礦用車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設計

李 維，李質(zhì)彬，王孔波，徐元坤

（西京學院 機械工程學院，陜西 西安 710123）

礦用車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設計

李 維，李質(zhì)彬，王孔波，徐元坤

（西京學院 機械工程學院，陜西 西安 710123）

文章以某型號礦用車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)為研究對象，針對礦用車輛在礦區(qū)惡劣環(huán)境下工作時，現(xiàn)行的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)無法保證發(fā)動機在最佳工況條件下運行的問題。通過設計電動水泵實時控制系統(tǒng)對該冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，經(jīng)過測試，能夠解決礦用車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)存在的問題，為礦用車輛發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供一種有效合理的途徑。

礦用車；發(fā)動機；冷卻系統(tǒng)；電動水泵控制系統(tǒng)

礦用車發(fā)動機采用更加緊湊的設計和更大的單位體積功率，強化程度越來越高，發(fā)動機產(chǎn)生的熱流量也隨之明顯增大，而在礦山區(qū)內(nèi)礦用車輛由于工作環(huán)境惡劣、負荷變化大，發(fā)動機更容易產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，進而會導致機油變質(zhì)和燒損，燃油消耗偏高，易于出現(xiàn)發(fā)動機開鍋，引起發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性、可靠性全面惡化，降低整車燃油經(jīng)濟性，影響礦用車壽命，而傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)無法滿足礦用車發(fā)動機保持在最佳工作溫度條件下運行。

本文針對上述問題，設計一種電動水泵控制系統(tǒng)，通過設置溫度傳感器對冷卻系統(tǒng)水溫進行實時監(jiān)控反饋給ECU，ECU對所反饋的水溫信號進行循環(huán)采集、判斷、處理，而后對電動水泵下達相應的調(diào)節(jié)指令，從而達到實時響應調(diào)節(jié)冷卻水供給量大小，滿足發(fā)動機在變工況情況下良好地工作運行，有效地改善了冷卻系統(tǒng)。

1 礦用車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)是為了將發(fā)動機工作時高溫零件所吸收的熱量及時帶走，使它們保持在適當溫度范圍內(nèi)工作的循環(huán)系統(tǒng)。國內(nèi)車用發(fā)動機大多采用傳統(tǒng)的強制循環(huán)冷卻系統(tǒng)。某礦用車發(fā)動機水循環(huán)冷卻系統(tǒng)主要包含發(fā)動機、散熱器、風扇、冷卻水泵、冷卻水泵進水管、節(jié)溫器及發(fā)動機內(nèi)外管路等[1]，具體如圖1所示。散熱器出水口的冷卻液在冷卻水泵的加壓下進入發(fā)動機中，帶走發(fā)熱零件吸收的多余熱量，并通過節(jié)溫器流向散熱器。在水泵作用下，冷卻液形成循環(huán)流動，達到持續(xù)冷卻作用。而發(fā)動機曲軸通過帶傳動直接驅(qū)動冷卻風扇對流經(jīng)散熱器的高溫液體強制散熱。該系統(tǒng)是按發(fā)動機最大熱負荷工況進行設計的，不能滿足發(fā)動機的散熱需要而自動調(diào)節(jié)，同時也會使油耗增加、整機的噪音增大，嚴重影響發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性，影響駕駛員的舒適性[2]。

2 冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方案

目前國外在重型礦用車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)方面一般采用全封閉環(huán)式冷卻系統(tǒng)[3]。國內(nèi)在冷卻系統(tǒng)方面的研究是根據(jù)冷卻水循環(huán)量的大小直接影響冷卻循環(huán)系統(tǒng)效果的好壞而展開的。通常負荷較大時能滿足冷卻需求，負荷較小時，冷卻量過大，影響發(fā)動機運行。本文針對上述問題，設計了一款電動水泵控制系統(tǒng)，如圖2所示。整個系統(tǒng)在傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)基礎上，設置了溫度傳感器，并用電動水泵替代機械水泵。水溫傳感器安裝在發(fā)動機出水管處采集溫度值，ECU對溫度信號進行循環(huán)采集、判斷、處理，系統(tǒng)對電動水泵發(fā)出工作指令調(diào)節(jié)電動水泵轉(zhuǎn)速，從而達到控制冷卻液流量的目的，實現(xiàn)對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)水溫的實時調(diào)節(jié)控制，滿足了發(fā)動機在復雜多變的工況下的正常需求，提高冷卻系統(tǒng)的效率，節(jié)省了能源消耗。

圖1 某礦用車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)示意

圖2 冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計示意

3 電動水泵控制系統(tǒng)設計

此電動水泵控制系統(tǒng)設計，主要包括硬件設計、軟件設計、電源電路設計等。硬件是指控制器本身及其外圍設備，是控制系統(tǒng)的基礎。其結(jié)構(gòu)的合理、可靠與否，將直接影響整個系統(tǒng)的性能[4]。設計的電動水泵控制系統(tǒng)的硬件主要由溫度測量裝置、ECU、驅(qū)動電路、電動水泵等組成，如圖3所示。

ECU是將CPU，RAM，ROM，I/O接口電路、定時器/計數(shù)器以及串行通信接口等部件制作在一塊集成芯片上構(gòu)成一個完整的電子控制器[5]，其原理如圖4所示。

圖3 電控水泵控制裝置原理

圖4 電控輔助系統(tǒng)控制系統(tǒng)硬件ECU示意

此微處理器是ST C公司生產(chǎn)的高檔8位單片機STC89C51。其能向下完全兼容 51 全部字系列產(chǎn)品，采用CMOS 制造工藝，功耗低；可以按照常規(guī)方法進行編程。在片外設有內(nèi)部時鐘電路、復位電路、驅(qū)動模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊等。此設計測量的對象為冷卻液溫度，溫度測量裝置（主要是溫度傳感器）是構(gòu)成控制系統(tǒng)最重要的元件之一，選用MSTT型一體化溫度轉(zhuǎn)換裝置。溫度傳感器采集發(fā)動機冷卻液溫度信號，溫度轉(zhuǎn)換裝置直接把溫度傳感器輸出的信號進行放大和線性化處理，將溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓模擬信號，轉(zhuǎn)變后的電壓信號直接送到A/D轉(zhuǎn)換模塊通過ADC0809進行A/D轉(zhuǎn)換，由單片機對轉(zhuǎn)換后的結(jié)果處理。經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換模塊通過DAC0832進行D/A轉(zhuǎn)換，根據(jù)指令轉(zhuǎn)換數(shù)字量轉(zhuǎn)換為電流，然后驅(qū)動電動水泵以不同的轉(zhuǎn)速為冷卻循環(huán)系統(tǒng)提供合理的冷卻液量。

此系統(tǒng)的單片機控制系統(tǒng)接口電路，具體如圖5所示。系統(tǒng)的元件主要包括STC89C51，ADC0809，DAC0832，MSTT，DS18B20，LM324，74LS04等元器件。

圖5 單片機控制系統(tǒng)接口電路

控制系統(tǒng)軟件將整個程序按功能劃分為獨立的模塊，各模塊可以單獨設計、編程和調(diào)試，然后再聯(lián)調(diào)，最終使之成為一個有實用價值的程序。電控系統(tǒng)軟件主要完成對冷卻液溫度信號的循環(huán)采樣、運算處理、驅(qū)動電機等功能。主程序流程如圖6所示。

圖6 電控輔助系統(tǒng)控制系統(tǒng)主程序流程

4 結(jié)語

在同一轉(zhuǎn)速下，原系統(tǒng)和新系統(tǒng)的油耗對比（此處列出了兩組轉(zhuǎn)速，分別為1 300 r/min，1 900 r/min）如圖7所示。方塊線條代表原車冷卻系統(tǒng)的油耗，圓點線條代表帶有此冷卻系統(tǒng)的油耗。經(jīng)測試，對比改進前后在不同轉(zhuǎn)速下的油耗，結(jié)果表明帶有此冷卻系統(tǒng)的油耗明顯低。冷卻系統(tǒng)的性能得到了明顯改善，并且可更有效地降低燃油消耗量、減少噪聲，提高了整車的燃油性與經(jīng)濟性。不足之處是由于系統(tǒng)工作環(huán)境的特殊性，還應進一步加強系統(tǒng)的抗干擾能力，以達到與重型礦用車更好地匹配。

圖7 改進前后的油耗對比

[1]嚴永華.工程機械用柴油機冷卻系統(tǒng)匹配技術(shù)研究[J].柴油機設計與制造，2014（3）：21-37.

[2]周軍.豐田電控液力馬達冷卻風扇系統(tǒng)的檢查[J].汽車診所，2010（2）：16-17.

[3]KERN J，AMBROS P. Concepts for a controlled optimized vehicle engine cooling system[J]. SAE Technical Paper，1997（6）：971816-971822.

[4]王福瑞.單片微機測控系統(tǒng)設計大全[M].北京：北京航空航天大學出版社，1999.

[5]胡汗才.單片機原理系統(tǒng)設計[M].北京：清華大學出版社，2002.

Optimization design of cooling system for mine truck engine

Li Wei, Li Zhibin, Wang Kongbo, Xu Yuankun
（Mechanical Engineering Department of Xijing University, Xi’an 710123, China）

In this paper, the cooling system of a certain type of mine truck engine is taken as the research object. Aiming at the problem that the current engine cooling system can not guarantee the engine running in the best condition when the mine truck working in the mining area under the bad environment. The optimal design of the cooling system is realized by designing the real-time control system of the electric water pump. It can solve the problems that existed in the cooling system of mine truck engine, and provide an effective and reasonable way for the optimization design of engine cooling system.

mine truck; engine; cooling system; electric water pump control system

李維（1965— ），男，陜西西安人，博士，副教授，碩士研究生導師；研究方向：活塞式發(fā)動機性能測試與優(yōu)化。