汽車發動機智能冷卻系統的研究

林超 李永富

摘 要：由于汽車發動機傳統冷卻系統的風扇、水泵、節溫器工作的協調性較差，傳統控制模式限制了發動機在不同工況下的適應性，尤其是在惡劣的工況下過熱等問題，將導致發動機工況異常。

關鍵詞：汽車；發動機；智能冷卻系統

引言

汽車發動機冷卻系統智能化是利用各種控制技術實現汽車發動機溫度的智能檢測與調控，通過控制策略實現對冷卻風扇、冷卻水泵以及節溫器等設備的智能控制，采用集成技術形成對各種子系統的集成。由于發動機冷卻系統是一個存在非線性和滯后效應的復雜系統，智能控制技術主要解決多變工況下多參數多目標的精確控制問題。

一、汽車發動機冷卻系統智能控制的研究意義

傳統的發動機冷卻系統結構簡單，冷卻效率較低，屬于被動式的。傳統的冷卻液大小循環的路線是由節溫器控制的，其節流損失大，工作效率低、不可靠，不能根據發動機的散熱要求對冷卻系統的散熱能力進行調節，并且人為控制保溫簾，從而改變散熱器的通風量。但冷卻風扇是由發動機的曲軸直接驅動的，冷卻性能隨發動機的轉速的變化而變化，滿足不了實際散熱要求。

二、冷卻系統的作用

冷卻系統的功用是帶走引擎因燃燒所產生的熱量，使引擎維持在正常的運轉溫度范圍內。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風扇及車輛行駛時的氣流來冷卻引擎；水冷式引擎則是靠冷卻水在引擎中循環來冷卻引擎。不論采用何種方式冷卻，正常的冷卻系統必須確保引擎在各種行駛環境中都不致過熱。

三、冷卻系統的組成

水冷卻系統一般由散熱器、節溫器、水泵、水道、風扇等組成。散熱器負責循環水的冷卻，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的方向，盡量做到風阻要小，冷卻效率要高。散熱器又分為橫流式和垂直流動兩種，空調冷凝器通常與其裝在一起。

四、冷卻系統智能控制的構成

發動機智能冷卻系統結構如圖1 所示，主要包括傳感器系統、控制系統、循環系統等。其中，傳感器系統的主要作用是對發動機溫度進行實時監測以及對監測數據進行管理；控制系統的主要作用是按照既定的控制邏輯，結合各種運行數據進行控制策略的執行；循環系統的主要作用是利用冷卻液對發動機降溫以及對自身溫度循環進行控制，根據冷卻液溫度自動調節為大循環和小循環2 種模式；各系統間通過LAN 總線構建通訊網絡，各部件按照控制策略進行操作。

系統由于汽車運行過程中產生強烈的振動、熱輻射和電磁干擾，因此對該系統電路有特殊要求：1）電路要有較高的抗振動能力，以適應不同路況、車況的要求。提高系統整體的可靠性和穩定性。2）電路應采取有效的防護隔離措施，以提高其抗干擾能力。

4.1系統組成

該系統由電控冷卻風扇、電控節溫器、電控導風板、微控制機構組成。電控冷卻風扇由電動機驅動；電控節溫器利用電加熱引起雙金屬片變形，由雙金屬片變形帶動節溫閥旋轉運動，來改變大小循環；電控導風板由雙向電動機通過傳動機構使之打開或關閉；微控制機構是利用89C51開發的單片機控制系統。

4.2單片機控制系統工作原理

由溫度傳感器感受發動機水溫的變化，同時把溫度信號轉變為同其成反比關系的電壓模擬信號。這些信號經過處理（電容器低通濾波、校正和電壓跟隨器耦合）送入A/D轉換器（ADC0809）中INO信號通道。由A/D轉換器把采集來的模擬電壓信號轉換為數字信號并讀入單片機，89C510單片機89C51根據不同的輸入信號分析處理去控制驅動電路，實現對節溫器繼電器、導風板繼電器和風扇繼電器的控制。即可實現對發動機冷卻能力的智能控制。

4.3單片機系統控制過程

當發動機預熱時（發動機水溫70℃），單片機根據檢測來的溫度數據處理分析向執行元件發出控制信號，使其完成如下操作。

1）電控冷卻風扇不工作；

2）電控導風板關閉狀態；

3）電控節溫器處于小循環狀態。

由于導風板關閉，冷卻風扇不工作，以至冷卻空氣不能進入散熱器；

同時節溫器處于小循環（加熱電阻絲通電），發動機水溫上升很快。當水溫升至75℃，單片機根據檢測來的溫度數據處理分析向執行元件發出控制信號，使電控節溫器的加熱電阻絲斷電（讓其進入大循環控制狀態）。當水溫達到80℃時，單片機又發出指令，使電控導風板處于敞開狀態。

4.4車用傳感器

為了使汽車的發動機處于最佳的工作狀態，分別利用空氣流量傳感器和壓力傳感器測量冷卻汽缸體的空氣流量和壓力，結合溫度傳感器測得的冷卻水溫、汽缸周圍溫度等參數計算冷卻液的動態流量，然后通過相應的傳感器檢測氣門的開度和發動機實時的工作狀況，進而調整控制冷卻水的大小。

1）車用熱線式氣體流量傳感器。氣體流量傳感器是安裝在空氣濾清器和節氣門體之間，用于汽車噴油系統中，測量發動機吸入空氣量的多少，決定射油量的參數。

2）溫度傳感器。實時的監測發動機進氣、冷卻液、燃油、排氣等溫度，是保證電子控制系統能夠精確控制發動機的工作參數的前提。溫度傳感器按結構可分為熱敏、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特性好、結構簡單、靈敏度高、成本低廉等方面的突出優點，在汽車電子控制系統中得以較為廣泛應用。

3）轉速傳感器。車速傳感器可測量差速從動軸轉動、車輪旋轉、測量動力傳動軸轉動等。光電速度傳感器是反射型的光電開關，前端采用光纖封裝，適應微小旋轉體的測量。

4.5智能系統硬件設計

4.5.1設計要求。由于汽車運行過程中會產生一系列的反應，如熱輻射，強烈的振動，以及電磁于擾，所以對該系統電路有特殊要求：1）電路要具有抗振性，保證系統整體的可靠穩定性；2）電路需要防護隔離措施，使其具有抗干擾性。

4.5.2系統組成及其硬件設計。汽車發動機冷卻系統智能系統由電控節溫器、電控冷卻風扇、微控制機構、電控導風板等部件組成。預計未來智能化、不拆修發動機設計在恒溫罩內，可通過高精度的測溫，控溫裝置，實現十分比和百分比的測溫精度。利用這些恒溫裝置和測溫裝置，可使發動機在整個使用過程中，工作溫度控制在最佳范圍內，實現不同溫度下工作轉速和輸出功率的最佳對應關系，最終保證發動機在任何大氣環境條件下都能處于最佳工作狀態。先進的智能控制手段能有效地控制發動機的運行、監測，從而真正體現出綠色環保發動機的使用意義。

五、結束語

這種汽車發動機冷卻系統智能控制裝置實現了對汽車發動機散熱能力控制的智能化，可以精確、自動地調節冷卻液的溫度，把發動機的工作溫度限制在最佳階段，延長發動機的使用壽命。

參考文獻：

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