适合WLTP工况的智能冷却系统控制策略研究

王 菲，盛鹏程，张 志 ，李文涛

（1.河北机电职业技术学院，河北 邢台 054048；2.中国汽车技术研究中心汽车工程院，天津 300300；3.邢台职业技术学院，河北 邢台 054000）

WLTP工况即全球轻型车测试规程，是由联合国欧洲委员会联合一些国家的政府如日本、中国、俄罗斯、印度和韩国等，针对全球各个不同区域的驾驶工况进行收集与评估，开发出的一种可以在全球范围内适用于轻型车的测试循环，能够根据各国的交通状况反映出驾驶员的实际驾驶行为。中国在2020年前，将在全国范围内实施更为严格的国Ⅵ（国六）排放标准。Ⅵ排放标准的推广实施离不开测试工况，测试工况是油耗和排放标准的评价基础。有研究表明：发动机冷却系统热管理占到发动机燃油热量的30%左右，目前国内大多数发动机机型并未对冷却系统进行智能开发；同时中国道路拥堵严重，车辆大部分为城区工况，加减速更加频繁，借鉴WLTP工况更能符合中国大城市瞬变的实际驾驶情况。为了应对在新的排放测试循环工况WLTP下达到国Ⅵ排放标准，各个汽车生产企业面临的节能减排任务压力大，形势严峻。因此，对智能冷却系统在WLTP工况下进行研究具有紧迫感和前瞻性。

1 新的WLTP工况与NEDC工况之间的比较

图1为NEDC与WLTP排放测试循环工况测试图。从图1中可以看出：NEDC循环主要由市区运转循环和郊区运转循环两部分组成，市区运转循环工况由3个怠速、加速、匀速和减速循环单元工况组成，每个循环单元工况平均车速34 km/h，最高车速50 km/h，有效行驶时间195s；郊区运转循环由一个运转循环单元组成，平均车速62.6 km/h，有效行驶时间400s，最高车速120 km/h。

图1 NEDC与WLTP排放测试循环工况测试图

新的WLTP工况主要包含以下4个运转区间：低速区、中等速度区、高速区以及更高车速区，相关对比参数见表1。新的WLTP工况与当前的NEDC循环工况相比，主要区别是：①测试时间更长，由1 200 s增加到了1 800 s；②平均车速有了较大提升，最高车速由120 km/h达到131 km/h；③加速能力变得更强。由于加速度更大，速度更高，因此WLTP运转循环将导致更高的油耗和排放，这给企业针对节能减排方面提出了更苛刻的要求。

表1 NEDC与WLTP之间的比较

2 智能冷却系统结构与控制原理

2.1 智能冷却系统结构

汽车发动机的智能冷却系统主要将可控节温器与电动风扇融入到现有冷却系统环路中，构建出一套发动机智能冷却系统，主要由电动水泵、电动风扇、电控蜡式节温器等部件组成，如图2所示。与传统冷却循环相比，只需要通过极小的结构改动和软件升级，就可将其融入到现有冷却系统环路中。

图2 智能冷却系统组成

2.2 智能冷却系统控制原理

燃油在发动机里燃烧所产生的温度可高达2 000 ℃，这个高温对于发动机的工作是有害的，所以必须将该温度冷却到“工作温度”。合适的发动机工作温度不但能够提高发动机功率、减少燃油消耗，也能降低发动机尾气的排放。发动机的工作能力取决于冷却系统是否正常工作，其工作温度要求如图3所示，横坐标为发动机转速，纵坐标为扭矩。部分负荷时，冷却液温度较高，冷却液温度为95～110 ℃，这有助于降低油耗和废气中的有害物质；全负荷时，冷却液温度较低，冷却液温度为85～95 ℃，吸入的空气被加热到的温度低一些，这有助于提高功率。但是传统的冷却方式仅仅依靠蜡式节温器的被动调节，无法满足冷却液温度与实时的发动机工作温度相匹配的要求。

图3 发动机负荷与冷却水温关系

图4为智能冷却系统工作原理图。水温传感器将散热器出水口温度转换为数字信号，并经过滤波处理送给单片机，单片机将此信号与预先存储的规定温度特性曲线相比较，得到此时实际温度与规定温度差及温差变化率，通过一个双输入单输出的模糊控制器，模糊控制器对输入、输出信号进行模糊化、模糊规则建立、反模糊化等一系列处理，最后得到能够使电控节温器、电控水泵及电控风扇按照要求工作的控制信号。

图4 智能冷却系统工作原理图

3 模糊控制策略

本文采用双输入单输出的模糊控制策略，以散热器出水口温度与温度特性曲线中的规定温度差E和温差变化率EC为输入，以控制量U为输出，模糊控制论域为{-10，-7，-3，0，3，7，10}，语言变量设为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，隶属度函数为三角形函数，输入变量与控制量的模糊规则如图5所示，控制量与被控对象关系见表2。

4 试验

图5 控制量与被控量之间MAP关系

表2 冷却能力与被控对象的关系

当发动机刚起动时，此时需要冷却能力最弱，电动水泵、电动风扇和电控节温器均不工作，处于小循环状态。当温度达到85～95 ℃时，此时需要中等水平的冷却能力，电动水泵工作，电动风扇、电控节温器工作状态由模糊控制策略决定，当温度达到95～110 ℃时，冷却能力最强。

图6为发动机采用智能冷却系统后的试验图。图6a表示在WLTP工况下冷起动暖机时间的对比，红色表示采用智能冷却系统之后的暖机时间，明显比代表传统冷却系统的绿色曲线缩短了。图6b～6d表示在油耗、排放方面的比较，可以看出：采用智能冷却系统比传统冷却系统在节能减排方面有了明显降低，证明本文采用的模糊控制策略达到了一定效果。

图6 智能冷却与传统冷却的试验比较

5 结论

智能冷却系统的集成开发与相关研究已有20年历史，智能冷却系统在改善燃油经济性、延长机油使用寿命、减少有害物排放、延长发动机寿命以及增加系统灵活性方面的具体效果，一方面依托于结构设计，一方面取决于所采用的控制策略以及控制系统特性。本文所提出的方法能够主动调节发动机工作温度，在节能减排方面具有积极作用。

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