汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻的控制技術(shù)研究

趙旭輝 王銅鋼

摘要：冷卻系統(tǒng)的功用是帶走引擎因燃燒所產(chǎn)生的熱量，使引擎維持在正常的運(yùn)轉(zhuǎn)溫度范圍內(nèi)。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(dòng)風(fēng)扇及車輛行駛時(shí)的氣流來(lái)冷卻引擎;水冷式引擎則是靠冷卻水在引擎中循環(huán)來(lái)冷卻引擎。不論采何種方式冷卻，正常的冷卻系統(tǒng)必須確保引擎在各樣行駛環(huán)境都不致過(guò)熱。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動(dòng)機(jī);冷卻系統(tǒng);智能控制技術(shù);嵌入式系統(tǒng)

汽車?yán)鋮s系統(tǒng)對(duì)汽車來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，發(fā)動(dòng)機(jī)就如同人類的心臟，如果不好好保護(hù)就會(huì)受到威脅，現(xiàn)在隨著科技發(fā)展，冷卻系統(tǒng)不像以往那樣只是單純的水冷循環(huán)，現(xiàn)在冷卻系統(tǒng)智能控制很受歡迎，所以在以后的汽車發(fā)展中，單純的冷卻系統(tǒng)不會(huì)站主導(dǎo)位置了，雖然智能控制要求很高，但是在高級(jí)轎車中很實(shí)用，它代表著未來(lái)冷卻系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)方向，智能冷卻系統(tǒng)控制將會(huì)作為標(biāo)準(zhǔn)裝置在汽車上，未來(lái)一段時(shí)間在冷卻系統(tǒng)中將占主導(dǎo)位置;而智能控制將會(huì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)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(lái)智能控制冷卻系統(tǒng)的發(fā)展將占主導(dǎo)位置。

一、冷卻系統(tǒng)的作用

冷卻系統(tǒng)的功用是帶走引擎因燃燒所產(chǎn)生的熱量，使引擎維持在正常的運(yùn)轉(zhuǎn)溫度范圍內(nèi)。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(dòng)風(fēng)扇及車輛行駛時(shí)的氣流來(lái)冷卻引擎;水冷式引擎則是靠冷卻水在引擎中循環(huán)來(lái)冷卻引擎。不論采何種方式冷卻，正常的冷卻系統(tǒng)必須確保引擎在各樣行駛環(huán)境都不致過(guò)熱。

二、冷卻系統(tǒng)的組成

水冷卻系統(tǒng)一般由散熱器、節(jié)溫器、水泵、水道、風(fēng)扇等組成。散熱器負(fù)責(zé)循環(huán)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(dòng)的方向，盡量做到風(fēng)阻要小，冷卻效率要高。散熱器又分為橫流式和垂直流動(dòng)兩種，空調(diào)冷凝器通常與其裝在一起。

三、冷卻系統(tǒng)智能控制

系統(tǒng)由于汽車運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)、熱輻射和電磁干擾，因此對(duì)該系統(tǒng)電路有特殊要求：1.電路要有較高的抗振動(dòng)能力，以適應(yīng)不同路況、車況的要求。提高系統(tǒng)整體的可靠性和穩(wěn)定性。2.電路應(yīng)采取有效的防護(hù)隔離措施，以提高其抗干擾能力。

1系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由電控冷卻風(fēng)扇、電控節(jié)溫器、電控導(dǎo)風(fēng)板、微控制機(jī)構(gòu)組成。電控冷卻風(fēng)扇由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng);電控節(jié)溫器利用電加熱引起雙金屬片變形，由雙金屬片變形帶動(dòng)節(jié)溫閥旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，來(lái)改變大小循環(huán);電控導(dǎo)風(fēng)板由雙向電動(dòng)機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使之打開或關(guān)閉;微控制機(jī)構(gòu)是利用89C51開發(fā)的單片機(jī)控制系統(tǒng)。

2單片機(jī)控制系統(tǒng)工作原理

由溫度傳感器感受發(fā)動(dòng)機(jī)水溫的變化，同時(shí)把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橥涑煞幢汝P(guān)系的電壓模擬信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)處理（電容器低通濾波、校正和電壓跟隨器耦合）送入A/D轉(zhuǎn)換器（ADC0809）中INO信號(hào)通道。由A/D轉(zhuǎn)換器把采集來(lái)的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并讀入單片機(jī)，89C510單片機(jī)89C51根據(jù)不同的輸入信號(hào)分析處理去控制驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)溫器繼電器、導(dǎo)風(fēng)板繼電器和風(fēng)扇繼電器的控制。即可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻能力的智能控制。

3單片機(jī)系統(tǒng)控制過(guò)程

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱時(shí)（發(fā)動(dòng)機(jī)水溫（70℃），單片機(jī)根據(jù)檢測(cè)來(lái)的溫度數(shù)據(jù)處理分析向執(zhí)行元件發(fā)出控制信號(hào)，使其完成如下操作：a.電控冷卻風(fēng)扇不工作;b.電控導(dǎo)風(fēng)板關(guān)閉狀態(tài);c.電控節(jié)溫器處于小循環(huán)狀態(tài)。由于導(dǎo)風(fēng)板關(guān)閉，冷卻風(fēng)扇不工作，以至冷卻空氣不能進(jìn)入散熱器;同時(shí)節(jié)溫器處于小循環(huán)（加熱電阻絲通電），發(fā)動(dòng)機(jī)水溫上升很快。當(dāng)水溫升至75℃，單片機(jī)根據(jù)檢測(cè)來(lái)的溫度數(shù)據(jù)處理分析向執(zhí)行元件發(fā)出控制信號(hào)，使電控節(jié)溫器的加熱電阻絲斷電（讓其進(jìn)入大循環(huán)控制狀態(tài)）。當(dāng)水溫達(dá)到80℃時(shí)，單片機(jī)又發(fā)出指令，使電控導(dǎo)風(fēng)板處于敞開狀態(tài)。

此時(shí)可充分利用汽車行駛迎面風(fēng)對(duì)散熱器的冷卻作用，盡量減少冷卻風(fēng)扇的工作時(shí)間。當(dāng)水溫高達(dá)95℃時(shí)，單片機(jī)經(jīng)數(shù)據(jù)分析發(fā)出控制指令使電控冷卻風(fēng)扇工作，而讓節(jié)溫器仍處于大循環(huán)狀態(tài)，導(dǎo)風(fēng)板仍處于敞開狀態(tài)。這時(shí)冷卻系統(tǒng)的冷卻能力最大，實(shí)現(xiàn)快速降溫。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫降至89℃時(shí)，單片機(jī)根據(jù)采樣數(shù)據(jù)分析處理發(fā)出控制指令，使執(zhí)行元件完成以下操作：a.電控冷卻風(fēng)扇不工作;b.電控導(dǎo)風(fēng)板處于敞開狀態(tài);c.電控節(jié)溫器處于大循環(huán)狀態(tài)。這樣，直到發(fā)動(dòng)機(jī)水溫返升至95℃，電控冷卻風(fēng)扇又重新工作。

四、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的溫度控制

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度受多種因素的影響，比如散熱結(jié)構(gòu)形式、冷卻液循環(huán)流量、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、汽車行駛速度、環(huán)境溫度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、空氣流量等都會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的溫度，進(jìn)而對(duì)冷卻液溫度造成影響。所以要實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)溫度的控制，必須對(duì)上述參數(shù)信號(hào)進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確的采集，并對(duì)收集到的信號(hào)進(jìn)行正確的處理。用一般數(shù)學(xué)方程是很難描述汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度、溫度變化速率與其他影響因素之間的關(guān)系的，為此作者建議將適用于具有時(shí)變性、滯后性、不確定性的控制系統(tǒng)的模糊控制與傳統(tǒng)PID控制器相結(jié)合，建立節(jié)溫器、百葉窗、冷卻風(fēng)扇多元聯(lián)合控制的智能控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)水泵流量、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫度控制，保證冷卻系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)全部工況范圍內(nèi)的最佳冷卻性能。

另外，考慮汽車運(yùn)行的復(fù)雜性，比如可能會(huì)產(chǎn)生熱輻射、電磁干擾、振動(dòng)等，在多元聯(lián)合智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方面，必須使電路具有抗震性，并采取一定隔離防護(hù)措施，增強(qiáng)電路抗干擾性，確保智能控制系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和可靠性。

五、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵控制技術(shù)

根據(jù)冷卻風(fēng)扇的工作形式，其控制方式主要可分為三種，包括機(jī)械驅(qū)動(dòng)、自控電動(dòng)和綜合型智能控制方式，后兩者屬于真正意義上的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇控制技術(shù)。從控制模式來(lái)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(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)控制模塊，可通過(guò)采樣、處理環(huán)境溫度、冷卻液溫度、進(jìn)氣溫度及空調(diào)壓縮機(jī)壓力等實(shí)現(xiàn)對(duì)外部功率繼電器的控制，進(jìn)而控制風(fēng)扇速度，但這種控制類型只能控制高速、低速這兩個(gè)風(fēng)速，PCM負(fù)荷工作量大，實(shí)效性差;分體式控制類型即發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇控制器，可獨(dú)立于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)外或與發(fā)動(dòng)機(jī)有通訊聯(lián)系，通常兼控制冷卻風(fēng)扇、發(fā)動(dòng)機(jī)噴油、空調(diào)等功能于一體，智能化程度較高，采集信息多樣，通過(guò)統(tǒng)一調(diào)度可使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到良好的經(jīng)濟(jì)性和排放性，但這種控制器對(duì)防塵、水密封性都有著很高要求。為此，應(yīng)進(jìn)一步改進(jìn)PWM脈寬調(diào)制輸出的控制電路，使PWM控制器與ECU有關(guān)，由ECU綜合對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)溫度、壓力等信號(hào)參數(shù)進(jìn)行分析處理，生成PWM信號(hào)，傳輸給冷卻風(fēng)扇控制器，并由冷卻風(fēng)扇控制器輸出PWM脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)，使風(fēng)扇能夠在一定范圍內(nèi)無(wú)極調(diào)速。改進(jìn)后控制技術(shù)全面考慮了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)周圍環(huán)境參數(shù)，相較于傳統(tǒng)控制方式，冷卻風(fēng)扇控制器真正體現(xiàn)了智能化控制，性能、效率更高，且有利于實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。目前，雪鐵龍、大眾、標(biāo)致等汽車發(fā)動(dòng)機(jī)都采用了基于PWM脈寬調(diào)制輸出方式的冷卻風(fēng)扇控制器。

六、結(jié)語(yǔ)

總之，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)是保持發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的關(guān)鍵部件，為降低冷卻系統(tǒng)維修率，提高發(fā)動(dòng)機(jī)整體工作性能，必須充分發(fā)揮汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的智能化控制作用。在智能化控制技術(shù)比如PWM控制技術(shù)、智能化控制系統(tǒng)、車用傳感器等的支持下，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性大大提高，較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)冷卻液溫度的調(diào)節(jié)和控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終能在最適溫度條件下工作。當(dāng)然，受到各種因素限制，當(dāng)前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻的控制技術(shù)仍有待提升，環(huán)保、節(jié)能減排、智能化以及高性能在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍是我們需努力和研究的方向，相信有先進(jìn)的智能控制技術(shù)為支撐對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行、監(jiān)測(cè)進(jìn)行控制，加上智能化、不拆修發(fā)動(dòng)機(jī)的逐漸投入使用，綠色環(huán)保發(fā)動(dòng)機(jī)的使用意義將會(huì)真正體現(xiàn)出來(lái)。

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