汽车发动机冷却系统智能控制技术探讨

马维维

（青岛恒星科技学院 山东 青岛 266100）

引言

随着汽车发动机性能的提高，对散热的需求不断提高，发动机冷却系统的控制技术发生了颠覆性的改变，主要包括冷却风扇、冷却水泵以及节温器等零部件的改进[1-3]。冷却风扇主要是根据发动机的温度调节风力大小，达到发动机散热的目的。随着智能控制技术的发展，可采用电子设备，通过温度感知的手段实时调节风扇的工作频率。目前，冷却水泵主要包括机械水泵与电子水泵等2种。其中，电子水泵能提高汽车发动机的工作效率，降低能量损耗。但电子水泵的缺点较为明显，且成本较高，控制策略复杂，在实际的工程中应用较少。节温器是冷却液流程分配的控制调节单元，电子节温器已取代传统的蜡式节温器。电子节温器能根据冷却液温度的反馈实时调整冷却液流量。

发动机冷却系统主要包括主冷却系统、EGR（废气再循环）冷却系统以及增压中冷系统等，分别由3条独立的冷却回路以及冷却水泵控制。奥迪（Audi）公司开发的EA888型发动机，利用多功能热管理系统，在冷却过程中精确控制冷却液温度。同时，节油率和减排效率也有所提高，可以说是智能冷却系统的雏形[4-7]。本文主要对汽车发动机冷却系统智能控制的相关技术进行了介绍。

1 发动机智能冷却系统结构及关键技术介绍

发动机智能冷却系统结构如图1所示，主要包括传感器系统、控制系统、循环系统等。其中，传感器系统的主要作用是对发动机温度进行实时监测以及对监测数据进行管理；控制系统的主要作用是按照既定的控制逻辑，结合各种运行数据进行控制策略的执行；循环系统的主要作用是利用冷却液对发动机降温以及对自身温度循环进行控制，根据冷却液温度自动调节为大循环和小循环等2种模式；各系统间通过LAN总线构建通讯网络，各部件按照控制策略进行操作。

汽车发动机的工作主要包括3个阶段：起动暖机阶段、行驶阶段以及后冷却阶段。起动暖机阶段指在汽车发动机起动后，发动机机内冷却液由较低温度上升为正常的发动机运行温度的阶段。该阶段是汽车发动机零部件磨损最严重的阶段，缩短暖机时间成为发动机冷却技术的关键。行驶阶段为汽车发动机正常工作阶段，在该阶段，发动机冷却系统处于稳定循环状态，因此不做为主要研究对象。后冷却阶段指发动机停机后，由于发动机自身的特点，需要冷却系统持续为其冷却，避免因局部过热造成发动机的稳定性和可靠性降低。通常的解决办法是利用电子风扇持续为发动机降温。汽车发动机智能冷却系统控制策略如图2所示[8-10]。

图1 智能冷却系统结构图

汽车发动机智能冷却系统控制策略所涵盖的关键技术包括电子节温器的模糊控制、电子风扇与电子水泵的MAP+模糊控制等。

1.1 电子节温器的模糊控制

所谓模糊控制理论指的是通过构建模糊集及模糊逻辑，建立隶属函数间的相互关系，实现对目标对象的控制。该理论主要解决不确定性特征的目标对象的控制问题，模糊控制的原理如图3所示。

模糊控制的工作步骤如下：

1）根据部件输入参数确定目标值，通过A/D转换器将采集的信号进行转换，将目标值与转换后的值相减，从而得出系统误差e；

2）通过微分计算系统误差的变化率d e/d t，通常采取一个周期的变化表示△e。

3）构建隶属函数，将误差e和误差变化率按照某种规律划分为不同的模糊子集，得到模糊量E和△E；

4）根据实际的汽车发动机智能冷却系统工作流程建立相关规则，通过行为模拟的方式完成目标对象的控制；

5）对模糊量E和△E所属区间进行判断，根据4）所定义的模糊规则进行模糊推理，得出控制量U；

6）对模糊控制量U完成去模糊操作，得出精确的控制量u。

图2 汽车发动机智能冷却系统控制策略流程图

图3 模糊控制原理图

以发动机缸盖出口处的冷却液温度与预测温度差作为电子节温器模糊控制器的输入量，以上述步骤计算所得出的电子节温器开度增量u作为输出量，完成对冷却系统大小循环流量的分配。

在控制过程中，电子节温器需遵循如下规则：

1）若冷却液实际温度超高（远大于目标值），并且上升速率较高（处于暖机状态），则较大幅度增加电子节温器的开度；

2）若冷却液实际温度稍高（距离目标值不大），并且上升速率较低（处于正常行驶状态），则保持电子节温器的开度基本不变；

3）若冷却液实际温度较低（远小于目标值），并且下降速率较高（处于后冷却控制状态），则较小幅度减小电子节温器的开度。

1.2 电子风扇与电子水泵联合的MAP+模糊控制

当汽车发动机处于暖机或正常行驶状态时，电子风扇与电子水泵即进入工作状态，该时刻执行MAP+模糊控制的联合控制模式，控制流程如图4所示。

图4 电子风扇与电子水泵的联合控制流程图

在联合控制过程中，融合了MAP模糊查询以及模糊控制等2种控制策略，通过动态的匹配方式寻求电子风扇及电子水泵的最优组合解，并以各自的最优解作为模糊控制策略的输入进行控制调节，完成对目标对象的控制。

2 仿真实验

仿真实验是通过仿真手段对不同的控制技术进行性能分析，主要包括起动暖机阶段和后冷却阶段对智能控制策略进行模拟，并与传统的蜡式冷却模式进行对比，也就是将采用电子节温器和电子水泵的智能冷却模式与采用传统蜡式节温器和机械水泵的传统冷却模式进行对比。实验条件如表1所示。

表1 实验参数表

利用表1所示的实验参数进行智能控制策略的模拟，并在汽车行驶的不同阶段，将智能冷却系统控制模式与传统冷却系统控制模式进行对比，按照汽车发动机不同阶段的运行情况对发动机进口、出口的冷却液温度进行检测，

实验结果如图5所示。

从图5可以看出，在起动暖机阶段，智能冷却系统温度较高；在行驶阶段，相比传统冷却系统，智能冷却系统的温度变化更为平稳，表明智能冷却系统能更稳定地为发动机散热提供支持，而传统冷却系统往往由于部件间的性能瓶颈，造成整体性能下降。

图5 智能冷却系统与传统冷却系统发动机缸盖冷却液温度

3 结论

本文介绍了汽车发动机智能冷却系统的系统结构以及相关的关键技术，并对电子风扇、电子水泵等的控制策略进行了分析，对相关的模糊控制流程进行了说明，通过仿真实验证明了智能冷却系统在发动机降温的稳定性上比传统冷却系统好。