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原文传递车用发动机智能冷却系统基础问题研究

论文题名：	车用发动机智能冷却系统基础问题研究
关键词：	车用发动机;智能冷却系统;控制策略;数值仿真;验证试验
摘要：	车辆及发动机技术的发展、能源与环境问题的涌现和人们使用需求的提升使冷却系统的功能定义不断演变、技术路径不断进化、性能要求不断提升，冷却系统已不再是以冷却为唯一目标的辅助配置，而是在车辆起动、行驶、停机等各个工作阶段，需满足排放法规、经济性需求、动力需求、舒适性需求以及可靠性与耐久性的综合性系统。智能化是兼顾各种问题与需求的关键技术，是车辆及发动机冷却系统的进化与发展趋势。但智能化并非孤立的技术手段，而与其他技术路径相辅相承；智能冷却系统各部件的运行亦非孤立，而是依据车辆行驶路况及发动机运行工况的变化协同工作。正因如此，在车辆及发动机运行的全工况下针对多个目标作系统化协调控制运行成为智能冷却系统技术的关键问题。　　本文通过试验研究为主数值仿真为辅的手段，研究了车用发动机智能冷却系统的基础问题，制定了基于电子水泵、电子风扇、电子节温器和电加热器的发动机全工况智能冷却系统控制策略，并予以试验验证，旨在按需调节冷却液温度实现精确冷却，并在起动阶段缩短暖机时间，在停机之后避免热浸现象，从而提高燃油经济性、整机可靠性并减少污染物排放。本文的主要工作内容包括：　　1.建立了包含发动机台架试验系统、车载试验系统和风洞试验系统的乘用车智能冷却系统试验研究平台，提出用环境温度、冷却液散热量、冷却风速、发动机的转速与负荷率等参数在三个试验系统之间传递数据的方法，并为提高冷却液散热量的测量计算精度设计了一种基于对联热电偶的小温差测量新方法，并验证了其测量误差可控制在±0.04℃。　　2.开展了智能冷却控制系统脉谱图(MAP)研究。基于上述三个试验系统分别开展了发动机热平衡研究、车辆迎风冷却强度研究以及包含冷却模块散热性能、冷却水泵特性和冷却风扇特性在内的机外冷却系统部件工作特性研究，制定了智能冷却控制系统MAP。研究表明：以环境温度、车速、发动机转速和负荷率为输入量，以风扇转速和水泵转速为输出量，可用8个关系式确定地描述其内在联系，并以此为基础以风扇与水泵功率之和最小化为原则，制定了由冷却液散热量MAP、水泵转速MAP和风扇转速MAP组成的智能冷却控制系统MAP。　　3.开展了稳态工况下发动机内部冷却状况的数值仿真研究。使用计算流体动力学(CFD，Computational Fluid Dynamics)和数值传热学(NHT，Numerical Heat Transfer))方法对冷却水套内冷却液的流动与传热进行了模拟分析。结果表明：冷却液流量对发动机内部冷却状况影响显著，若以过热区域为评价标准，在发动机工作过程中存在安全流量qcs。本文提出了以冷却液散热量Qc为基准进行工况划分的方法，获得qcs-Qc曲线，并依此对智能冷却控制系统MAP作安全修正。　　4.开展了发动机暖机及后冷却控制技术研究。研究对比了采用电加热器进行同步加热、预加热以及联合加热的多个辅助加热方案对暖机过程温升时间和燃油消耗的影响，并开展了采用模糊控制的电子节温器在暖机过程中对冷却液温度实行精确调节的研究，最后研究了基于电子风扇和电子水泵联合调节的热态停机后冷却控制技术。结果表明：采用电加热器的各个辅助加热方案均可显著缩短暖机时间，同时降低燃油消耗，但改善水平各有千秋，暖机时间减幅和净节油率最高可达66.1％和32.7％；采用模糊控制的电子节温器可有效降低节温器初次开启时的温度波动至2.2℃以内，并迅速稳定在目标值附近，波动小于1℃；多个后冷却技术方案中，单独开启水泵以最低转速续流的方式为最优，既可有效避免停机热浸现象发生，又可节约能耗。　　5.开展了智能冷却系统集成控制技术研究。将上述结果与结论进行综合研究，形成了基于电子水泵、电子风扇、电子节温器和电加热器的发动机全工况控制策略，并在实验室中建立了控制系统，选取典型工况进行了试验验证。结果表明：相比原机冷却系统而言，以MAP前馈+PID反馈和模糊控制为主要控制策略的智能冷却系统能够明显缩短暖机时间、更精确地控制发动机冷却液温度、有效抑制发动机停机后的热浸现象，并且更加节能。
作者：	韩松
专业：	动力机械及工程
导师：	俞小莉;刘震涛
授予学位：	博士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文