内燃机冷却液循环流量控制策略的研究

王 帅，韩 松，俞小莉

(浙江大学能源工程学系，杭州 310027)

前言

内燃机一般采用节温器作为控制冷却液流动路径的阀门，它根据冷却液温度的高低，打开或关闭冷却液通向散热器的通道［1］。传统的节温器大多采用石蜡作为感温元件，感温元件被冷却液加热/冷却而产生的膨胀/收缩变形来推动阀门开启或关闭，通过这种方式来分配内燃机冷却液大、小循环的流量。石蜡节温器存在响应延迟和加热/冷却过程的“滞回”特性［2－3］，在内燃机工作过程中，这样的元件无法实现对内燃机冷却液大、小循环流量的精确控制，不利于使内燃机工作在最适宜的温度状态。

在内燃机冷却液循环流量控制方面国内外均有研究。文献［4］中建立了内燃机节温器的动态数学模型。文献［5］中设计的智能节温器用伺服电机驱动螺杆，由螺杆的伸缩推动二位三通阀，实现对冷却液大小循环的切换，但系统的结构比较复杂。文献［6］中设计的电控节温器采用带电热丝的双金属片作为传动部件，通过金属片的形变起作用，克服了石蜡节温器响应慢的缺点，但这种机构还局限于冷却液大小循环的开关控制，未能实现对大循环和小循环部分开启状态的控制。

本文中采用电动三通比例阀作为内燃机冷却液大、小循环流量的控制阀。根据内燃机冷却水温度及其变化率控制电动三通阀的开度，实现对内燃机冷却液大、小循环流量的实时控制。

1 电动三通比例阀的结构与基本特性

1.1 电动三通阀的结构和布置

电动三通比例阀的外形及其剖面图如图1和图2所示，图2示出三通阀的初始位置，AB支路全开、AC支路全闭。随着阀门转动(逆时针方向0～90°)AB支路逐渐关闭、AC支路逐渐开启。阀门旋转90°后，AB支路全闭、AC支路全开。

电动三通阀在内燃机上的布置如图3所示。当三通阀处在初始位置时，大循环完全关闭，小循环完全开启;随着三通阀开度增加，大循环逐渐开启，小循环逐渐关闭;当三通阀处在最大位置时，大循环完全开启，小循环完全关闭。

1.2 电动三通阀的基本流量特性

当水泵工作在额定转速时，流过三通阀的总流量约15L/min，三通阀从0°逐渐旋转到90°的过程中AB、AC支路的流量变化情况如图4所示，图中Φ表示流量，θ表示三通阀的开启角度。

当0°＜θ＜28°时，AB、AC 两路的流动状态基本保持不变;当28°≤θ≤70°时，随着θ增加，AC流量逐渐增加，AB流量逐渐减小，流量与三通的开度之间有较理想的线性关系;当θ＞70°时，AC流量增加到最大，AB流量减小到0。为了使三通阀在工作过程中获得比较理想的动态响应性能，在后续的试验过程中分别把三通阀的初始开启角度和最大开启角度分别限定在28°和70°。

2 内燃机冷却液循环流量控制策略

由于内燃机冷却系统结构复杂，具有非线性、时变和大延迟的特性，对冷却液的循环流量采用常规的PID控制比较困难，因此本文中选择模糊控制策略。它在一定程度上模仿了人的控制，不需要准确的控制对象模型，是一种智能控制方法［7］。它将相关专家的知识和思维、学习与推理、联想和决策过程由计算机来实现辨识和建模，并进行控制［8］。

冷却液循环流量控制的框图如图5所示。内燃机出水温度与目标温度的温差e和内燃机水温的变化率Δe为模糊控制器的输入，电动三通阀开度的增量为模糊控制器的输出，即控制器根据内燃机冷却液温度与目标温度的温差和冷却液温度的变化率来决定增加/减小电动三通阀的开度，从而控制冷却液大、小循环的流量。

2.1 温差和温度变化率的确定

温差e为每个采样周期内，内燃机水温值与目标温度值之差，温度变化率Δe为连续的两个采样周期之间的内燃机冷却水温之差，即

式中:t0为目标温度;n为采样序号;T为采样时间间隔;t(nT)为第n次采样时的内燃机冷却液温度;e(nT)为第n次采样时内燃机冷却液温度与目标温度之差;Δe(nT)为第n次采样时内燃机冷却液温度与第n－1次采样时的内燃机冷却液温度之差。

2.2 输入和输出量的模糊化

内燃机运转时最佳的冷却液温度与具体的内燃机结构形式有关，电控内燃机的最佳冷却液温度还与ECU的标定有关。

将温差e划分为5个模糊集，e的各个模糊集的隶属函数φ如图6所示。

其中，负大(NB)表示实际温度比目标温度低3℃左右;负小(NS)表示实际温度比目标温度低1℃左右;零(ZO)表示实际温度与目标温度大致相等;正小(PS)表示实际温度比目标温度高1℃左右;正大(PB)表示实际温度比目标温度高3℃左右。

将温度变化率Δe划分为5个模糊集，Δe的各个模糊集的隶属函数φ如图7所示。

其中，负大(NB)表示在一个采样周期内温度减小2℃左右;负小(NS)表示在一个采样周期内温度减小0.75℃左右;零(ZO)表示在一个采样周期内温度大致不变;正小(PS)表示在一个采样周期内温度增加0.75℃左右;正大(PB)表示在一个采样周期内温度增加2℃左右。

将电动三通阀开度的增量u划分为7个模糊集，u的各个模糊集的隶属函数φ如图8所示。

其中，负大(NB)表示三通阀的开度减小4%左右;负中(NM)表示开度减小2%左右;负小(NS)表示开度减小1%左右;零(ZO)表示开度大致不变;正小(PS)表示开度增加1%左右;正中(PM)表示开度增加2%左右;正大(PB)表示开度增加3%左右。

2.3 模糊控制规则

模糊规则设计的标准为:“内燃机水温高于目标水温越多、温度上升速度越快，三通阀的开度增加越大”;“内燃机水温接近目标水温、温度变化不大，三通阀开度基本保持不变”;“内燃机水温低于目标水温越多、温度下降速度越快，三通阀开度减小越大”。本文中共采用了下列25条模糊控制规则:

Rule 1:if当前温度大大小于目标温度且温度快速下降，then大大减小电动三通阀开度;

Rule 2:if当前温度大大小于目标温度且温度较慢下降，then大大减小电动三通阀开度;

Rule 3:if当前温度大大小于目标温度且温度基本不变，then大大减小电动三通阀开度;

Rule 4:if当前温度大大低于目标温度且温度较慢上升，then中等减小电动三通阀开度;

Rule 5:if当前温度大大低于目标温度且温度快速上升，then稍微减小电动三通阀开度;

Rule 6:if当前温度略低于目标温度且温度快速下降，then大大减小电动三通阀开度;

Rule 7:if当前温度略低于目标温度且温度较慢下降，then中等减小电动三通阀开度;

Rule 8:if当前温度略低于目标温度且温度基本不变，then稍微减小电动三通阀开度;

Rule 9:if当前温度略低于目标温度且温度较慢上升，then基本保持电动三通阀开度;

Rule 10:if当前温度略低于目标温度且温度较快上升，then稍微增大电动三通阀开度;

Rule 11:if当前温度基本等于目标温度且温度较快下降，then大大减小电动三通阀开度;

Rule 12:if当前温度基本等于目标温度且温度较慢下降，then稍微减小电动三通阀开度;

Rule 13:if当前温度基本等于目标温度且温度基本不变，then基本保持电动三通阀开度;

Rule 14:if当前温度基本等于目标温度且温度较慢上升，then稍微增大电动三通阀开度;

Rule 15:if当前温度基本等于目标温度且温度较快上升，then中等增大电动三通阀开度;

Rule 16:if当前温度略高于目标温度且温度较快下降，then中等减小电动三通阀开度;

Rule 17:if当前温度略高于目标温度且温度较慢下降，then基本保持电动三通阀开度;

Rule 18:if当前温度略高于目标温度且温度基本不变，then稍微增大电动三通阀开度;

Rule 19:if当前温度略高于目标温度且温度较慢上升，then中等增加电动三通阀开度;

Rule 20:if当前温度略高于目标温度且温度较快上升，then中等增加电动三通阀开度;

Rule 21:if当前温度大大高于目标温度且温度较快下降，then稍微减小电动三通阀开度;

Rule 22:if当前温度大大高于目标温度且温度较慢下降，then稍微增加电动三通阀开度;

Rule 23:if当前温度大大高于目标温度且温度基本不变，then中等增加电动三通阀开度;

Rule 24:if当前温度大大高于目标温度且温度较慢上升，then中等增加电动三通阀开度;

Rule 25:if当前温度大大高于目标温度且温度快速上升，then大大增加电动三通阀开度。

将上述模糊控制规则整理成模糊控制规则表，如表1所示。

表1 模糊控制规则表

利用质心法对上述模糊控制规则进行解模糊可以得到e和Δe与u之间对应关系，模糊推理输出的map图如图9所示。

例如，当e=5℃(内燃机冷却液温度高于目标温度5℃)且Δe=5℃(水温快速上升)时，则电动阀开度的增量为3%，以快速增加大循环、减少小循环。

3 冷却液循环流量控制策略验证试验

内燃机冷却液循环流量控制模拟试验台架的管路布置如图10所示。其中包括:电动三通比例阀1;电子风扇和散热器2，电子风扇的转速可调，可为系统提供可变的冷却风量;电磁流量计3，测量大循环的流量;水泵4，提供试验管路中冷却液循环的动力;温度传感器5，测量电加热器进水温度;电加热器6，加热功率2kW/4kW/6kW/8kW分级可调，用来模拟内燃机对冷却水套的散热;温度传感器7，测量电加热器出水温度;电磁流量计8，测量循环的总流量。图中的箭头表示管路中冷却液的流动方向。

3.1 暖机过程的流量控制试验

试验过程中，保持电加热器的加热功率为4kW，水泵工作在额定转速，电子风扇保持关闭状态，从室温状态下开始对系统进行加热，模拟内燃机的“怠速暖机”工况。图11和图12分别为电动三通阀的开度与冷却液温度随时间的变化曲线和循环流量与冷却液温度随时间的变化曲线。

由图11和图12可知，在暖机过程对内燃机冷却液循环流量的控制可以大致分为3个阶段。

第1阶段:当冷却液温度低于目标温度(90℃)时，电动三通阀的开度为0，冷却液的大循环流量为0，系统完全进行小循环，冷却液温度迅速上升。

第2阶段:当冷却液的温度达到目标温度附近时，模糊控制器根据冷却液的温度和温度变化率来实时调节电动三通阀的开度，从而合理分配冷却液大小循环的流量，保证冷却液温度在目标温度附近波动。

第3阶段:当电动三通阀的开度达到100%后，大循环流量达到最大，这表示暖机过程已经完成，这时无法再继续通过调节大小循环流量的方法来维持冷却温度稳定在目标温度，冷却液温度超过目标温度继续上升。此时应该令电子风扇工作，使冷却液大循环能够带走更多的热量，继续维持冷却液的温度稳定。由于大循环完全开启以后才令电子风扇工作，流经散热器的冷却液最多，这样也有利于提高风扇的散热效率。

3.2 热负荷突变工况下的流量控制试验

试验过程中保持电子风扇的转速为600r/min(穿过散热器的风速为0.46m/s)，水泵工作在额定转速，首先以6kW的功率对冷却液加热，待加热器出水温度稳定后，突然减小加热功率至2kW，直到温度再次稳定。图13～图15分别为加热功率由6kW突然减少到2kW时的冷却液温度变化曲线、电动三通阀开度变换曲线和冷却液循环流量变化曲线。

图13表明当冷却风量和水泵转速不变、系统热负荷突然减小时，冷却液温度仅下降约3℃，然后很快又回到了目标温度附近。图14和图15分别反映了控制策略在执行过程中的电动三通阀开度的变化过程和冷却液循环流量的变化过程。

4 结论

基于模糊控制原理，利用电动三通比例阀控制内燃机冷却液大、小循环的流量，获得了比较理想的效果，该控制策略的优点主要表现在3个方面。

(1)对内燃机冷却液温度的控制更加精确。由于冷却液的目标温度是模糊控制策略中的一个参数，因此其具有一定的灵活性。可将其设定为可变值，来适应内燃机在不同工况下对散热的要求。

(2)具有较好的动态调节性能。当系统的热负荷突然变化时，系统通过对电动三通比例阀开度的实时控制，保证冷却液温度稳定在目标温度附近，避免了内燃机过冷和过热情况的出现。

(3)有利于冷却系统的节能。在内燃机工作过程中，可以首先通过对冷却液大、小循环流量的控制使内燃机工作在适宜的温度;当大循环完全开启后，如果冷却液温度继续上升，再令电子冷却风扇工作。节能主要体现在:①在大部分工况下通过电动三通阀对冷却液大、小循环流量的控制即可维持内燃机工作在适宜的温度，减少了电子冷却风扇的运行时间;②大循环完全开启后，冷却液全部流过散热器，这使电子冷却风扇的散热效率达到最高。

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