1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1目的及意义

由统计图可知，在2017年之前汽车销量一直呈现上升趋势，虽然在之后开始下滑，但总体趋势是增加的。而从2010至2017年，全球汽车销量一直在稳步提升中。在环境保护的大趋势下，发动机节能减排的要求便成了必然。如何更合理经济地对发动机进行温控和冷却也成为了国内外企业的考虑重点之一。

在传统的发动机水冷散热系统中，冷却风扇是通过皮带与发动机曲轴相连，因此风扇转速与发动机转速是直接相关，无法根据发动机的工况需求进行自动调节。当发动机在低温条件下启动时，由于冷却水泵和风扇的共同作用，气缸的热量会被冷却系统迅速带走，从而使发动机的热机时间延长；而在高温和高负荷条件下，发动机突然进入怠速状态时，由于风扇转速偏低，使得发动机多余的热量不能及时散出，而使发动机过热。这些问题不但会降低发动机的效率，而且会增加发动机的燃油消耗。因此，研制更能适应环境温度和使用工况变化的发动机冷却系统，对提升发动机冷却系统的技术水平具有重要意义，不但能够提升整车性能，降低燃油消耗，而且能够降低发动机的排放和污染。

本论文在研究分析国内、外发动机冷却温度控制系统技术的基础上，结合企业对发动机控温需求，设计开发满足恒温和快速冷热冲击试验要求的、控制精度高、瞬态响应性好、使用成本低、功能完善的冷却温度控制系统。旨在大幅降低设备开发和使用成本，提升国内发动机试验设备开发能力和水平。

1.2国内外研究现状

目前业内对于传统对流换热冷却系统进行强化的同时，对于智能化电控冷却系统进行了大量的潜力挖掘。电子水泵、电子风扇技术使传统的冷却散热装置与发动机转速解耦，实现全工况范围转速可调、流量可变的驱动形式，减少驱动装置能耗损失、降低摩擦损失、缩短冷启动预热时间、减少污染物排放、提高整机使用寿命。

俄罗斯的莫斯科国立鲍曼技术大学对发动机的控制系统有所研究。Stirling发动机的控制系统调节发动机的功率和轴速。Stirling发动机的一个重要的特性是对负载突然变化的极速响应。Stirling发动机的功率和轴速度可能受到气缸内工作流体温度和压力变化的调节，通过调节发动机活塞之间的相位差，并通过在多缸系统的不同气缸中替换循环，马达压缩的改变也是可能的。

俄罗斯的南乌拉尔州立大学对增压柴油机的温控系统也进行了研究。多用途轮式履带式车辆(MPV)的技术水平在很大程度上取决于冷启动准备时间和发动机启动时间为了减少冷启动准备时间，并确保未来对启动特性的要求，在组合系统中可以共享AOP和AOF，选用了设备体积小、重量轻且低功耗油温控制系统(OTCS)。显著减少了冷启动时间的准备工作。

针对大功率汽车所使用的冷却系统，美国、欧洲和日本都开展了冷却风扇温控液压驱动系统的研究工作，其典型的系统工作原理如图所示。

由图可知，典型液压风扇液压驱动控制系统与传统的直连式风扇驱动系统相比，系统的控制过程是由冷却液温度传感器将冷却液温度信号传给ECU，ECU通过控制比例阀的开度，实现液压马达及冷却风扇转速的调节。

液压控制元件与散热系统的优化匹配和最佳温度控制策略及专用控制器的开发是该系统研发的核心技术。国外著名液压系统集成制造商如德国的博世力士乐、美国的派克、伊顿、萨澳-丹佛斯等相继研发出功能完善，具有自诊断、过载保护等功能的冷却风扇液压驱动系统，并在重型卡车、高档大型客车以及工程车辆中得以成功应用。

目前，国内冷却系统的液压驱动及控制技术的研究仍处在概念性、介绍国外产品或理论分析阶段，并没有自己的产品，即国内的大功率车辆的发动机冷却系统主要还依靠采购几家国外垄断公司的整套产品。目前，国内主要从以下几方面进行研究。

（1）发动机热负荷特性的研究现状：2002年，重庆大学的余涛采用有限元分析方法，对发动机传热情况进行了模拟。

（2）发动机散热系统特性的研究现状：2000年，吉林大学陈吉安以某乘用车使用的1301015-A1型管带式散热器为例，根据散热器散热性能的回归方程，重点分析了散热器入口水温、流量、冷却风速等对散热系统的散热量、水阻和风阻的影响。

（3）液压驱动和调节装置特性的研究现状：2004年，青岛大学张铁柱以某液压驱动风扇的某中型商用车发动机为例，对控制发动机冷却风扇的液压系统方案进行了研究。

（4）冷却系统驱动控制的研究现状：2004年，长安大学的罗小梅以液压驱动风扇的某中型商用车液压驱动系统为例，针对泵控马达系统进行了二次开发。等。

此外，国内论文[5]对电液比例控制发动机风扇驱动系统进行了研究，这种温控系统可采用电液比例液压泵系统，其能量损失和噪声都很低，但成本较高，适用于大功率风扇的场合，对于中小功率发动机场合，可采用电液比例阀卸油方式，液压系统如图所示。发动机的冷却水温度由液压马达驱动的风扇的转速来控制，当发动机不需要或需要很少的冷却时，温度传感器发出相应的电信号， 经过放大控制电液比例阀的旁路系统，将大部分液压油不经过马达而卸流回油箱，此时风扇转速很低或不转，不致产生过份冷却。旁路压力控制阀还起限制最高压力的作用：关闭时， 泵的全部流量进入液压马达，风扇转速达到最高值；开启时，系统压降决定风扇最低转速。

对于温控系统的非线性和时效性，国内对此也进行了研究。由于其具有较强的非线性和时效性，所以需要利用非线性温控模型进行热动力温度控制。在利用传统算法进行热动力温度控制的过程中，需要根据热动力系统中的温度数据和参数辨识数据对PID进行线性逼近，实现热动力的非线性控制。假设温控精确度要求比较高，则无法准确描述上述复杂的温度非线性变换情况，降低了热动力温度控制的准确性。利用传统算法进行热动力温度控制，无法避免由于温控精确度要求比较高造成的难以准确描述复杂的温度非线性变换过程的缺陷，降低了热动力温度控制的准确性。

为了避免上述缺陷，国内论文[9]提出基于模糊自适应控制算法的热动力温控系统建模方法。计算热动力温控系统中的温度变化函数，并对热动力控制系统状态数据进行反馈。描述热动力温控系统的控制结构，建立热动力模糊自适应温度控制模型，并获取该模型的隶属度函数和温控规则。实验结果表明，利用改进算法进行热动力温控系统建模，能够提高控制的时效性和控制的准确性，保证热动力系统的正常运行。

2. 研究的基本内容与方案

2.1设计目标

燃油发动机温度控制系统是一个具有强扰动的非线性动态系统，其系统建模与仿真尤为重要，设计的目标便是对电子风扇、机械水泵、水箱、控制阀内的温度进行分析，建立该温度控制系统的数学模型，完成该系统的CAD建模，并进行动态过程仿真。本设计一方面将对大功率车辆的液压驱动和调节装置特性及冷却系统的驱动控制这些重点和难点问题展开深入研究，另一方面采用仿真和试验相结合的方式，对这四方面的相互耦合影响进行综合与系统的分析。

2.2设计的基本内容

发动机热管理技术主要有两个系统组成：一是冷却智能控制模式，二是风扇智能控制模式。热管理系统是使发动机不过冷也不过热，一直控制在90℃最佳温度内，使发动机在工作中发挥最佳能量，燃油消耗也达到最佳境界。风扇智能控制系统，就是发动机在工作中，系统控制发动机散热情况，从而达到转速高和低。一般发动机风扇高速运转时，要消耗10KW的能量，而风扇智能控制系统，能合理控制风扇运转，使发动机在最佳温度工作下，而节省发动机能量。当发动机加装热管理系统时，它能在最佳温度下工作，这样发动机能大大减少机械磨损，又提高发动机使用寿命，又能达到节省燃油目的。

典型的车辆冷却系统如图5，包括：冷却水泵、发动机、油冷器、节温器、散热器、暖风与膨胀水箱等部件。

1）根据整车和发动机技术参数，制定液压驱动风扇冷却系统设计方案，并进行总体空间结构设计。在此基础上对发动机热负荷特性、最佳控制温度、冷却介质热特性和散热系统特性等参数进行详细设计，为仿真分析提供基础。

2）结合本文车型的实际工况，建立发动机冷却系统AMESim仿真与分析模型，并对发动机冷却系统中液压驱动风扇的调试特性和响应特性进行仿真与分析；采用多目标模糊控制方法，实现各工况下冷却水温的最优控制。

3）基于AMESim/Simulink联合仿真平台，对特定循环行驶工况下控制策略进行仿真分析；同时，在发动机与散热冷却系统的联合工作试验平台上，对典型工况下发动机和散热冷却系统的实际匹配效果进行试验，验证研制大功率发动机冷却系统的正确性和可靠性。

2.3拟采用的技术方案及措施

根据某汽车的基本参数和发动机的技术参数，对发动散热冷却系统总体方案和空间布置进行设计。在此基础上，对发动机热负荷特性、最佳控制温度、冷却介质热特性、散热系统特性等发动机冷却系统基本参数进行研究计算，并最终确定了上述各参数的初始数值，为整车发动机散热系统的仿真分析，确定液压驱动、电液比例控制的各项特性打下基础。

发动机冷却系统的设计步骤：

第一步，根据发动机功率需求和整车环境使用条件，确定适宜的发动机冷却驱动系统方案；

第二步，由于整车结构尺寸的限制，根据冷却系统的驱动方案，进行发动机冷却系统的空间结构布局；

第三步，对发动机热负荷特性、最佳控制温度、冷却介质热特性、散热系统特性等基本参数进行详细设计，为发动机冷却系统的仿真分析提供基础。

第四步，通过整车发动机散热系统的仿真研究，分析发动机冷却系统的风扇液压驱动特性，并采用多目标模糊控制方法实现各工况下冷却水温的最优控制。

第五步，对发动机散热冷却系进行联合仿真与试验研究，验证发动机散热冷却系正确性及可靠性。

车用发动机冷却系统的研制主要包括发动机热负荷特性、发动机散热系统特性、液压驱动和调节装置特性及冷却系统的驱动控制等四个方面，但同时又要考虑整车负荷、使用工况等各方面的影响，因此首先需要建立整车与发动机仿真分析模型，然后通过系统仿真对各工况下液压驱动风扇冷却系统的稳定性与动态响应性进行深入研究。

表1.拟采用的发动机各项参数

产品型号	SQR372
产品代号	0.8L DOHC
型式	直列3缸、12气门、顶置双凸轮轴
缸数	3
排量(L)	0.812
缸径×行程(mm)	72×66.5
压缩比	9.5
额定功率(kW@r/min)	38/6000
最大扭矩(N.m@r/min)	70/3500-4000
升功率(kW/L)	46.8
外形尺寸(mm)	481×443×699
发动机总成净质量(kg)	76

3. 研究计划与安排

时间	计划
第1-3周	查阅相关文献资料，明确研究内容，完成外文资料翻译和开题报告。
第4-5周	完成燃油发动机温度控制数学模型。
第6-12周	完成该系统的CAD建模，并进行动态过程仿真。
第13-14周	完成说明书及相关设计图纸，修订说明书。
第15周	准备答辩。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 付永领, 祁晓野,amesim系统建模和仿真参考手册.北京航空航天大学出版社[m]，2011.

[2] 赵焱明. 大功率车用发动机冷却系统研究[d]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学机械工程系，2017.

[3] 董涛,张国方.发动机冷却液温度监控系统设计及仿真[j].武汉理工大学汽车工程学院,2016.