汽車發動機冷卻水泵的相關分析

李志華

【摘 要】本文對汽車發動機冷卻水泵進行分析，在研究冷卻系統整體設計和控制的基礎上，分析冷卻水泵工作中常見的一些問題。例如，發動機系統預熱慢或者過熱等問題，從技術層面上加以探討。最終研究結果表明，使用電控水泵冷卻系統，不僅可以有效解決上述問題，并且具有功率小、噪聲小、節省燃油的優點。

【關鍵詞】發動機；冷卻系統；水泵

在汽車發動機傳統冷卻系統中，由于水泵和風扇的轉速時常受到發動機轉速的限制，因而無法準確地根據發動機工況來自動調節。在這種情況下，當汽車發動機冷卻啟動后，水泵工作性能會受到影響，發動機預熱時間被延長。為了解決上述問題，本次課題研究，專門針對現代化的電控水泵冷卻系統進行了研究設計，針對冷卻水泵常出現泄露、散熱能力差等現象，著重從控制層面入手。

1 汽車發動機冷卻水泵問題概述

新時期，隨著社會的進步、經濟的發展，在交通和運輸領域，人們對于汽車性能的要求也越來越高。無論是大型的貨運、客運汽車，還是微小型的汽車，在日常使用中，由于汽車發動機受維護狀況、設計、負荷、季節等因素的綜合影響，經常出現一些故障，比如，預熱時間延長、散熱性能逐漸減弱等，而這種問題又不易被察覺，最終逐漸影響到整個汽車發動系統的運行效果。

在這里以貨運汽車和城市公交車為例進行分析。在環境溫度處于10℃左右時，汽車發動機系統內部的水泵冷卻溫度，要想接近或達到 80℃，至少需要16-25分鐘；而當系統內部環境溫度低于0℃的時候，汽車發動機的預熱時間會更長。經過試驗發現，造成這一現象的重要原因在于發動機系統結構內部冷卻水泵和風扇受到了驅動方式的限制，在這種情況下，冷卻水泵只能隨著發動機的運轉而運轉，兩者同步運行的過程中，循環水就會迅速的帶走氣缸周圍的熱量，造成汽車發動機預熱時間延長。總之，現存的問題就是冷卻水泵的運轉，極大消耗了汽車發動機的有效功率。大型的貨車在爬坡路段，一旦時間比較長，就會出現“開鍋”現象；與貨車相比較，公交車的運行速度一般比較慢，在這種情況下，汽車發動機冷卻系統也無法充分利用迎面風來散熱降溫。

2 汽車發動機冷卻水泵技術改進

關于冷卻系統中水泵結構的設計，需要結合發動機整體來進行，展示的是發動機冷卻系統中電控水泵的整體設計思路及流程框架。

如圖2所示，在開始運行的過程中，通過水溫傳感器，可以將采集到的溫度直接轉化為數字信號，即水溫信號，緊接著將其傳輸給ECU控制單元，ECU控制單元來對水溫信號加以處理，在處理過后，發出更加可靠可行的指令，通過對電路的調節，來對水泵、風扇的轉速進行控制，進而更好的把握住發動機冷卻系統的散熱性能。總之，該控制系統，屬于一種動態隨機測控系統。

在具體設計與實施上，即控制系統的設計，主要包含兩個層面，硬件系統的設計和軟件系統的設計。單純以電控水泵的設計來說，該硬件系統的裝置設計，即“水溫信號-ECU控制單元-驅動電路-電控水泵” 。在相關硬件設備的選擇上，首先是冷卻水溫度傳感器的選擇，傳感器是一種轉換器件，它的性能和質量的好壞，直接影響著整個水泵冷卻系統的控制性能；其次是微處理器的選擇，微處理器也就是人們常說的單片機，它是整個水泵冷卻系統的核心部件，本次設計研究專門選用了EM78P458型號的單片機。

第二，軟件控制系統的撒合計，軟件系統的設計，主要是為了完成對汽車發動機冷卻水溫度信號的采樣（循環采樣），進而方便對采集到的信號進行數字濾波處理、上下限判斷，再予以參數設置、驅動執行。在具體設計上，本系統主要包括7大模塊，分別是①主程序模塊、② 中斷處理模塊、③水溫采樣、④數字濾波、⑤水溫控制、⑥計算模塊、⑦ 驅動執行模塊 。其中，計算模塊為PID計算，驅動模塊為PWM驅動。

硬軟件控制裝置設計完成之后，下一步則需要對其加以完善和強化，即設計系統抗干擾裝置，包括硬件抗干擾設計、軟件抗干擾設計。因為將控制系統安裝到汽車上之后，一般都會受到點火系統、發電機系統的影響，也就是常見的電磁干擾，在這種情況下，將會影響整個系統工作的可靠性、安全性，因此，對于系統抗干擾裝置性能的要求是非常高的。在硬件裝置層面，可以選用抗干擾性能較強的屏蔽型變壓器設備，電路可以采用獨立型的電源供電設備。在軟件裝置層面，可以在原有的數字濾波技術基礎上加以改進，對采樣后的數字信號實施中值濾波處理，這樣可以進一步提升水泵冷卻系統檢測的精準度。

3 總結

二十一世紀是高速發展的信息化時代，汽車工業作為我國國民經濟支柱型產業，其發展也必須要順應時代發展的大潮流，低碳循環經濟方式是大勢所趨。就目前來看，汽車工業的發展日益受到節能、環保、安全三方面的威脅和沖擊。在這種嚴峻的局面下，無論是從國家政策法規約束層面來看，還是從市場經濟本身來看，都時刻要求著設計者開發出新一代的汽車，盡可能使發動機處在最佳工況范圍之內來運行。大量的工業生產與設計研究一再表明，單純在機械本身上進行改進與完善，已經無法滿足這一時代化要求，只會使得發動機結構變得更加復雜。本文提出的設計和完善理念，核心是一種集中控制思想，電子控制元件就具備這一性能，不僅結構緊湊、成本低，并且低耗節能、安全可靠。通過對汽車發動機冷卻水泵進行改造，將傳統的水泵系統結構改造為電子控制型的水泵，發動機的工作環境溫度變得更加溫度，預熱時間也比改進前明顯縮短。同時，燃油消耗也降低了8-10%，安全性能、經濟成本、社會效益均比較佳。

【參考文獻】

[1]吳杰.汽車發動機冷卻系統水泵設計及流場仿真分析[D].重慶大學，2013.

[2]李維強，李偉，施衛東，等.汽車發動機冷卻水泵的研究進展[J].排灌機械工程學報，2016（1）：9-17.

[3]蔡文新，熊盛林，方利志，等.發動機冷卻用電動水泵的研發[C]//度apc聯合學術年會.2012.

[責任編輯：李書培]