發(fā)動(dòng)機(jī)自適應(yīng)水泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

薛大偉 李鑫源 初巖 紀(jì)鑫 劉尊民

摘 要：為解決特種工程車輛發(fā)動(dòng)機(jī)水泵持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)能耗較大，且在極寒天氣下暖機(jī)慢的問題，設(shè)計(jì)了一種發(fā)動(dòng)機(jī)自適應(yīng)水泵控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為下位機(jī)控制模塊和上位機(jī)測(cè)試平臺(tái)兩大部分。其中下位機(jī)部分對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)工況，對(duì)水泵前端電磁離合器的吸合進(jìn)行精確控制，從而實(shí)現(xiàn)水泵的啟?？刂?。上位機(jī)部分主要實(shí)現(xiàn)下位機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的記錄和分析。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)特種車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的快速暖機(jī)和運(yùn)行過程中水泵的實(shí)時(shí)啟?？刂疲哂袘?yīng)用推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：汽車水泵；實(shí)時(shí)控制；RS485

0 引言

當(dāng)前水泵與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸通過傳動(dòng)皮帶進(jìn)行連接，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后與曲軸轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，不能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的冷卻需求自動(dòng)調(diào)節(jié)，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：①低溫環(huán)境下水泵持續(xù)運(yùn)行，不能保證快速暖機(jī)的需求。②發(fā)動(dòng)機(jī)低扭矩平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中水溫較低時(shí)不能自動(dòng)啟停控制，導(dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性略差。國內(nèi)外很多機(jī)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻相關(guān)理論方法方面有諸多研究，并提出了高效率的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻方案，如法雷奧公司1999年提出了智能熱調(diào)控電子調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)[1]；天津大學(xué)楊鴻鑌對(duì)冷卻系統(tǒng)控制策略和控制效果進(jìn)行了研究[2]；吉林大學(xué)呂良建立冷卻系統(tǒng)傳熱動(dòng)力學(xué)模型[3]，并提出相關(guān)控制方法。但是，在應(yīng)用方面尚缺少低成本、穩(wěn)定可靠的成熟產(chǎn)品。

針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了一種新型發(fā)動(dòng)機(jī)自適應(yīng)控制水泵系統(tǒng)，冷卻水泵與發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶通過電磁離合器連接，采用自適應(yīng)算法控制水泵合理啟停，同時(shí)開發(fā)上位機(jī)測(cè)試軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫及電磁開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和在線分析，可實(shí)現(xiàn)特殊環(huán)境下特種車輛的快速暖機(jī)，并在一定程度上提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)分為上位機(jī)部分及下位機(jī)部分：下位機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集及對(duì)電磁離合器的控制等硬件功能；上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)曲線及報(bào)表等軟件功能。

該系統(tǒng)采用發(fā)動(dòng)機(jī)自身的溫度傳感器，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫信號(hào)進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)。水溫信號(hào)通過傳感器傳遞給A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳遞給控制器?？刂破饔蓪Ｓ秒娫垂╇?，寫入控制模塊的程序根據(jù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)發(fā)出不同指令，控制繼電器動(dòng)作。繼電器直接控制水泵電磁離合器的動(dòng)作，進(jìn)而控制水泵的啟停。為了避免頻繁震蕩，電磁離合器動(dòng)作后延時(shí)20 s，再次判斷水溫信號(hào)是否對(duì)離合器進(jìn)行輸入信號(hào)控制。以水溫信號(hào)為基礎(chǔ)控制電磁離合器吸合，在該項(xiàng)目中分兩步進(jìn)行，初期采用信號(hào)邏輯控制方式，當(dāng)溫度大于100 ℃，輸入高電平時(shí)，控制離合器吸合；溫度小于95 ℃，輸入低電平時(shí)，控制離合器分離，發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)完成后，通過自適應(yīng)控制算法，實(shí)現(xiàn)水泵合理的啟停時(shí)間優(yōu)化，以達(dá)到降低油耗的目的。硬件系統(tǒng)控制模塊的程序同時(shí)輸出信號(hào)，通過RS485模塊輸出到電腦中與上位機(jī)進(jìn)行通信，硬件系統(tǒng)中控制溫度及延時(shí)時(shí)間長度可由上位機(jī)設(shè)定，采集發(fā)動(dòng)機(jī)水溫信號(hào)的頻率可由上位機(jī)設(shè)定為：1 s、2 s、5 s、30 s、1 min、3 min。上位機(jī)主要采集水溫信號(hào)及輸出開關(guān)量信號(hào)，其功能為：實(shí)時(shí)顯示水溫信號(hào)及開關(guān)狀態(tài)信號(hào)；存儲(chǔ)水溫歷史數(shù)據(jù)、報(bào)表；實(shí)時(shí)曲線顯示、生成完整的系統(tǒng)日志文件。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由系統(tǒng)供電模塊、控制模塊、信號(hào)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(zhuǎn)為5 V穩(wěn)壓電源。

2）控制模塊：工業(yè)級(jí)微處理器。

3）信號(hào)輸入：熱電阻溫度信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理與A/D 轉(zhuǎn)換后輸入MCU。

4）串口通信模塊：采用RS485芯片，與上位機(jī)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(tǒng)與上位機(jī)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(dá)128個(gè)接收器，RS485接口采用平衡驅(qū)動(dòng)器的差分接收器組合，抗共模干擾能力強(qiáng)。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(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換。為了增加模塊的抗干擾能力，電路中的電源端增加一個(gè)0.1 μF無極性電容接地。

2.2 繼電器輸出模塊

本設(shè)計(jì)采用車用75 A繼電器模塊作為控制開關(guān)，以水溫信號(hào)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁離合器吸合的控制。繼電器的信號(hào)輸出電路接在單片機(jī)的P2.1口，在單片機(jī)懸空的I/O口引腳上拉10 kΩ，減少噪聲等的干擾，單片機(jī)通過對(duì)溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)本身設(shè)定溫度進(jìn)行比較，控制繼電器的吸合，進(jìn)而控制水泵運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序設(shè)計(jì)

3.1.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序主要完成系統(tǒng)初始化，等待系統(tǒng)初始化完成之后，調(diào)用溫度采集子程序，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度進(jìn)行采集，然后調(diào)用開關(guān)量控制子程序，對(duì)采集到的溫度與設(shè)置好的溫度進(jìn)行對(duì)比，輸出開關(guān)控制量。具體流程圖如圖3。

3.1.2 開關(guān)量控制流程設(shè)計(jì)

開關(guān)量輸出主要功用是輸出繼電器控制信號(hào)，完成電磁離合器的吸合與分離，有效可靠底使執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(gè)系統(tǒng)隔離。

3.2 數(shù)據(jù)通信

軟件設(shè)計(jì)中硬件系統(tǒng)與上位機(jī)數(shù)據(jù)通信采用中斷方式，其通信協(xié)議如下：

1）設(shè)定延時(shí)時(shí)間：$ST01XX！，延時(shí)時(shí)間設(shè)定成功返回：$SV01！，讀取延時(shí)時(shí)間：$RE01！，讀取延時(shí)時(shí)間返回：$RE01XX！，其中XX為十六進(jìn)制數(shù)據(jù)。

2）設(shè)定啟動(dòng)溫度：$ST02XX！，設(shè)定成功返回：$SV02！，讀取啟動(dòng)溫度：$RE02！，讀取啟動(dòng)溫度返回：$RE02XX！。

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

3.3 監(jiān)控中心客戶端軟件實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控中心軟件由模塊化設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)的，其主要功能包括串行口設(shè)置（設(shè)置、選擇串口、選擇通信波特率等參數(shù)，可進(jìn)行通信測(cè)試）、系統(tǒng)標(biāo)定設(shè)置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)處理等。系統(tǒng)功能模塊如圖4所示，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線界面如圖5所示。

4 結(jié)束語

新型自適應(yīng)水泵與發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶通過電磁離合器連接，該系統(tǒng)前期采用邏輯方式控制電磁離合器的吸合，完成發(fā)動(dòng)機(jī)的暖機(jī)工作，之后通過自適應(yīng)控制算法，實(shí)現(xiàn)水泵合理的啟停時(shí)間優(yōu)化。自適應(yīng)水泵系統(tǒng)通過電磁離合器對(duì)水泵的控制實(shí)現(xiàn)極端環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)的快速暖機(jī)；通過自適應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)適時(shí)非持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧廣峰，郭新民，孫運(yùn)柱，等.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].農(nóng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)控制策略研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，202041（3）：68-76，85.

[3]呂良，陳虹，宮洵，等.汽油發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)建模與水溫控制[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2019，53（6）：106-116.

[4]任家潮.關(guān)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵研究進(jìn)展分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（17）：107-108.

[5]高猛.工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)自調(diào)角節(jié)能冷卻風(fēng)機(jī)研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2012.

[6]王旭東.汽車電子控制裝置與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2007.

[7]劉金琨.智能控制[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[8]韓冰.智能自適應(yīng)控制技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展[M].科技信息.2010.

2505501705297