肖利英王文璽李趁前（-廣西大學(xué)廣西南寧50000 -上汽通用五菱汽車股份有限公司-天津博頓電子有限公司）

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基于中心組合設(shè)計(jì)的主動(dòng)進(jìn)氣格柵控制標(biāo)定

肖利英1王文璽2李趁前3
（1-廣西大學(xué)廣西南寧530000 2-上汽通用五菱汽車股份有限公司3-天津博頓電子有限公司）

摘要：目前主動(dòng)進(jìn)氣格柵多采用開環(huán)控制，在建立發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理模型的基礎(chǔ)上，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱與冷卻需求進(jìn)行建模分析，建立了最多15種的格柵開啟角度控制算法，滿足冷卻系統(tǒng)對(duì)進(jìn)風(fēng)量的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制。同時(shí)引入中心組合設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)標(biāo)定方案并通過二次多項(xiàng)式回歸方程建立車速-格柵開度-風(fēng)扇狀態(tài)的三因素風(fēng)量預(yù)測(cè)模型。結(jié)果表明，該方法能夠?qū)崟r(shí)滿足整車?yán)鋮s需求并優(yōu)化匹配標(biāo)定方案，有效降低汽車行駛阻力，提升燃油經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：中心組合設(shè)計(jì)主動(dòng)進(jìn)氣格柵控制模型燃油經(jīng)濟(jì)性

引言

主動(dòng)進(jìn)氣格柵（Active Grille System，以下簡(jiǎn)稱AGS）是近年來一項(xiàng)新興的節(jié)油技術(shù)，它具備成本相對(duì)較低，節(jié)油效果明顯的特點(diǎn)，目前已在歐洲及北美汽車市場(chǎng)普及應(yīng)用。它通過在行駛過程中合理控制前進(jìn)氣格柵的開度，達(dá)到調(diào)節(jié)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻風(fēng)量的目的，降低行駛過程中的內(nèi)循環(huán)阻力，提升整車燃油經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)主動(dòng)進(jìn)氣格柵系統(tǒng)能夠改善發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)過程中的排放，提升整車駕駛性能，已在國(guó)外中高端車型中應(yīng)用，而國(guó)內(nèi)自主品牌的應(yīng)用目前仍處于空白。

Charnesky[1]對(duì)格柵全開和全閉2種狀態(tài)下的汽車空氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究，提出了一種2開度的格柵控制算法。Sharkawy[2]對(duì)3種格柵狀態(tài)下的發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱平衡性能及整車駕駛性進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了基于冷卻需求、溫度控制、熱保護(hù)的控制模型。Mustafa[3]提出了一種基于溫度模型的格柵開度控制模型。Richard Burke[4]對(duì)不同溫度及發(fā)動(dòng)機(jī)特性下BSFC的性能進(jìn)行了研究及大量試驗(yàn)，用于AGS邊界條件的建立。國(guó)內(nèi)目前尚未有對(duì)AGS控制模型研究的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

本文通過建立發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理模型，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱與冷卻需求進(jìn)行理論分析，引入中心組合設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)標(biāo)定方案并通過二次多項(xiàng)式回歸方程建立車速-格柵開度-風(fēng)扇狀態(tài)的三因素風(fēng)量預(yù)測(cè)模型及格柵開度Map圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)AGS系統(tǒng)的多開度控制，在優(yōu)化匹配標(biāo)定方案的同時(shí)，通過最多10種開啟角度對(duì)冷卻風(fēng)量進(jìn)行精確控制，提升整車燃油經(jīng)濟(jì)性。

1不同AGS開度下的風(fēng)阻優(yōu)化

汽車在行駛過程中，壓力阻力約占總行駛阻力的91%，壓力阻力由形狀阻力、干擾阻力、內(nèi)循環(huán)阻力、誘導(dǎo)阻力共同組成。其中，氣流流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)阻所造成的內(nèi)循環(huán)阻力占整個(gè)行駛阻力約9%[5]。通過減少進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)艙的冷卻風(fēng)量，能夠明顯降低由冷卻系導(dǎo)腔不規(guī)則、各類拐角、障礙使流動(dòng)方向發(fā)生突變所導(dǎo)致的摩擦和動(dòng)量損失[6]。

以普通乘用車為例，車速為90 km/h時(shí)，克服行駛阻力所消耗的油耗約占總油耗的25%。車速?gòu)?0 km/h加速到110 km/h時(shí)，行駛阻力增加約40%，油耗增加約10～15%。

空氣阻力由式1計(jì)算。）其中：FL為空氣阻力，ρ為空氣密度，cd為空氣阻力系數(shù)，A為最大橫截面積，v為車速。

由式（1）可得空氣阻力功率為：其中：PL為空氣阻力功率，F(xiàn)L為空氣阻力，v為車速。

空氣阻力系數(shù)cd計(jì)算公式為：其中：m為整備質(zhì)量，a1、v1為t1時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的加速度與車速，a2、v2為t2時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的加速度與車速。

某車型在搭載AGS后的實(shí)際滑行阻力曲線如圖1所示。

圖1　 AGS全開、閉滑行阻力曲線

在整個(gè)滑行過程中，AGS全閉狀態(tài)比全開狀態(tài)的平均滑行阻力低約28 N；車速20～90 km/h區(qū)間，AGS全閉狀態(tài)比全開狀態(tài)的平均滑行阻力低19.21 N；車速90～120 km/h區(qū)間，AGS全閉狀態(tài)比AGS全開狀態(tài)的平均滑行阻力低48.11 N。

由式2計(jì)算可得出AGS全閉狀態(tài)相對(duì)全開狀態(tài)所優(yōu)化的風(fēng)阻功率，見圖2。在車速大于80 km/h后，AGS所產(chǎn)生的風(fēng)阻功率優(yōu)化增益明顯增高，在車速為100 km/h時(shí)，優(yōu)化風(fēng)阻功率約3 430 W。

圖2　 AGS全閉狀態(tài)優(yōu)化風(fēng)阻功率

由式3計(jì)算可得出AGS在不同開度下對(duì)應(yīng)的空氣阻力系數(shù)，見表1。

表1　不同AGS開度下風(fēng)阻系數(shù)

對(duì)整車3D數(shù)據(jù)進(jìn)行表面網(wǎng)格劃分后計(jì)算處理分析（見圖3、4）可知，AGS在關(guān)閉狀態(tài)下能夠明顯降低進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的冷卻風(fēng)量，同時(shí)能夠優(yōu)化紊流所產(chǎn)生的氣阻。

圖3　冷卻風(fēng)量?jī)?yōu)化值

圖4　冷凝器入口壓力云圖

基于CAE分析計(jì)算結(jié)果，格柵開度為100%時(shí)，風(fēng)阻系數(shù)約為0.355，開度為0%時(shí)，風(fēng)阻系數(shù)約為0.341，CAE分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相當(dāng)。

AGS能夠優(yōu)化汽車在行駛過程中（特別是中高速情況下）的行駛阻力，通過合理控制AGS的開啟角度，能夠在滿足整車?yán)鋮s需求的條件下，提升整車燃油經(jīng)濟(jì)性。

2 AGS多開度控制模型

傳統(tǒng)汽車前進(jìn)氣格柵的開口面積（GOA）是基于滿足最惡劣工況下散熱需求對(duì)風(fēng)量要求而設(shè)計(jì)的。實(shí)際工況下，過量的冷卻氣流動(dòng)量損失反而會(huì)導(dǎo)致內(nèi)循環(huán)阻力上升[7]，因此可對(duì)GOA進(jìn)行控制優(yōu)化。

2.1散熱需求模型

發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒放熱可分為四個(gè)部分:機(jī)械做功Pm、發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量Pe、排氣帶走熱量Pex和余項(xiàng)散熱損失Pr。

發(fā)動(dòng)機(jī)能量守恒方程如下：其中：Qe為燃料燃燒釋放熱量。其中：Mf為燃料質(zhì)量，Hf為燃料熱值。其中：ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，Tn為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩。其中：p為氣缸數(shù)，D為氣缸直徑，S為活塞行程；α為修正系數(shù)。其中Mex為排氣質(zhì)量，cex為排氣比熱容，Tex-in和Tex-out分別為排氣進(jìn)、出口溫度。

發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量Pe通過缸壁傳熱傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液中?？紤]發(fā)動(dòng)機(jī)的熱容，忽略發(fā)動(dòng)機(jī)表面輻射與對(duì)流換熱的影響，建立熱傳遞方程。

其中：Pc為冷卻液傳熱量，Te為發(fā)動(dòng)機(jī)本體溫度，Me

為發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，ce為發(fā)動(dòng)機(jī)比熱容。

2.2冷卻需求模型

行駛中，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻所需的空氣流量Qa由風(fēng)扇與車速共同提供，表示為：其中：Qf為風(fēng)扇提供的空氣流量，vra為通過散熱器的平均風(fēng)速，Ar為散熱器迎風(fēng)面積，Tr-in、Tr-out分別為散熱器進(jìn)風(fēng)側(cè)、出風(fēng)側(cè)平均溫度，ρa(bǔ)為空氣密度，ca為空氣定壓比熱容。

Ar由AGS開度θa表示的二次擬合函數(shù)表示：

冷卻氣流阻力系數(shù)γ可由下式計(jì)算：其中：vD為車速，Cpe為出口壓力系數(shù)，σr為散熱器等價(jià)壓力損失系數(shù)，σb為冷卻水箱等價(jià)壓力損失系數(shù)，σc為冷凝器等價(jià)壓力損失系數(shù)，σf為散熱風(fēng)扇等價(jià)壓力損失系數(shù)，σp為冷卻系管道等價(jià)壓力損失系數(shù)。

軸流式風(fēng)扇流量Qf可由下式計(jì)算：

其中：準(zhǔn)為流量系數(shù)，D1為輪轂直徑，D2為葉輪外徑，u為葉輪外圓周速度。

2.3 AGS系統(tǒng)模型

由式（9）可知，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，dTe/ dt = 0，Pe= Pc。即，發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量與冷卻液散熱量相當(dāng)。依據(jù)式（7）、（10）、（11）、（12）、（13）建立基于車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、散熱器進(jìn)出風(fēng)側(cè)溫度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的AGS開度控制模型。

基于上述過程，采用Simulink建立了AGS多開度控制系統(tǒng)模型，如圖5、6所示。其中，對(duì)AGS開度控制的模型如圖7所示。

對(duì)AGS開度的控制模型由2部分組成，MultiPos_cal用于計(jì)算壓縮機(jī)不工作時(shí)，滿足冷卻需求所需的格柵開度；Veh_AeroDynamic_cal用于計(jì)算當(dāng)車速大于V_critical且壓縮機(jī)工作時(shí)，風(fēng)阻功率增益最大化所對(duì)應(yīng)的格柵開度。

圖5　 AGS控制算法流程圖

圖6　 AGS系統(tǒng)模型

圖7　 AGS開度控制模型

3基于中心組合的格柵開度Map圖標(biāo)定

3.1標(biāo)定方案與設(shè)計(jì)

在MultiPos_cal和Veh_AeroDynamic_cal模型中均需要建立基于車速vD、風(fēng)扇狀態(tài)ns、格柵開度θa不同狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的空氣流量Qa的Map圖（LUT_ AirFlow），以用于AGS開度控制模型計(jì)算。

其中，VD標(biāo)定范圍為0～200 km/h，以10 km/h為標(biāo)定區(qū)間，共21個(gè)標(biāo)定點(diǎn)；ns標(biāo)定范圍為0～100%，以20%為標(biāo)定區(qū)間，共6個(gè)標(biāo)定點(diǎn)；θa標(biāo)定范圍為0～100%，以10%為標(biāo)定區(qū)間，共15個(gè)標(biāo)定點(diǎn)。采用傳統(tǒng)標(biāo)定方法共需進(jìn)行1 890組標(biāo)定試驗(yàn)。本文通過引入中心組合設(shè)計(jì)（CCD）方法進(jìn)行DOE設(shè)計(jì)，通過二次多項(xiàng)式回歸方程建立車速-格柵開度-風(fēng)扇狀態(tài)的三因素風(fēng)量預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)格柵開度Map圖的標(biāo)定。

以車速X1、風(fēng)扇狀態(tài)X2、格柵開度X3為試驗(yàn)因素，采用Design Expert8.0進(jìn)行二次回歸中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，各因素及水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。

表2　風(fēng)量因素水平編碼表

標(biāo)定方案及試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3　試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

3.2回歸模型及結(jié)果分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)擬合回歸，建立基于車速、風(fēng)扇狀態(tài)、格柵開度的風(fēng)量預(yù)測(cè)回歸模型方程，見式14。

對(duì)回歸模型方程進(jìn)行方差分析，F(xiàn)值為42.8，P 值<0.0001，表明自變量和因變量間有極顯著的相關(guān)關(guān)系，擬合水平良好；對(duì)預(yù)測(cè)模型的擬合度進(jìn)行檢驗(yàn)，回歸判定系數(shù)R2達(dá)到96.289%，體現(xiàn)出回歸模型方程與試驗(yàn)數(shù)據(jù)整體符合程度較高，表明該模型可用于AGS的冷卻風(fēng)量預(yù)測(cè)。

模型中各因素對(duì)風(fēng)量的影響如圖8所示。

圖8　模型響應(yīng)曲面分析圖

空氣流量隨車速、風(fēng)扇速度、格柵開度的增加而增大，由圖8a）、b）分析可知，車速對(duì)于空氣流量影響顯著，在AGS開度控制模型中應(yīng)優(yōu)先考慮利用車速滿足發(fā)動(dòng)機(jī)艙的冷卻風(fēng)量需求。由圖8c)分析可知，在車速較低時(shí)，格柵開度對(duì)空氣流量影響顯著，在AGS開度控制模型中當(dāng)車速低于V_critical時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用格柵開啟角度滿足冷卻風(fēng)量需求。

4 AGS試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

基于上述方法，建立AGS多開度控制模型及格柵開度Map圖，完成AGS系統(tǒng)軟硬件開發(fā)后，開展AGS實(shí)車性能試驗(yàn)，AGS系統(tǒng)裝配效果如圖9所示。

圖9　 AGS裝配圖

AGS系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足在極限工況下（10%爬坡，溫度35℃，車速70、120 km/h）整車的熱管理性能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)應(yīng)提升典型工況下（NEDC）的整車燃油經(jīng)濟(jì)性。AGS功能禁止（格柵始終全開）與開啟（控制模型正常工作）的熱性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖10、11所示。

圖10　冷卻水溫對(duì)比

由圖10分析可知，在極限工況下，AGS功能開啟后，散熱器進(jìn)出水溫均高于AGS禁止時(shí)的水溫，平均溫度升高2.03℃。發(fā)動(dòng)機(jī)艙其它溫度見表4。AGS開啟后，由于冷卻風(fēng)量的控制，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)艙各部件的溫度整體有所上升，其中對(duì)于蓄電池的溫度影響較為明顯，應(yīng)充分考慮溫度升高后對(duì)蓄電池充放電性能的影響，對(duì)發(fā)電機(jī)的輸出電壓進(jìn)行電源管理。但從總體來看，冷卻液及各部件的溫度均處于設(shè)計(jì)要求的最大工作溫度范圍內(nèi)。

表4　發(fā)動(dòng)機(jī)艙部件溫度

AGS功能禁止與開啟的經(jīng)濟(jì)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如表5所示。由圖分析可知，AGS功能開啟后，整車滑行阻力降低，采用降低后的滑行阻力曲線能夠帶來較為明顯的經(jīng)濟(jì)性提升，在NEDC工況下，實(shí)測(cè)節(jié)油效果約0.13 L。

表5　 NEDC油耗測(cè)試對(duì)比

5結(jié)論

1）本文提出了一種基于冷卻需求預(yù)測(cè)進(jìn)行AGS多開度控制的新方法，建立了整車散熱-冷卻需求模型及AGS多開度控制模型。對(duì)AGS可能影響到的熱管理性能和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證分析。結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的AGS多開度控制方法能夠滿足整車熱管理性能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，典型工況下節(jié)油效果約0.1L。該方法可用于對(duì)AGS的閉環(huán)實(shí)時(shí)控制，有效提升汽車燃油經(jīng)濟(jì)性。

2）本文通過引入中央組合設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)AGS多開度控制Map圖的標(biāo)定，建立了冷卻需求預(yù)測(cè)模型及車速-開度-風(fēng)扇狀態(tài)-風(fēng)量響應(yīng)曲面，對(duì)顯著影響冷卻風(fēng)量的因素進(jìn)行了理論分析。模型F值為42.8，P值<0.0001，回歸判定系數(shù)達(dá)到96.289%，結(jié)果表明，該方法可用于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)冷卻需求并優(yōu)化設(shè)計(jì)AGS匹配標(biāo)定方案。

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The Calibration of Active Grille System Based on
Central Composite Design

Xiao Liying1, Wang Wenxi2, Li Chenqian3
1- Guangxi University（Nanning，Guangxi，530000，China）
2- SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd. 3- Tianjin Bodun Electronics Co.，Ltd.

Abstract：For the open loop control algorithm of active grille system at the moment，this paper has designed an engine compartment thermal management model，and then analyzed the engine heat dissipation and cooling requirement. A grille angle control algorithm which has maximum 15 angles was developed. This method can meet real-time requirements of inlet air for the cooling system. The calibration scheme was designed through central composite design method，and a three factors prediction model based on speed-grille angle-fan status was designed through quadratic polynomial regression equation. The test result shows that，this method can meet the real-time requirements of cooling system and optimize the calibration scheme，reduce the aerodynamic drag effectively，and improve the fuel economy.

Keywords：Central composite design，Active grille system，Control model，F(xiàn)uel economy

收稿日期：（2015-05-10）

文章編號(hào)：2095-8234（2015）03-0038-06

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：U461.8

作者簡(jiǎn)介：肖利英（1965-），女，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槠嚰鞍l(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)。