更低的温室气体排放，并且结合　收稿日期：２０１２—０９—１４　作者简介：李顶根（１９７７一），男，副教授，研究方向为清洁动力控制、　发动机电控。　以降低车辆的废气排放。　其三，利用ＩＥＤＳ系统代替传统的可变速比齿　［８］ＧＵ　Ｎｉｎｇ，ＮＩ　Ｊｉｍｉｎ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅ　Ｃｏｏｌｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＭＥＳｉｍ『Ｃ］．ｔｈｅ　Ｓｅｃｏｎｄ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　［７］Ｊｉｍｉｎ　Ｎｉ，Ｗａｎｙｉｎｇ　Ｙｕ，Ｘｉｕｙｏｎｇ　Ｓｈｉ，ｅｔ　ａ１．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ａｍｏｎｇ　Ｋｅｙ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ａｔ　Ａｉｒ　Ｓｉｄｅ　ｉｎ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｓｙｓｔｅｍ　［Ｃ］．２０１０　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｏｎ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　Ｓｃｉｅｎｃｅ（ＩＣＩＣ２００９），　Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ，２００９：１１７—１２０．　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｚａｔｉｏｎ（ＩＣＳＥＭ　２０１０），　Ｙｉｃｈａｎｇ，２０１０：３１０—３１３．　［９］柴油机设计手册编撰委员会．柴油机设计手册［Ｍ］．北　京：中国农业机械出版社，１９８４．　１　１・　・