汽車發動機冷卻系統智能控制技術探討

馬磊

摘要：發動機是汽車的重要構件，是汽車運行的關鍵動力。隨著冷卻系統對發動機性能的影響日益顯著，汽車冷卻系統關鍵零部件的熱負荷及其可靠性研究已成為國內外研究的熱點。發動機冷卻系統作為汽車的重要系統之一，工作效率的高低直接影響著汽車的使用壽命。已有的發動機冷卻系統只是簡單顯示冷卻液溫度的高低，冷卻系統中的具體故障信息卻無法及時發現，造成冷卻系統過早結束服役。本文主要對汽車發動機冷卻系統智能控制的相關技術進行了介紹。

關鍵詞：汽車發動機;冷卻系統;智能控制技術

引言

現代的汽車發動機冷卻系統的發展極其的迅速，而發展方向也逐漸趨向于智能化，精確化。但是就目前我國的汽車發動機冷卻系統的現狀來看，我國的汽車發動機冷卻系統的發展還有很長的路要走，特別是結合現代高端科技這一領域。而就目前我國的經濟來看，只要我們可以選對方向，就可以促

摘要：發動機是汽車的重要構件，是汽車運行的關鍵動力。隨著冷卻系統對發動機性能的影響日益顯著，汽車冷卻系統關鍵零部件的熱負荷及其可靠性研究已成為國內外研究的熱點。發動機冷卻系統作為汽車的重要系統之一，工作效率的高低直接影響著汽車的使用壽命。已有的發動機冷卻系統只是簡單顯示冷卻液溫度的高低，冷卻系統中的具體故障信息卻無法及時發現，造成冷卻系統過早結束服役。本文主要對汽車發動機冷卻系統智能控制的相關技術進行了介紹。

關鍵詞：汽車發動機;冷卻系統;智能控制技術

引言

現代的汽車發動機冷卻系統的發展極其的迅速，而發展方向也逐漸趨向于智能化，精確化。但是就目前我國的汽車發動機冷卻系統的現狀來看，我國的汽車發動機冷卻系統的發展還有很長的路要走，特別是結合現代高端科技這一領域。而就目前我國的經濟來看，只要我們可以選對方向，就可以促進汽車產業的發展。所以關于汽車發動機智能化冷卻控制系統的研究，我們勢在必行。

1發動機冷卻控制系統的構成

汽車發動機在正常工作狀態下，燃料燃燒產生的氣體溫度高達2000℃，直接接觸高溫氣體的汽車部件，如氣門、活塞以及汽缸壁和汽缸蓋等，溫度也會增高，為了保證其不至于膨脹變形而影響到正常的工作，必須對其進行冷卻，即采用冷卻控制系統，現代汽車冷卻系統以水冷卻為主，目前應用的最普遍的是強制循環式冷卻系統，具備可靠、強度易調節、效率高等優點。發動機冷卻控制系統的主體結構分為水泵、風扇、散熱器和節溫器四部分，此外還包括水套、百葉窗、分水管等，在工作狀態下，水泵會吸入散熱器中的水，加壓后經分水管流入氣缸水套中，冷卻氣缸后，形成的冷卻水會進入到汽缸蓋水套中，將汽缸蓋中的熱量帶走，最后再返回散熱器。

2汽車發動機冷卻系統智能控制技術

汽車發動機的工作主要包括3個階段：起動暖機階段、行駛階段以及后冷卻階段。起動暖機階段指在汽車發動機起動后，發動機機內冷卻液由較低溫度上升為正常的發動機運行溫度的階段。該階段是汽車發動機零部件磨損最嚴重的階段，縮短暖機時間成為發動機冷卻技術的關鍵。行駛階段為汽車發動機正常工作階段，在該階段，發動機冷卻系統處于穩定循環狀態，因此不做為主要研究對象。后冷卻階段指發動機停機后，由于發動機自身的特點，需要冷卻系統持續為其冷卻，避免因局部過熱造成發動機的穩定性和可靠性降低。通常的解決辦法是利用電子風扇持續為發動機降溫。汽車發動機智能冷卻系統控制策略如圖1所示。

汽車發動機智能冷卻系統控制策略所涵蓋的關鍵技術包括電子節溫器的模糊控制、電子風扇與電子水泵的MAP+模糊控制等。

2.1電子節溫器的模糊控制

所謂模糊控制理論指的是通過構建模糊集及模糊邏輯，建立隸屬函數間的相互關系，實現對目標對象的控制。該理論主要解決不確定性特征的目標對象的控制問題，模糊控制的原理如圖2所示。

模糊控制的工作步驟如下：

1）根據部件輸入參數確定目標值，通過A/D轉換器將采集的信號進行轉換，將目標值與轉換后的值相減，從而得出系統誤差e;

2）通過微分計算系統誤差的變化率de/dt，通常采取一個周期的變化表示△e。

3）構建隸屬函數，將誤差e和誤差變化率按照某種規律劃分為不同的模糊子集，得到模糊量E和△E;

4）根據實際的汽車發動機智能冷卻系統工作流程建立相關規則，通過行為模擬的方式完成目標對象的控制;

5）對模糊量E和△E所屬區間進行判斷，根據

4）所定義的模糊規則進行模糊推理，得出控制量U;

6）對模糊控制量U完成去模糊操作，得出精確的控制量u。

以發動機缸蓋出口處的冷卻液溫度與預測溫度差作為電子節溫器模糊控制器的輸入量，以上述步驟計算所得出的電子節溫器開度增量u作為輸出量，完成對冷卻系統大小循環流量的分配。在控制過程中，電子節溫器需遵循如下規則：

1）若冷卻液實際溫度超高（遠大于目標值），并且上升速率較高（處于暖機狀態），則較大幅度增加電子節溫器的開度;

2）若冷卻液實際溫度稍高（距離目標值不大），并且上升速率較低（處于正常行駛狀態），則保持電子節溫器的開度基本不變;

3）若冷卻液實際溫度較低（遠小于目標值），并且下降速率較高（處于后冷卻控制狀態），則較小幅度減小電子節溫器的開度。

2.2電子風扇與電子水泵聯合的MAP+模糊控制

當汽車發動機處于暖機或正常行駛狀態時，電子風扇與電子水泵即進入工作狀態，該時刻執行MAP+模糊控制的聯合控制模式，控制流程如圖3所示。

在聯合控制過程中，融合了MAP模糊查詢以及模糊控制等2種控制策略，通過動態的匹配方式尋求電子風扇及電子水泵的最優組合解，并以各自的最優解作為模糊控制策略的輸入進行控制調節，完成對目標對象的控制。

3仿真實驗

仿真實驗是通過仿真手段對不同的控制技術進行性能分析，主要包括起動暖機階段和后冷卻階段對智能控制策略進行模擬，并與傳統的蠟式冷卻模式進行對比，也就是將采用電子節溫器和電子水泵的智能冷卻模式與采用傳統蠟式節溫器和機械水泵的傳統冷卻模式進行對比。實驗條件如表1所示。

利用表1所示的實驗參數進行智能控制策略的模擬，并在汽車行駛的不同階段，將智能冷卻系統控制模式與傳統冷卻系統控制模式進行對比，按照汽車發動機不同階段的運行情況對發動機進口、出口的冷卻液溫度進行檢測，實驗結果如圖4所示。

從圖4可以看出，在起動暖機階段，智能冷卻系統溫度較高;在行駛階段，相比傳統冷卻系統，智能冷卻系統的溫度變化更為平穩，表明智能冷卻系統能更穩定地為發動機散熱提供支持，而傳統冷卻系統往往由于部件間的性能瓶頸，造成整體性能下降。

結語

本文介紹了汽車發動機智能冷卻系統的系統結構以及相關的關鍵技術，并對電子風扇、電子水泵等的控制策略進行了分析，對相關的模糊控制流程進行了說明，通過仿真實驗證明了智能冷卻系統在發動機降溫的穩定性上比傳統冷卻系統好。

參考文獻：

[1] 余海洋，曹志良，劉紹波.汽車發動機電動冷卻風扇智能控制系統設計[J].電子器件，2016，39（6）：1512-1515.

[2] 周常偉.客車發動機冷卻風扇智能控制系統的研發[D].濟南：山東建筑大學，2016.

[3] 唐黎標.汽車發動機中的智能化冷卻控制系統分析[J].輕型汽車技術，2016（z1）：54-55.

[4] 朱游兵.汽車發動機冷卻的控制技術探究[J].科技創新與應用，2015（4）：81.

[5] 楊春浩，劉瑞林，陳陸洋，等.車用發動機熱平衡研究進展與展望[J].裝備環境工程，2017，14（10）：63-68.

[6] 董國貴，尹愛勇.基于汽車發動機電動冷卻風扇智能控制的研究[J].時代汽車，2017（10）：75+77.

[7] 田光輝.車用發動機智能化冷卻控制系統的研究[J].四川職業技術學院學報，2014，24（1）：163-165.

[8] 張欽國.工程車輛溫控獨立冷卻系統關鍵技術研究[D].長春：吉林大學，2016.

[9] 武磊.發動機冷卻控制系統設計及節溫器診斷[D].重慶：重慶交通大學，2017.

[10] 李儒男.乘用車智能冷卻系統控制策略研究[D].杭州：浙江大學，2017.

（作者單位：安徽江淮汽車集團股份有限公司）

進汽車產業的發展。所以關于汽車發動機智能化冷卻控制系統的研究，我們勢在必行。

1發動機冷卻控制系統的構成

汽車發動機在正常工作狀態下，燃料燃燒產生的氣體溫度高達2000℃，直接接觸高溫氣體的汽車部件，如氣門、活塞以及汽缸壁和汽缸蓋等，溫度也會增高，為了保證其不至于膨脹變形而影響到正常的工作，必須對其進行冷卻，即采用冷卻控制系統，現代汽車冷卻系統以水冷卻為主，目前應用的最普遍的是強制循環式冷卻系統，具備可靠、強度易調節、效率高等優點。發動機冷卻控制系統的主體結構分為水泵、風扇、散熱器和節溫器四部分，此外還包括水套、百葉窗、分水管等，在工作狀態下，水泵會吸入散熱器中的水，加壓后經分水管流入氣缸水套中，冷卻氣缸后，形成的冷卻水會進入到汽缸蓋水套中，將汽缸蓋中的熱量帶走，最后再返回散熱器。

2汽車發動機冷卻系統智能控制技術

汽車發動機的工作主要包括3個階段：起動暖機階段、行駛階段以及后冷卻階段。起動暖機階段指在汽車發動機起動后，發動機機內冷卻液由較低溫度上升為正常的發動機運行溫度的階段。該階段是汽車發動機零部件磨損最嚴重的階段，縮短暖機時間成為發動機冷卻技術的關鍵。行駛階段為汽車發動機正常工作階段，在該階段，發動機冷卻系統處于穩定循環狀態，因此不做為主要研究對象。后冷卻階段指發動機停機后，由于發動機自身的特點，需要冷卻系統持續為其冷卻，避免因局部過熱造成發動機的穩定性和可靠性降低。通常的解決辦法是利用電子風扇持續為發動機降溫。汽車發動機智能冷卻系統控制策略如圖1所示。

汽車發動機智能冷卻系統控制策略所涵蓋的關鍵技術包括電子節溫器的模糊控制、電子風扇與電子水泵的MAP+模糊控制等。

2.1電子節溫器的模糊控制

所謂模糊控制理論指的是通過構建模糊集及模糊邏輯，建立隸屬函數間的相互關系，實現對目標對象的控制。該理論主要解決不確定性特征的目標對象的控制問題，模糊控制的原理如圖2所示。

模糊控制的工作步驟如下：

1）根據部件輸入參數確定目標值，通過A/D轉換器將采集的信號進行轉換，將目標值與轉換后的值相減，從而得出系統誤差e;

2）通過微分計算系統誤差的變化率de/dt，通常采取一個周期的變化表示△e。

3）構建隸屬函數，將誤差e和誤差變化率按照某種規律劃分為不同的模糊子集，得到模糊量E和△E;

4）根據實際的汽車發動機智能冷卻系統工作流程建立相關規則，通過行為模擬的方式完成目標對象的控制;

5）對模糊量E和△E所屬區間進行判斷，根據

4）所定義的模糊規則進行模糊推理，得出控制量U;

6）對模糊控制量U完成去模糊操作，得出精確的控制量u。

以發動機缸蓋出口處的冷卻液溫度與預測溫度差作為電子節溫器模糊控制器的輸入量，以上述步驟計算所得出的電子節溫器開度增量u作為輸出量，完成對冷卻系統大小循環流量的分配。在控制過程中，電子節溫器需遵循如下規則：

1）若冷卻液實際溫度超高（遠大于目標值），并且上升速率較高（處于暖機狀態），則較大幅度增加電子節溫器的開度;

2）若冷卻液實際溫度稍高（距離目標值不大），并且上升速率較低（處于正常行駛狀態），則保持電子節溫器的開度基本不變;

3）若冷卻液實際溫度較低（遠小于目標值），并且下降速率較高（處于后冷卻控制狀態），則較小幅度減小電子節溫器的開度。

2.2電子風扇與電子水泵聯合的MAP+模糊控制

當汽車發動機處于暖機或正常行駛狀態時，電子風扇與電子水泵即進入工作狀態，該時刻執行MAP+模糊控制的聯合控制模式，控制流程如圖3所示。

在聯合控制過程中，融合了MAP模糊查詢以及模糊控制等2種控制策略，通過動態的匹配方式尋求電子風扇及電子水泵的最優組合解，并以各自的最優解作為模糊控制策略的輸入進行控制調節，完成對目標對象的控制。

3仿真實驗

仿真實驗是通過仿真手段對不同的控制技術進行性能分析，主要包括起動暖機階段和后冷卻階段對智能控制策略進行模擬，并與傳統的蠟式冷卻模式進行對比，也就是將采用電子節溫器和電子水泵的智能冷卻模式與采用傳統蠟式節溫器和機械水泵的傳統冷卻模式進行對比。實驗條件如表1所示。

利用表1所示的實驗參數進行智能控制策略的模擬，并在汽車行駛的不同階段，將智能冷卻系統控制模式與傳統冷卻系統控制模式進行對比，按照汽車發動機不同階段的運行情況對發動機進口、出口的冷卻液溫度進行檢測，實驗結果如圖4所示。

從圖4可以看出，在起動暖機階段，智能冷卻系統溫度較高;在行駛階段，相比傳統冷卻系統，智能冷卻系統的溫度變化更為平穩，表明智能冷卻系統能更穩定地為發動機散熱提供支持，而傳統冷卻系統往往由于部件間的性能瓶頸，造成整體性能下降。

結語

本文介紹了汽車發動機智能冷卻系統的系統結構以及相關的關鍵技術，并對電子風扇、電子水泵等的控制策略進行了分析，對相關的模糊控制流程進行了說明，通過仿真實驗證明了智能冷卻系統在發動機降溫的穩定性上比傳統冷卻系統好。

參考文獻：

[1] 余海洋，曹志良，劉紹波.汽車發動機電動冷卻風扇智能控制系統設計[J].電子器件，2016，39（6）：1512-1515.

[2] 周常偉.客車發動機冷卻風扇智能控制系統的研發[D].濟南：山東建筑大學，2016.

[3] 唐黎標.汽車發動機中的智能化冷卻控制系統分析[J].輕型汽車技術，2016（z1）：54-55.

[4] 朱游兵.汽車發動機冷卻的控制技術探究[J].科技創新與應用，2015（4）：81.

[5] 楊春浩，劉瑞林，陳陸洋，等.車用發動機熱平衡研究進展與展望[J].裝備環境工程，2017，14（10）：63-68.

[6] 董國貴，尹愛勇.基于汽車發動機電動冷卻風扇智能控制的研究[J].時代汽車，2017（10）：75+77.

[7] 田光輝.車用發動機智能化冷卻控制系統的研究[J].四川職業技術學院學報，2014，24（1）：163-165.

[8] 張欽國.工程車輛溫控獨立冷卻系統關鍵技術研究[D].長春：吉林大學，2016.

[9] 武磊.發動機冷卻控制系統設計及節溫器診斷[D].重慶：重慶交通大學，2017.

[10] 李儒男.乘用車智能冷卻系統控制策略研究[D].杭州：浙江大學，2017.

（作者單位：安徽江淮汽車集團股份有限公司）