发动机冷却系统应用仿真技术的研究

屈俊锋

（约翰迪尔（天津）有限公司，天津 300457）



发动机冷却系统应用仿真技术的研究

屈俊锋

（约翰迪尔（天津）有限公司，天津 300457）

摘 要：本文对发动机冷却系统的热物理特性进行分析，建立发动机冷却系统仿真模型，并利用MATLAB进行仿真实验。结果表明，利用本文的控制方法，能够使发动机在不同的工况下保持最佳温度范围，提高发动机的性能，缩短发动机的研发周期。

关键词：内燃机 电控冷却系统 非线性控制 模糊控制

引言

在汽车结构中，发动机冷却系统能使汽车在不同的工况下都能保持最佳性能，提高汽车的使用寿命与行驶的安全性。由于汽车的行驶工况极其复杂，发动机的热量堆积具有强烈的非线性特征，因此需要对发动机的冷却系统进行合理控制，从而使发动机产生的热量堆积被及时散发

出去。

由于进行发动机冷却系统控制的过程中涉及到的参数较多，对控制精度的要求较高，控制策略也相对复杂，因此在汽车设计阶段，对发动机冷却系统的控制方法的应用进行仿真分析，能够有效缩短研发周期，降低研发成本。

1 发动机冷却系统仿真模型的建立

1.1 发动机模型的建立

汽车发动机产生的热量与流入发动机的燃油量成正比。燃油转换为热量后，主要通过三种形式散发出去。第一种形式，转化为汽车的机械能，为汽车提供驱动力；第二种，通过排气系统进行散热；第三种方式，通过发动机的冷却系统进行散热。本文只考虑第三种散热形式。已知发动机冷却系统散发的热量与发动机的燃油流量呈正比，则利用下述公式能够计算发动机冷却系统的热量负载：

利用下述公式则能够计算发动机冷却系统中冷却液的散热量：

其中，Q°为冷却液散发的热量，h为冷却液的对流换

c热系数，A为发动机与冷却系统之间的接触面积，Teng为发动机表面的温度，Teng_ in为冷却介质的进入冷却系统时的温度，Teng_ out为冷却液流出冷却系统时的温度。

根据发动机缸体的热平衡，能够得到下述公式：

其中，（MC）eng为发动机的热容量。

1.2 发动机散热器模型的建立

利用下述公式能够计算发动机冷却系统中散热器得到的热量：

其中，Tci为散热器入口处的温度，Tco为散热器出口处的温度，Trad为散热器内的有效散热面积。同理，利用下述公式能够计算由散热器传递到空气中的热量：

发动机进入稳定状态后，冷却液传递给散热器的热量与冷却空气散发的热量相同，即：

p

发动机在非稳态的情况下，有：

2 发动机散热器系统控制模型的建立

在发动机冷却系统中，将包括冷却液管道在内的散热管道等效为离散的控制网络，设置相同的冷却介质具有同样的温度、压力和密度等参数，则在网格内也有着同样的参数。利用相邻网格之间的边界层对相关参数进行计算，则根据质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，能够得到下述控制模型：

其中，cf为冷却介质管道内的摩擦系数，D为管道的直径，e为单位质量冷却介质的内能，H为系统的总焓数。

3 仿真实验分析

3.1 实验环境设置

为了检验本文建立的发动机冷却系统控制模型的有效性，需要进行一次仿真实验。利用仿真软件Matlab 7.4构建实验环境。在实验的过程中，制定了以下控制策略：（1）发动机在启动过程不进行散热；（2）发动机在稳态工况下，散热器水泵在满足散热的情况下保持最低转速；（3）散热风扇在启动过程中或者汽车运行至最高速时处于关闭状态。在发动机冷却系统的进出口处都安装温度传感器，在水泵和散热风扇中都安装速度传感器，用于转速的实时监控与调整。

相关参数设置为：仿真时长为600s，发动机进行热传递时的输出功率为45kW，并在第100s、300s和600s处，将输出功率设置为75kW、55kW和70kW，用于模拟发动机不同的工况。散热器进口处的温度为25℃，发动机的初始温度为60℃，散热器的初始温度为45℃，

3.2 实验结果分析

在发动机刚开始启动的时间阶段内，发动机冷却系统的冷却液流量和风量均为零。当发动机的温度接近目标温度时，散热器的水泵开始启动，发动机的热量开始传递到散热器中，散热器的温度开始上升，趋近于稳定值，此时冷却系统的运行强度完全决定于发动机传递的热量。当发动机进入正常的运行状态后，散热风扇稳定运行，阀门打开，冷却液进行到散热器中，其温度迅速上升。最后，阀门开到最大，冷却液进行稳定循环过程，输出的温度为一个稳定的值，发动机进入到散热器的冷却液温度也趋近稳定状态。在第100s、300s和600s时，控制器输出的冷却液质量与空气流量都能满足控制要求。

4 结束语

发动机冷却系统的控制策略对于延长发动机的使用寿命，提高发动机的性能和缩短研发周期都具有重要的意义。通过对发动机冷却系统热传递的研究，确定冷却风扇的转速、冷却液流量等参数的调节范围，从而使发动机在不同的工况下都能保持在最佳温度范围。

Research on Simulation Technology of Engine Cooling System

QU Junfeng
（John Deal （Tianjin） Co.， Ltd.， Tianjin 300457）

Abstract:In this paper， the thermal physical characteristics of the engine cooling system were analyzed， the engine cooling system simulation model was established， and the simulation experiment was carried out by MATLAB. The results show that the control method of this paper can keep the optimum temperature range under different conditions， improve the performance of the engine and shorten the development cycle of the engine.

Key words:internal combustion engine， electronic controlled cooling system， nonlinear control， fuzzy control