礦用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 維，李質(zhì)彬，王孔波，徐元坤

（西京學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710123）

礦用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 維，李質(zhì)彬，王孔波，徐元坤

（西京學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710123）

文章以某型號(hào)礦用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)礦用車(chē)輛在礦區(qū)惡劣環(huán)境下工作時(shí)，現(xiàn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)無(wú)法保證發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳工況條件下運(yùn)行的問(wèn)題。通過(guò)設(shè)計(jì)電動(dòng)水泵實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)對(duì)該冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)測(cè)試，能夠解決礦用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)存在的問(wèn)題，為礦用車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一種有效合理的途徑。

礦用車(chē)；發(fā)動(dòng)機(jī)；冷卻系統(tǒng)；電動(dòng)水泵控制系統(tǒng)

礦用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)采用更加緊湊的設(shè)計(jì)和更大的單位體積功率，強(qiáng)化程度越來(lái)越高，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱流量也隨之明顯增大，而在礦山區(qū)內(nèi)礦用車(chē)輛由于工作環(huán)境惡劣、負(fù)荷變化大，發(fā)動(dòng)機(jī)更容易產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致機(jī)油變質(zhì)和燒損，燃油消耗偏高，易于出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)鍋，引起發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性全面惡化，降低整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性，影響礦用車(chē)壽命，而傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)無(wú)法滿足礦用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)保持在最佳工作溫度條件下運(yùn)行。

本文針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種電動(dòng)水泵控制系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置溫度傳感器對(duì)冷卻系統(tǒng)水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控反饋給ECU，ECU對(duì)所反饋的水溫信號(hào)進(jìn)行循環(huán)采集、判斷、處理，而后對(duì)電動(dòng)水泵下達(dá)相應(yīng)的調(diào)節(jié)指令，從而達(dá)到實(shí)時(shí)響應(yīng)調(diào)節(jié)冷卻水供給量大小，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在變工況情況下良好地工作運(yùn)行，有效地改善了冷卻系統(tǒng)。

1 礦用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)是為了將發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)高溫零件所吸收的熱量及時(shí)帶走，使它們保持在適當(dāng)溫度范圍內(nèi)工作的循環(huán)系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用傳統(tǒng)的強(qiáng)制循環(huán)冷卻系統(tǒng)。某礦用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)水循環(huán)冷卻系統(tǒng)主要包含發(fā)動(dòng)機(jī)、散熱器、風(fēng)扇、冷卻水泵、冷卻水泵進(jìn)水管、節(jié)溫器及發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)外管路等[1]，具體如圖1所示。散熱器出水口的冷卻液在冷卻水泵的加壓下進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)中，帶走發(fā)熱零件吸收的多余熱量，并通過(guò)節(jié)溫器流向散熱器。在水泵作用下，冷卻液形成循環(huán)流動(dòng)，達(dá)到持續(xù)冷卻作用。而發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸通過(guò)帶傳動(dòng)直接驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)扇對(duì)流經(jīng)散熱器的高溫液體強(qiáng)制散熱。該系統(tǒng)是按發(fā)動(dòng)機(jī)最大熱負(fù)荷工況進(jìn)行設(shè)計(jì)的，不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱需要而自動(dòng)調(diào)節(jié)，同時(shí)也會(huì)使油耗增加、整機(jī)的噪音增大，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，影響駕駛員的舒適性[2]。

2 冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

目前國(guó)外在重型礦用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)方面一般采用全封閉環(huán)式冷卻系統(tǒng)[3]。國(guó)內(nèi)在冷卻系統(tǒng)方面的研究是根據(jù)冷卻水循環(huán)量的大小直接影響冷卻循環(huán)系統(tǒng)效果的好壞而展開(kāi)的。通常負(fù)荷較大時(shí)能滿足冷卻需求，負(fù)荷較小時(shí)，冷卻量過(guò)大，影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行。本文針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款電動(dòng)水泵控制系統(tǒng)，如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)在傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)置了溫度傳感器，并用電動(dòng)水泵替代機(jī)械水泵。水溫傳感器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)出水管處采集溫度值，ECU對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行循環(huán)采集、判斷、處理，系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)水泵發(fā)出工作指令調(diào)節(jié)電動(dòng)水泵轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制冷卻液流量的目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)水溫的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制，滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)在復(fù)雜多變的工況下的正常需求，提高冷卻系統(tǒng)的效率，節(jié)省了能源消耗。

圖1 某礦用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)示意

圖2 冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)示意

3 電動(dòng)水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

此電動(dòng)水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要包括硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、電源電路設(shè)計(jì)等。硬件是指控制器本身及其外圍設(shè)備，是控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。其結(jié)構(gòu)的合理、可靠與否，將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能[4]。設(shè)計(jì)的電動(dòng)水泵控制系統(tǒng)的硬件主要由溫度測(cè)量裝置、ECU、驅(qū)動(dòng)電路、電動(dòng)水泵等組成，如圖3所示。

ECU是將CPU，RAM，ROM，I/O接口電路、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及串行通信接口等部件制作在一塊集成芯片上構(gòu)成一個(gè)完整的電子控制器[5]，其原理如圖4所示。

圖3 電控水泵控制裝置原理

圖4 電控輔助系統(tǒng)控制系統(tǒng)硬件ECU示意

此微處理器是ST C公司生產(chǎn)的高檔8位單片機(jī)STC89C51。其能向下完全兼容 51 全部字系列產(chǎn)品，采用CMOS 制造工藝，功耗低；可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程。在片外設(shè)有內(nèi)部時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、驅(qū)動(dòng)模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊等。此設(shè)計(jì)測(cè)量的對(duì)象為冷卻液溫度，溫度測(cè)量裝置（主要是溫度傳感器）是構(gòu)成控制系統(tǒng)最重要的元件之一，選用MSTT型一體化溫度轉(zhuǎn)換裝置。溫度傳感器采集發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度信號(hào)，溫度轉(zhuǎn)換裝置直接把溫度傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大和線性化處理，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)變后的電壓信號(hào)直接送到A/D轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，由單片機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)換后的結(jié)果處理。經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)DAC0832進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，根據(jù)指令轉(zhuǎn)換數(shù)字量轉(zhuǎn)換為電流，然后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)水泵以不同的轉(zhuǎn)速為冷卻循環(huán)系統(tǒng)提供合理的冷卻液量。

此系統(tǒng)的單片機(jī)控制系統(tǒng)接口電路，具體如圖5所示。系統(tǒng)的元件主要包括STC89C51，ADC0809，DAC0832，MSTT，DS18B20，LM324，74LS04等元器件。

圖5 單片機(jī)控制系統(tǒng)接口電路

控制系統(tǒng)軟件將整個(gè)程序按功能劃分為獨(dú)立的模塊，各模塊可以單獨(dú)設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試，然后再聯(lián)調(diào)，最終使之成為一個(gè)有實(shí)用價(jià)值的程序。電控系統(tǒng)軟件主要完成對(duì)冷卻液溫度信號(hào)的循環(huán)采樣、運(yùn)算處理、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等功能。主程序流程如圖6所示。

圖6 電控輔助系統(tǒng)控制系統(tǒng)主程序流程

4 結(jié)語(yǔ)

在同一轉(zhuǎn)速下，原系統(tǒng)和新系統(tǒng)的油耗對(duì)比（此處列出了兩組轉(zhuǎn)速，分別為1 300 r/min，1 900 r/min）如圖7所示。方塊線條代表原車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的油耗，圓點(diǎn)線條代表帶有此冷卻系統(tǒng)的油耗。經(jīng)測(cè)試，對(duì)比改進(jìn)前后在不同轉(zhuǎn)速下的油耗，結(jié)果表明帶有此冷卻系統(tǒng)的油耗明顯低。冷卻系統(tǒng)的性能得到了明顯改善，并且可更有效地降低燃油消耗量、減少噪聲，提高了整車(chē)的燃油性與經(jīng)濟(jì)性。不足之處是由于系統(tǒng)工作環(huán)境的特殊性，還應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，以達(dá)到與重型礦用車(chē)更好地匹配。

圖7 改進(jìn)前后的油耗對(duì)比

[1]嚴(yán)永華.工程機(jī)械用柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)匹配技術(shù)研究[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2014（3）：21-37.

[2]周軍.豐田電控液力馬達(dá)冷卻風(fēng)扇系統(tǒng)的檢查[J].汽車(chē)診所，2010（2）：16-17.

[3]KERN J，AMBROS P. Concepts for a controlled optimized vehicle engine cooling system[J]. SAE Technical Paper，1997（6）：971816-971822.

[4]王福瑞.單片微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999.

[5]胡汗才.單片機(jī)原理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

Optimization design of cooling system for mine truck engine

Li Wei, Li Zhibin, Wang Kongbo, Xu Yuankun
（Mechanical Engineering Department of Xijing University, Xi’an 710123, China）

In this paper, the cooling system of a certain type of mine truck engine is taken as the research object. Aiming at the problem that the current engine cooling system can not guarantee the engine running in the best condition when the mine truck working in the mining area under the bad environment. The optimal design of the cooling system is realized by designing the real-time control system of the electric water pump. It can solve the problems that existed in the cooling system of mine truck engine, and provide an effective and reasonable way for the optimization design of engine cooling system.

mine truck; engine; cooling system; electric water pump control system

李維（1965— ），男，陜西西安人，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師；研究方向：活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試與優(yōu)化。