發動機自適應水泵系統設計

薛大偉 李鑫源 初巖 紀鑫 劉尊民

摘 要：為解決特種工程車輛發動機水泵持續運轉能耗較大，且在極寒天氣下暖機慢的問題，設計了一種發動機自適應水泵控制系統。該系統分為下位機控制模塊和上位機測試平臺兩大部分。其中下位機部分對發動機水溫信號進行實時監測，結合發動機工況，對水泵前端電磁離合器的吸合進行精確控制，從而實現水泵的啟停控制。上位機部分主要實現下位機運行數據的記錄和分析。實驗測試結果表明，該系統能實現特種車輛發動機的快速暖機和運行過程中水泵的實時啟停控制，具有應用推廣價值。

關鍵詞：汽車水泵；實時控制；RS485

0 引言

當前水泵與發動機曲軸通過傳動皮帶進行連接，發動機啟動后與曲軸轉速成正比關系持續運轉，不能根據發動機在不同工況下的冷卻需求自動調節，主要表現在兩個方面：①低溫環境下水泵持續運行，不能保證快速暖機的需求。②發動機低扭矩平穩運轉過程中水溫較低時不能自動啟停控制，導致燃油經濟性略差。國內外很多機構對發動機冷卻相關理論方法方面有諸多研究，并提出了高效率的發動機冷卻方案，如法雷奧公司1999年提出了智能熱調控電子調節冷卻系統[1]；天津大學楊鴻鑌對冷卻系統控制策略和控制效果進行了研究[2]；吉林大學呂良建立冷卻系統傳熱動力學模型[3]，并提出相關控制方法。但是，在應用方面尚缺少低成本、穩定可靠的成熟產品。

針對上述問題，設計了一種新型發動機自適應控制水泵系統，冷卻水泵與發動機皮帶通過電磁離合器連接，采用自適應算法控制水泵合理啟停，同時開發上位機測試軟件對發動機水溫及電磁開關狀態進行實時監測，并對歷史數據進行存儲和在線分析，可實現特殊環境下特種車輛的快速暖機，并在一定程度上提高發動機的燃油經濟性。

1 系統工作原理

系統分為上位機部分及下位機部分：下位機實現溫度數據的采集及對電磁離合器的控制等硬件功能；上位機實現數據的顯示、存儲、實時曲線及報表等軟件功能。

該系統采用發動機自身的溫度傳感器，對發動機水溫信號進行精確監測。水溫信號通過傳感器傳遞給A/D轉換器，將模擬信號轉換為數字信號傳遞給控制器。控制器由專用電源供電，寫入控制模塊的程序根據轉換后的數字信號發出不同指令，控制繼電器動作。繼電器直接控制水泵電磁離合器的動作，進而控制水泵的啟停。為了避免頻繁震蕩，電磁離合器動作后延時20 s，再次判斷水溫信號是否對離合器進行輸入信號控制。以水溫信號為基礎控制電磁離合器吸合，在該項目中分兩步進行，初期采用信號邏輯控制方式，當溫度大于100 ℃，輸入高電平時，控制離合器吸合；溫度小于95 ℃，輸入低電平時，控制離合器分離，發動機暖機完成后，通過自適應控制算法，實現水泵合理的啟停時間優化，以達到降低油耗的目的。硬件系統控制模塊的程序同時輸出信號，通過RS485模塊輸出到電腦中與上位機進行通信，硬件系統中控制溫度及延時時間長度可由上位機設定，采集發動機水溫信號的頻率可由上位機設定為：1 s、2 s、5 s、30 s、1 min、3 min。上位機主要采集水溫信號及輸出開關量信號，其功能為：實時顯示水溫信號及開關狀態信號；存儲水溫歷史數據、報表；實時曲線顯示、生成完整的系統日志文件。

2 硬件系統設計

系統硬件主要由系統供電模塊、控制模塊、信號輸入模塊、串口通信模塊、繼電器輸出模塊等組成，如圖1所示。

圖中：

1）電源模塊：12 V轉為5 V穩壓電源。

2）控制模塊：工業級微處理器。

3）信號輸入：熱電阻溫度信號，經信號調理與A/D 轉換后輸入MCU。

4）串口通信模塊：采用RS485芯片，與上位機通信。

5）繼電器輸出模塊：采用車用75 A繼電器模塊。

2.1 串口通信模塊

該系統與上位機的通信方式選擇RS485有線通信，RS485接口在總線上允許連接多達128個接收器，RS485接口采用平衡驅動器的差分接收器組合，抗共模干擾能力強。由于微控制器與RS485的輸入、輸出電平不同，因此采用MAX485芯片進行電平的轉換。為了增加模塊的抗干擾能力，電路中的電源端增加一個0.1 μF無極性電容接地。

2.2 繼電器輸出模塊

本設計采用車用75 A繼電器模塊作為控制開關，以水溫信號為基礎實現對電磁離合器吸合的控制。繼電器的信號輸出電路接在單片機的P2.1口，在單片機懸空的I/O口引腳上拉10 kΩ，減少噪聲等的干擾，單片機通過對溫度傳感器采集的數據與系統本身設定溫度進行比較，控制繼電器的吸合，進而控制水泵運轉。

3 上位機軟件設計

3.1 程序設計

3.1.1 主程序設計

系統主程序主要完成系統初始化，等待系統初始化完成之后，調用溫度采集子程序，對發動機冷卻液溫度進行采集，然后調用開關量控制子程序，對采集到的溫度與設置好的溫度進行對比，輸出開關控制量。具體流程圖如圖3。

3.1.2 開關量控制流程設計

開關量輸出主要功用是輸出繼電器控制信號，完成電磁離合器的吸合與分離，有效可靠底使執行機構工作，而且不受其他因素的影響。溫度采集電路和繼電器控制電路與RS485總線相互完全隔離，與整個系統隔離。

3.2 數據通信

軟件設計中硬件系統與上位機數據通信采用中斷方式，其通信協議如下：

1）設定延時時間：$ST01XX！，延時時間設定成功返回：$SV01！，讀取延時時間：$RE01！，讀取延時時間返回：$RE01XX！，其中XX為十六進制數據。

2）設定啟動溫度：$ST02XX！，設定成功返回：$SV02！，讀取啟動溫度：$RE02！，讀取啟動溫度返回：$RE02XX！。

3）讀取溫度指令：#RD01！，讀取開關量指令：#SW01！，收到溫度數據：#RD01XXX.X<＼n>，收到開關量數據：#SW01X<＼n>，其中XXX.X表示十六進制數據，X采用二進制，即0為關，1為開。

3.3 監控中心客戶端軟件實現

監控中心軟件由模塊化設計方法實現的，其主要功能包括串行口設置（設置、選擇串口、選擇通信波特率等參數，可進行通信測試）、系統標定設置、實時數據曲線顯示、歷史數據處理等。系統功能模塊如圖4所示，實時數據曲線界面如圖5所示。

4 結束語

新型自適應水泵與發動機皮帶通過電磁離合器連接，該系統前期采用邏輯方式控制電磁離合器的吸合，完成發動機的暖機工作，之后通過自適應控制算法，實現水泵合理的啟停時間優化。自適應水泵系統通過電磁離合器對水泵的控制實現極端環境下發動機的快速暖機；通過自適應算法實現適時非持續運轉，提高發動機燃油經濟性。

參考文獻：

[1]盧廣峰，郭新民，孫運柱，等.汽車發動機冷卻系統的發展與現狀[J].農機化研究，2002（2）：129-132.

[2]楊鴻鑌，劉海峰，王滸，等.基于外特性前饋和模糊控制反饋的發動機冷卻系統控制策略研究[J].內燃機工程，202041（3）：68-76，85.

[3]呂良，陳虹，宮洵，等.汽油發動機冷卻系統建模與水溫控制[J].浙江大學學報（工學版），2019，53（6）：106-116.

[4]任家潮.關于汽車發動機冷卻水泵研究進展分析[J].內燃機與配件，2018（17）：107-108.

[5]高猛.工程機械發動機自調角節能冷卻風機研究[D].阜新：遼寧工程技術大學，2012.

[6]王旭東.汽車電子控制裝置與應用[M].北京：機械工業出版社， 2007.

[7]劉金琨.智能控制[M].北京：電子工業出版社，2010.

[8]韓冰.智能自適應控制技術的現狀及發展[M].科技信息.2010.

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