汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)智能冷卻系統(tǒng)的研究

林超 李永富

摘 要：由于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的風(fēng)扇、水泵、節(jié)溫器工作的協(xié)調(diào)性較差，傳統(tǒng)控制模式限制了發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的適應(yīng)性，尤其是在惡劣的工況下過(guò)熱等問(wèn)題，將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工況異常。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)；發(fā)動(dòng)機(jī)；智能冷卻系統(tǒng)

引言

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)智能化是利用各種控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的智能檢測(cè)與調(diào)控，通過(guò)控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻風(fēng)扇、冷卻水泵以及節(jié)溫器等設(shè)備的智能控制，采用集成技術(shù)形成對(duì)各種子系統(tǒng)的集成。由于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)是一個(gè)存在非線(xiàn)性和滯后效應(yīng)的復(fù)雜系統(tǒng)，智能控制技術(shù)主要解決多變工況下多參數(shù)多目標(biāo)的精確控制問(wèn)題。

一、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)智能控制的研究意義

傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，冷卻效率較低，屬于被動(dòng)式的。傳統(tǒng)的冷卻液大小循環(huán)的路線(xiàn)是由節(jié)溫器控制的，其節(jié)流損失大，工作效率低、不可靠，不能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱要求對(duì)冷卻系統(tǒng)的散熱能力進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且人為控制保溫簾，從而改變散熱器的通風(fēng)量。但冷卻風(fēng)扇是由發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸直接驅(qū)動(dòng)的，冷卻性能隨發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的變化而變化，滿(mǎn)足不了實(shí)際散熱要求。

二、冷卻系統(tǒng)的作用

冷卻系統(tǒng)的功用是帶走引擎因燃燒所產(chǎn)生的熱量，使引擎維持在正常的運(yùn)轉(zhuǎn)溫度范圍內(nèi)。引擎依照冷卻的方式可分為氣冷式引擎和水冷式引擎。氣冷式引擎是靠引擎帶動(dòng)風(fēng)扇及車(chē)輛行駛時(shí)的氣流來(lái)冷卻引擎；水冷式引擎則是靠冷卻水在引擎中循環(huán)來(lái)冷卻引擎。不論采用何種方式冷卻，正常的冷卻系統(tǒng)必須確保引擎在各種行駛環(huán)境中都不致過(guò)熱。

三、冷卻系統(tǒng)的組成

水冷卻系統(tǒng)一般由散熱器、節(jié)溫器、水泵、水道、風(fēng)扇等組成。散熱器負(fù)責(zé)循環(huán)水的冷卻，它的水管和散熱片多用鋁材制成，鋁制水管做成扁平形狀，散熱片帶波紋狀，注重散熱性能，安裝方向垂直于空氣流動(dòng)的方向，盡量做到風(fēng)阻要小，冷卻效率要高。散熱器又分為橫流式和垂直流動(dòng)兩種，空調(diào)冷凝器通常與其裝在一起。

四、冷卻系統(tǒng)智能控制的構(gòu)成

發(fā)動(dòng)機(jī)智能冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括傳感器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)等。其中，傳感器系統(tǒng)的主要作用是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理；控制系統(tǒng)的主要作用是按照既定的控制邏輯，結(jié)合各種運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行控制策略的執(zhí)行；循環(huán)系統(tǒng)的主要作用是利用冷卻液對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)降溫以及對(duì)自身溫度循環(huán)進(jìn)行控制，根據(jù)冷卻液溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)為大循環(huán)和小循環(huán)2 種模式；各系統(tǒng)間通過(guò)LAN 總線(xiàn)構(gòu)建通訊網(wǎng)絡(luò)，各部件按照控制策略進(jìn)行操作。

系統(tǒng)由于汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)、熱輻射和電磁干擾，因此對(duì)該系統(tǒng)電路有特殊要求：1）電路要有較高的抗振動(dòng)能力，以適應(yīng)不同路況、車(chē)況的要求。提高系統(tǒng)整體的可靠性和穩(wěn)定性。2）電路應(yīng)采取有效的防護(hù)隔離措施，以提高其抗干擾能力。

4.1系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由電控冷卻風(fēng)扇、電控節(jié)溫器、電控導(dǎo)風(fēng)板、微控制機(jī)構(gòu)組成。電控冷卻風(fēng)扇由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；電控節(jié)溫器利用電加熱引起雙金屬片變形，由雙金屬片變形帶動(dòng)節(jié)溫閥旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，來(lái)改變大小循環(huán)；電控導(dǎo)風(fēng)板由雙向電動(dòng)機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使之打開(kāi)或關(guān)閉；微控制機(jī)構(gòu)是利用89C51開(kāi)發(fā)的單片機(jī)控制系統(tǒng)。

4.2單片機(jī)控制系統(tǒng)工作原理

由溫度傳感器感受發(fā)動(dòng)機(jī)水溫的變化，同時(shí)把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橥涑煞幢汝P(guān)系的電壓模擬信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)處理（電容器低通濾波、校正和電壓跟隨器耦合）送入A/D轉(zhuǎn)換器（ADC0809）中INO信號(hào)通道。由A/D轉(zhuǎn)換器把采集來(lái)的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并讀入單片機(jī)，89C510單片機(jī)89C51根據(jù)不同的輸入信號(hào)分析處理去控制驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)溫器繼電器、導(dǎo)風(fēng)板繼電器和風(fēng)扇繼電器的控制。即可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻能力的智能控制。

4.3單片機(jī)系統(tǒng)控制過(guò)程

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱時(shí)（發(fā)動(dòng)機(jī)水溫70℃），單片機(jī)根據(jù)檢測(cè)來(lái)的溫度數(shù)據(jù)處理分析向執(zhí)行元件發(fā)出控制信號(hào)，使其完成如下操作。

1）電控冷卻風(fēng)扇不工作；

2）電控導(dǎo)風(fēng)板關(guān)閉狀態(tài)；

3）電控節(jié)溫器處于小循環(huán)狀態(tài)。

由于導(dǎo)風(fēng)板關(guān)閉，冷卻風(fēng)扇不工作，以至冷卻空氣不能進(jìn)入散熱器；

同時(shí)節(jié)溫器處于小循環(huán)（加熱電阻絲通電），發(fā)動(dòng)機(jī)水溫上升很快。當(dāng)水溫升至75℃，單片機(jī)根據(jù)檢測(cè)來(lái)的溫度數(shù)據(jù)處理分析向執(zhí)行元件發(fā)出控制信號(hào)，使電控節(jié)溫器的加熱電阻絲斷電（讓其進(jìn)入大循環(huán)控制狀態(tài)）。當(dāng)水溫達(dá)到80℃時(shí)，單片機(jī)又發(fā)出指令，使電控導(dǎo)風(fēng)板處于敞開(kāi)狀態(tài)。

4.4車(chē)用傳感器

為了使汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳的工作狀態(tài)，分別利用空氣流量傳感器和壓力傳感器測(cè)量冷卻汽缸體的空氣流量和壓力，結(jié)合溫度傳感器測(cè)得的冷卻水溫、汽缸周?chē)鷾囟鹊葏?shù)計(jì)算冷卻液的動(dòng)態(tài)流量，然后通過(guò)相應(yīng)的傳感器檢測(cè)氣門(mén)的開(kāi)度和發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)的工作狀況，進(jìn)而調(diào)整控制冷卻水的大小。

1）車(chē)用熱線(xiàn)式氣體流量傳感器。氣體流量傳感器是安裝在空氣濾清器和節(jié)氣門(mén)體之間，用于汽車(chē)噴油系統(tǒng)中，測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)吸入空氣量的多少，決定射油量的參數(shù)。

2）溫度傳感器。實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣、冷卻液、燃油、排氣等溫度，是保證電子控制系統(tǒng)能夠精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)的工作參數(shù)的前提。溫度傳感器按結(jié)構(gòu)可分為熱敏、金屬膜、金屬沫、碳沫等電阻式。熱敏電阻式溫度傳感器具有響應(yīng)特性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、成本低廉等方面的突出優(yōu)點(diǎn)，在汽車(chē)電子控制系統(tǒng)中得以較為廣泛應(yīng)用。

3）轉(zhuǎn)速傳感器。車(chē)速傳感器可測(cè)量差速?gòu)膭?dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)、車(chē)輪旋轉(zhuǎn)、測(cè)量動(dòng)力傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)等。光電速度傳感器是反射型的光電開(kāi)關(guān)，前端采用光纖封裝，適應(yīng)微小旋轉(zhuǎn)體的測(cè)量。

4.5智能系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.5.1設(shè)計(jì)要求。由于汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一系列的反應(yīng)，如熱輻射，強(qiáng)烈的振動(dòng)，以及電磁于擾，所以對(duì)該系統(tǒng)電路有特殊要求：1）電路要具有抗振性，保證系統(tǒng)整體的可靠穩(wěn)定性；2）電路需要防護(hù)隔離措施，使其具有抗干擾性。

4.5.2系統(tǒng)組成及其硬件設(shè)計(jì)。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)智能系統(tǒng)由電控節(jié)溫器、電控冷卻風(fēng)扇、微控制機(jī)構(gòu)、電控導(dǎo)風(fēng)板等部件組成。預(yù)計(jì)未來(lái)智能化、不拆修發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)在恒溫罩內(nèi)，可通過(guò)高精度的測(cè)溫，控溫裝置，實(shí)現(xiàn)十分比和百分比的測(cè)溫精度。利用這些恒溫裝置和測(cè)溫裝置，可使發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)使用過(guò)程中，工作溫度控制在最佳范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)不同溫度下工作轉(zhuǎn)速和輸出功率的最佳對(duì)應(yīng)關(guān)系，最終保證發(fā)動(dòng)機(jī)在任何大氣環(huán)境條件下都能處于最佳工作狀態(tài)。先進(jìn)的智能控制手段能有效地控制發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行、監(jiān)測(cè)，從而真正體現(xiàn)出綠色環(huán)保發(fā)動(dòng)機(jī)的使用意義。

五、結(jié)束語(yǔ)

這種汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)智能控制裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱能力控制的智能化，可以精確、自動(dòng)地調(diào)節(jié)冷卻液的溫度，把發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度限制在最佳階段，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。

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