汽車發動機冷卻的控制技術研究

趙旭輝 王銅鋼

摘要：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及水冷式引擎，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。不論采何種方式冷卻，正常的冷卻系統必須確保引擎在各樣行駛環境都不致過熱。

關鍵詞：汽車發動機;冷卻系統;智能控制技術;嵌入式系統

汽車冷卻系統對汽車來說是至關重要的，發動機就如同人類的心臟，如果不好好保護就會受到威脅，現在隨著科技發展，冷卻系統不像以往那樣只是單純的水冷循環，現在冷卻系統智能控制很受歡迎，所以在以后的汽車發展中，單純的冷卻系統不會站主導位置了，雖然智能控制要求很高，但是在高級轎車中很實用，它代表著未來冷卻系統的發現方向，智能冷卻系統控制將會作為標準裝置在汽車上，未來一段時間在冷卻系統中將占主導位置;而智能控制將會提高發動機的使用壽命，保障汽車的安全行駛，提高人身安全等原因，將來智能控制冷卻系統的發展將占主導位置。

一、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及水冷式引擎，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。不論采何種方式冷卻，正常的冷卻系統必須確保引擎在各樣行駛環境都不致過熱。

二、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。

三、冷卻系統智能控制

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。

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。

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。

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：a.電控冷卻風扇不工作;b.電控導風板關閉狀態;c.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。

此時可充分利用汽車行駛迎面風對散熱器的冷卻作用，盡量減少冷卻風扇的工作時間。當水溫高達95℃時，單片機經數據分析發出控制指令使電控冷卻風扇工作，而讓節溫器仍處于大循環狀態，導風板仍處于敞開狀態。這時冷卻系統的冷卻能力最大，實現快速降溫。當發動機水溫降至89℃時，單片機根據采樣數據分析處理發出控制指令，使執行元件完成以下操作：a.電控冷卻風扇不工作;b.電控導風板處于敞開狀態;c.電控節溫器處于大循環狀態。這樣，直到發動機水溫返升至95℃，電控冷卻風扇又重新工作。

四、汽車發動機冷卻系統的溫度控制

汽車發動機冷卻液溫度受多種因素的影響，比如散熱結構形式、冷卻液循環流量、發動機負荷、汽車行駛速度、環境溫度、風扇轉速、空氣流量等都會影響發動機冷卻系統的溫度，進而對冷卻液溫度造成影響。所以要實現對發動機冷卻系統溫度的控制，必須對上述參數信號進行及時、準確的采集，并對收集到的信號進行正確的處理。用一般數學方程是很難描述汽車發動機冷卻液溫度、溫度變化速率與其他影響因素之間的關系的，為此作者建議將適用于具有時變性、滯后性、不確定性的控制系統的模糊控制與傳統PID控制器相結合，建立節溫器、百葉窗、冷卻風扇多元聯合控制的智能控制系統，以實現水泵流量、風扇轉速控制，進而實現溫度控制，保證冷卻系統在發動機全部工況范圍內的最佳冷卻性能。

另外，考慮汽車運行的復雜性，比如可能會產生熱輻射、電磁干擾、振動等，在多元聯合智能控制系統硬件設計方面，必須使電路具有抗震性，并采取一定隔離防護措施，增強電路抗干擾性，確保智能控制系統的整體穩定性和可靠性。

五、汽車發動機冷卻系統的關鍵控制技術

根據冷卻風扇的工作形式，其控制方式主要可分為三種，包括機械驅動、自控電動和綜合型智能控制方式，后兩者屬于真正意義上的汽車發動機冷卻風扇控制技術。從控制模式來看，包括集中式和分體式控制類型，集中式控制類型集中于發動機動力系統控制模塊，可通過采樣、處理環境溫度、冷卻液溫度、進氣溫度及空調壓縮機壓力等實現對外部功率繼電器的控制，進而控制風扇速度，但這種控制類型只能控制高速、低速這兩個風速，PCM負荷工作量大，實效性差;分體式控制類型即發動機冷卻風扇控制器，可獨立于汽車發動機外或與發動機有通訊聯系，通常兼控制冷卻風扇、發動機噴油、空調等功能于一體，智能化程度較高，采集信息多樣，通過統一調度可使發動機達到良好的經濟性和排放性，但這種控制器對防塵、水密封性都有著很高要求。為此，應進一步改進PWM脈寬調制輸出的控制電路，使PWM控制器與ECU有關，由ECU綜合對發動機冷卻系統溫度、壓力等信號參數進行分析處理，生成PWM信號，傳輸給冷卻風扇控制器，并由冷卻風扇控制器輸出PWM脈沖信號實現對冷卻風扇的驅動，使風扇能夠在一定范圍內無極調速。改進后控制技術全面考慮了汽車發動機周圍環境參數，相較于傳統控制方式，冷卻風扇控制器真正體現了智能化控制，性能、效率更高，且有利于實現節能目標。目前，雪鐵龍、大眾、標致等汽車發動機都采用了基于PWM脈寬調制輸出方式的冷卻風扇控制器。

六、結語

總之，汽車發動機的冷卻系統是保持發動機正常工作的關鍵部件，為降低冷卻系統維修率，提高發動機整體工作性能，必須充分發揮汽車發動機的智能化控制作用。在智能化控制技術比如PWM控制技術、智能化控制系統、車用傳感器等的支持下，汽車發動機冷卻系統控制的實時性大大提高，較好地實現了對冷卻液溫度的調節和控制，使發動機始終能在最適溫度條件下工作。當然，受到各種因素限制，當前汽車發動機冷卻的控制技術仍有待提升，環保、節能減排、智能化以及高性能在未來相當長一段時間內仍是我們需努力和研究的方向，相信有先進的智能控制技術為支撐對汽車發動機的運行、監測進行控制，加上智能化、不拆修發動機的逐漸投入使用，綠色環保發動機的使用意義將會真正體現出來。

參考文獻：

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