王 帥，韓 松，俞小莉

(浙江大學(xué)能源工程學(xué)系，杭州 310027)

前言

內(nèi)燃機(jī)一般采用節(jié)溫器作為控制冷卻液流動路徑的閥門，它根據(jù)冷卻液溫度的高低，打開或關(guān)閉冷卻液通向散熱器的通道［1］。傳統(tǒng)的節(jié)溫器大多采用石蠟作為感溫元件，感溫元件被冷卻液加熱/冷卻而產(chǎn)生的膨脹/收縮變形來推動閥門開啟或關(guān)閉，通過這種方式來分配內(nèi)燃機(jī)冷卻液大、小循環(huán)的流量。石蠟節(jié)溫器存在響應(yīng)延遲和加熱/冷卻過程的“滯回”特性［2－3］，在內(nèi)燃機(jī)工作過程中，這樣的元件無法實現(xiàn)對內(nèi)燃機(jī)冷卻液大、小循環(huán)流量的精確控制，不利于使內(nèi)燃機(jī)工作在最適宜的溫度狀態(tài)。

在內(nèi)燃機(jī)冷卻液循環(huán)流量控制方面國內(nèi)外均有研究。文獻(xiàn)［4］中建立了內(nèi)燃機(jī)節(jié)溫器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)［5］中設(shè)計的智能節(jié)溫器用伺服電機(jī)驅(qū)動螺桿，由螺桿的伸縮推動二位三通閥，實現(xiàn)對冷卻液大小循環(huán)的切換，但系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。文獻(xiàn)［6］中設(shè)計的電控節(jié)溫器采用帶電熱絲的雙金屬片作為傳動部件，通過金屬片的形變起作用，克服了石蠟節(jié)溫器響應(yīng)慢的缺點，但這種機(jī)構(gòu)還局限于冷卻液大小循環(huán)的開關(guān)控制，未能實現(xiàn)對大循環(huán)和小循環(huán)部分開啟狀態(tài)的控制。

本文中采用電動三通比例閥作為內(nèi)燃機(jī)冷卻液大、小循環(huán)流量的控制閥。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)冷卻水溫度及其變化率控制電動三通閥的開度，實現(xiàn)對內(nèi)燃機(jī)冷卻液大、小循環(huán)流量的實時控制。

1 電動三通比例閥的結(jié)構(gòu)與基本特性

1.1 電動三通閥的結(jié)構(gòu)和布置

電動三通比例閥的外形及其剖面圖如圖1和圖2所示，圖2示出三通閥的初始位置，AB支路全開、AC支路全閉。隨著閥門轉(zhuǎn)動(逆時針方向0～90°)AB支路逐漸關(guān)閉、AC支路逐漸開啟。閥門旋轉(zhuǎn)90°后，AB支路全閉、AC支路全開。

電動三通閥在內(nèi)燃機(jī)上的布置如圖3所示。當(dāng)三通閥處在初始位置時，大循環(huán)完全關(guān)閉，小循環(huán)完全開啟;隨著三通閥開度增加，大循環(huán)逐漸開啟，小循環(huán)逐漸關(guān)閉;當(dāng)三通閥處在最大位置時，大循環(huán)完全開啟，小循環(huán)完全關(guān)閉。

1.2 電動三通閥的基本流量特性

當(dāng)水泵工作在額定轉(zhuǎn)速時，流過三通閥的總流量約15L/min，三通閥從0°逐漸旋轉(zhuǎn)到90°的過程中AB、AC支路的流量變化情況如圖4所示，圖中Φ表示流量，θ表示三通閥的開啟角度。

當(dāng)0°＜θ＜28°時，AB、AC 兩路的流動狀態(tài)基本保持不變;當(dāng)28°≤θ≤70°時，隨著θ增加，AC流量逐漸增加，AB流量逐漸減小，流量與三通的開度之間有較理想的線性關(guān)系;當(dāng)θ＞70°時，AC流量增加到最大，AB流量減小到0。為了使三通閥在工作過程中獲得比較理想的動態(tài)響應(yīng)性能，在后續(xù)的試驗過程中分別把三通閥的初始開啟角度和最大開啟角度分別限定在28°和70°。

2 內(nèi)燃機(jī)冷卻液循環(huán)流量控制策略

由于內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有非線性、時變和大延遲的特性，對冷卻液的循環(huán)流量采用常規(guī)的PID控制比較困難，因此本文中選擇模糊控制策略。它在一定程度上模仿了人的控制，不需要準(zhǔn)確的控制對象模型，是一種智能控制方法［7］。它將相關(guān)專家的知識和思維、學(xué)習(xí)與推理、聯(lián)想和決策過程由計算機(jī)來實現(xiàn)辨識和建模，并進(jìn)行控制［8］。

冷卻液循環(huán)流量控制的框圖如圖5所示。內(nèi)燃機(jī)出水溫度與目標(biāo)溫度的溫差e和內(nèi)燃機(jī)水溫的變化率Δe為模糊控制器的輸入，電動三通閥開度的增量為模糊控制器的輸出，即控制器根據(jù)內(nèi)燃機(jī)冷卻液溫度與目標(biāo)溫度的溫差和冷卻液溫度的變化率來決定增加/減小電動三通閥的開度，從而控制冷卻液大、小循環(huán)的流量。

2.1 溫差和溫度變化率的確定

溫差e為每個采樣周期內(nèi)，內(nèi)燃機(jī)水溫值與目標(biāo)溫度值之差，溫度變化率Δe為連續(xù)的兩個采樣周期之間的內(nèi)燃機(jī)冷卻水溫之差，即

式中:t0為目標(biāo)溫度;n為采樣序號;T為采樣時間間隔;t(nT)為第n次采樣時的內(nèi)燃機(jī)冷卻液溫度;e(nT)為第n次采樣時內(nèi)燃機(jī)冷卻液溫度與目標(biāo)溫度之差;Δe(nT)為第n次采樣時內(nèi)燃機(jī)冷卻液溫度與第n－1次采樣時的內(nèi)燃機(jī)冷卻液溫度之差。

2.2 輸入和輸出量的模糊化

內(nèi)燃機(jī)運轉(zhuǎn)時最佳的冷卻液溫度與具體的內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，電控內(nèi)燃機(jī)的最佳冷卻液溫度還與ECU的標(biāo)定有關(guān)。

將溫差e劃分為5個模糊集，e的各個模糊集的隸屬函數(shù)φ如圖6所示。

其中，負(fù)大(NB)表示實際溫度比目標(biāo)溫度低3℃左右;負(fù)小(NS)表示實際溫度比目標(biāo)溫度低1℃左右;零(ZO)表示實際溫度與目標(biāo)溫度大致相等;正小(PS)表示實際溫度比目標(biāo)溫度高1℃左右;正大(PB)表示實際溫度比目標(biāo)溫度高3℃左右。

將溫度變化率Δe劃分為5個模糊集，Δe的各個模糊集的隸屬函數(shù)φ如圖7所示。

其中，負(fù)大(NB)表示在一個采樣周期內(nèi)溫度減小2℃左右;負(fù)小(NS)表示在一個采樣周期內(nèi)溫度減小0.75℃左右;零(ZO)表示在一個采樣周期內(nèi)溫度大致不變;正小(PS)表示在一個采樣周期內(nèi)溫度增加0.75℃左右;正大(PB)表示在一個采樣周期內(nèi)溫度增加2℃左右。

將電動三通閥開度的增量u劃分為7個模糊集，u的各個模糊集的隸屬函數(shù)φ如圖8所示。

其中，負(fù)大(NB)表示三通閥的開度減小4%左右;負(fù)中(NM)表示開度減小2%左右;負(fù)小(NS)表示開度減小1%左右;零(ZO)表示開度大致不變;正小(PS)表示開度增加1%左右;正中(PM)表示開度增加2%左右;正大(PB)表示開度增加3%左右。

2.3 模糊控制規(guī)則

模糊規(guī)則設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)為:“內(nèi)燃機(jī)水溫高于目標(biāo)水溫越多、溫度上升速度越快，三通閥的開度增加越大”;“內(nèi)燃機(jī)水溫接近目標(biāo)水溫、溫度變化不大，三通閥開度基本保持不變”;“內(nèi)燃機(jī)水溫低于目標(biāo)水溫越多、溫度下降速度越快，三通閥開度減小越大”。本文中共采用了下列25條模糊控制規(guī)則:

Rule 1:if當(dāng)前溫度大大小于目標(biāo)溫度且溫度快速下降，then大大減小電動三通閥開度;

Rule 2:if當(dāng)前溫度大大小于目標(biāo)溫度且溫度較慢下降，then大大減小電動三通閥開度;

Rule 3:if當(dāng)前溫度大大小于目標(biāo)溫度且溫度基本不變，then大大減小電動三通閥開度;

Rule 4:if當(dāng)前溫度大大低于目標(biāo)溫度且溫度較慢上升，then中等減小電動三通閥開度;

Rule 5:if當(dāng)前溫度大大低于目標(biāo)溫度且溫度快速上升，then稍微減小電動三通閥開度;

Rule 6:if當(dāng)前溫度略低于目標(biāo)溫度且溫度快速下降，then大大減小電動三通閥開度;

Rule 7:if當(dāng)前溫度略低于目標(biāo)溫度且溫度較慢下降，then中等減小電動三通閥開度;

Rule 8:if當(dāng)前溫度略低于目標(biāo)溫度且溫度基本不變，then稍微減小電動三通閥開度;

Rule 9:if當(dāng)前溫度略低于目標(biāo)溫度且溫度較慢上升，then基本保持電動三通閥開度;

Rule 10:if當(dāng)前溫度略低于目標(biāo)溫度且溫度較快上升，then稍微增大電動三通閥開度;

Rule 11:if當(dāng)前溫度基本等于目標(biāo)溫度且溫度較快下降，then大大減小電動三通閥開度;

Rule 12:if當(dāng)前溫度基本等于目標(biāo)溫度且溫度較慢下降，then稍微減小電動三通閥開度;

Rule 13:if當(dāng)前溫度基本等于目標(biāo)溫度且溫度基本不變，then基本保持電動三通閥開度;

Rule 14:if當(dāng)前溫度基本等于目標(biāo)溫度且溫度較慢上升，then稍微增大電動三通閥開度;

Rule 15:if當(dāng)前溫度基本等于目標(biāo)溫度且溫度較快上升，then中等增大電動三通閥開度;

Rule 16:if當(dāng)前溫度略高于目標(biāo)溫度且溫度較快下降，then中等減小電動三通閥開度;

Rule 17:if當(dāng)前溫度略高于目標(biāo)溫度且溫度較慢下降，then基本保持電動三通閥開度;

Rule 18:if當(dāng)前溫度略高于目標(biāo)溫度且溫度基本不變，then稍微增大電動三通閥開度;

Rule 19:if當(dāng)前溫度略高于目標(biāo)溫度且溫度較慢上升，then中等增加電動三通閥開度;

Rule 20:if當(dāng)前溫度略高于目標(biāo)溫度且溫度較快上升，then中等增加電動三通閥開度;

Rule 21:if當(dāng)前溫度大大高于目標(biāo)溫度且溫度較快下降，then稍微減小電動三通閥開度;

Rule 22:if當(dāng)前溫度大大高于目標(biāo)溫度且溫度較慢下降，then稍微增加電動三通閥開度;

Rule 23:if當(dāng)前溫度大大高于目標(biāo)溫度且溫度基本不變，then中等增加電動三通閥開度;

Rule 24:if當(dāng)前溫度大大高于目標(biāo)溫度且溫度較慢上升，then中等增加電動三通閥開度;

Rule 25:if當(dāng)前溫度大大高于目標(biāo)溫度且溫度快速上升，then大大增加電動三通閥開度。

將上述模糊控制規(guī)則整理成模糊控制規(guī)則表，如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表

利用質(zhì)心法對上述模糊控制規(guī)則進(jìn)行解模糊可以得到e和Δe與u之間對應(yīng)關(guān)系，模糊推理輸出的map圖如圖9所示。

例如，當(dāng)e=5℃(內(nèi)燃機(jī)冷卻液溫度高于目標(biāo)溫度5℃)且Δe=5℃(水溫快速上升)時，則電動閥開度的增量為3%，以快速增加大循環(huán)、減少小循環(huán)。

3 冷卻液循環(huán)流量控制策略驗證試驗

內(nèi)燃機(jī)冷卻液循環(huán)流量控制模擬試驗臺架的管路布置如圖10所示。其中包括:電動三通比例閥1;電子風(fēng)扇和散熱器2，電子風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速可調(diào)，可為系統(tǒng)提供可變的冷卻風(fēng)量;電磁流量計3，測量大循環(huán)的流量;水泵4，提供試驗管路中冷卻液循環(huán)的動力;溫度傳感器5，測量電加熱器進(jìn)水溫度;電加熱器6，加熱功率2kW/4kW/6kW/8kW分級可調(diào)，用來模擬內(nèi)燃機(jī)對冷卻水套的散熱;溫度傳感器7，測量電加熱器出水溫度;電磁流量計8，測量循環(huán)的總流量。圖中的箭頭表示管路中冷卻液的流動方向。

3.1 暖機(jī)過程的流量控制試驗

試驗過程中，保持電加熱器的加熱功率為4kW，水泵工作在額定轉(zhuǎn)速，電子風(fēng)扇保持關(guān)閉狀態(tài)，從室溫狀態(tài)下開始對系統(tǒng)進(jìn)行加熱，模擬內(nèi)燃機(jī)的“怠速暖機(jī)”工況。圖11和圖12分別為電動三通閥的開度與冷卻液溫度隨時間的變化曲線和循環(huán)流量與冷卻液溫度隨時間的變化曲線。

由圖11和圖12可知，在暖機(jī)過程對內(nèi)燃機(jī)冷卻液循環(huán)流量的控制可以大致分為3個階段。

第1階段:當(dāng)冷卻液溫度低于目標(biāo)溫度(90℃)時，電動三通閥的開度為0，冷卻液的大循環(huán)流量為0，系統(tǒng)完全進(jìn)行小循環(huán)，冷卻液溫度迅速上升。

第2階段:當(dāng)冷卻液的溫度達(dá)到目標(biāo)溫度附近時，模糊控制器根據(jù)冷卻液的溫度和溫度變化率來實時調(diào)節(jié)電動三通閥的開度，從而合理分配冷卻液大小循環(huán)的流量，保證冷卻液溫度在目標(biāo)溫度附近波動。

第3階段:當(dāng)電動三通閥的開度達(dá)到100%后，大循環(huán)流量達(dá)到最大，這表示暖機(jī)過程已經(jīng)完成，這時無法再繼續(xù)通過調(diào)節(jié)大小循環(huán)流量的方法來維持冷卻溫度穩(wěn)定在目標(biāo)溫度，冷卻液溫度超過目標(biāo)溫度繼續(xù)上升。此時應(yīng)該令電子風(fēng)扇工作，使冷卻液大循環(huán)能夠帶走更多的熱量，繼續(xù)維持冷卻液的溫度穩(wěn)定。由于大循環(huán)完全開啟以后才令電子風(fēng)扇工作，流經(jīng)散熱器的冷卻液最多，這樣也有利于提高風(fēng)扇的散熱效率。

3.2 熱負(fù)荷突變工況下的流量控制試驗

試驗過程中保持電子風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速為600r/min(穿過散熱器的風(fēng)速為0.46m/s)，水泵工作在額定轉(zhuǎn)速，首先以6kW的功率對冷卻液加熱，待加熱器出水溫度穩(wěn)定后，突然減小加熱功率至2kW，直到溫度再次穩(wěn)定。圖13～圖15分別為加熱功率由6kW突然減少到2kW時的冷卻液溫度變化曲線、電動三通閥開度變換曲線和冷卻液循環(huán)流量變化曲線。

圖13表明當(dāng)冷卻風(fēng)量和水泵轉(zhuǎn)速不變、系統(tǒng)熱負(fù)荷突然減小時，冷卻液溫度僅下降約3℃，然后很快又回到了目標(biāo)溫度附近。圖14和圖15分別反映了控制策略在執(zhí)行過程中的電動三通閥開度的變化過程和冷卻液循環(huán)流量的變化過程。

4 結(jié)論

基于模糊控制原理，利用電動三通比例閥控制內(nèi)燃機(jī)冷卻液大、小循環(huán)的流量，獲得了比較理想的效果，該控制策略的優(yōu)點主要表現(xiàn)在3個方面。

(1)對內(nèi)燃機(jī)冷卻液溫度的控制更加精確。由于冷卻液的目標(biāo)溫度是模糊控制策略中的一個參數(shù)，因此其具有一定的靈活性?？蓪⑵湓O(shè)定為可變值，來適應(yīng)內(nèi)燃機(jī)在不同工況下對散熱的要求。

(2)具有較好的動態(tài)調(diào)節(jié)性能。當(dāng)系統(tǒng)的熱負(fù)荷突然變化時，系統(tǒng)通過對電動三通比例閥開度的實時控制，保證冷卻液溫度穩(wěn)定在目標(biāo)溫度附近，避免了內(nèi)燃機(jī)過冷和過熱情況的出現(xiàn)。

(3)有利于冷卻系統(tǒng)的節(jié)能。在內(nèi)燃機(jī)工作過程中，可以首先通過對冷卻液大、小循環(huán)流量的控制使內(nèi)燃機(jī)工作在適宜的溫度;當(dāng)大循環(huán)完全開啟后，如果冷卻液溫度繼續(xù)上升，再令電子冷卻風(fēng)扇工作。節(jié)能主要體現(xiàn)在:①在大部分工況下通過電動三通閥對冷卻液大、小循環(huán)流量的控制即可維持內(nèi)燃機(jī)工作在適宜的溫度，減少了電子冷卻風(fēng)扇的運行時間;②大循環(huán)完全開啟后，冷卻液全部流過散熱器，這使電子冷卻風(fēng)扇的散熱效率達(dá)到最高。

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