基于汽車冷卻系統智能監測輔助裝置設計*

鄭小龍 ，孫長勇 ，葉紅艷 ，王福祿 ，趙晨皓

（山東華宇工學院機械工程學院，山東 德州 253000）

汽車的數量隨著科技的進步、經濟的騰飛而迅速上升，汽車成了老百姓的日常出行工具。汽車雖然為人們的生活提供了便利，但它所帶來的交通事故也給人們的生命帶來了極大的威脅。發動機作為汽車的核心部件，對汽車的正常行駛有著不可替代的作用[1]。發動機產生故障的原因又多由于冷卻系統發生故障，一旦發動機出現問題，整個汽車都不能正常運轉，給使用者帶來麻煩。對此，為了保障發動機冷卻系統的安全可靠性和經濟性[2]，需要一種汽車冷卻系統自動化智能監測輔助裝置來解決問題，以更好地保護駕駛人員的安全。

1 汽車發動機冷卻系統概述

汽車發動機冷卻系統的作用是冷卻發動機產生的熱量，將熱量散發到空氣中，避免發動機溫度過高，并在發動機變冷時盡快暖機，保持恒溫[3]。當發動機溫度升高時，發動機水循環節溫器打開，發動機冷卻液進入到大循環，驅動冷卻風扇轉動進行發動機散熱。冷卻系統的作用：1）根據發動機的負荷、轉速、溫度變化，改變冷卻強度，迅速地讓發動機升溫達到正常溫度；2）對發動機不同的工作部位給予不同的冷卻強度；3）將發動機工作時產生的熱量散發到空氣中，保證發動機在適宜的溫度范圍內工作[4]。

2 汽車發動機冷卻系統出現故障的原因

汽車的冷卻系統主要由5 部分組成，分別是冷卻液、水泵、水溫傳感器、散熱器以及采暖設施，在汽車的冷卻系統中發揮著不同的作用[5]。通過長期的數據監測分析，可以看出在汽車發動機冷卻系統中，產生故障的原因就是冷卻系統的密封性和冷卻液出現問題，冷卻液的溫度不適宜、質量不好或者冷卻液泄漏，這些都會導致汽車冷卻系統的故障。

2.1 發動機水溫過高

發動機冷卻系統的水溫太高，可能是由于冷卻劑不夠，從而導致發動機的溫度太高。若水箱中結垢嚴重，散熱風扇失靈或溫敏開關失靈，均易引起發動機高溫而引起汽缸爆裂，甚至會導致泵的損壞或傳送帶打滑，導致泵的工作狀態不佳，而冷卻系統中有氣體，導致冷卻水不能正常流通[6]。

2.2 發動機水溫過低

當車輛在行駛的時候，發現水溫表顯示不能達到正常的刻度線，聽到排氣管出現爆鳴的聲音，并且車輛油耗明顯增加，動力降低，這時基本可以判斷為是發動機冷卻溫度過低的故障。如果冷凝溫度長期不升高，則通常是因為節溫器只能進行大循環而不能進行小循環，從而導致引擎散熱器吸走了太多的熱量[7]。

2.3 冷卻液泄漏

冷卻系統密封問題：連接冷卻液箱和水箱的冷卻系統接口密封不嚴；橡膠管老化開裂導致冷卻液泄漏；水箱被腐蝕，導致冷卻液泄漏故障。如果出現泄漏現象而沒有及時發現，仍讓發動機繼續工作，會對汽車的安全造成很大的威脅。

3 汽車發動機冷卻系統主要功能結構設計

汽車發動機冷卻系統智能監測裝置由控制單元、功能開關、報警裝置、壓力傳感器、pH 值傳感器、溫度傳感器、發動機轉速傳感器等構成，總體設計方案框圖如圖1 所示，各模塊的安裝位置如圖2 所示。控制單元將所獲得的電信號與所儲存的設定值相比較，并分析其所檢測的信號是否正常；若出現異常，則由控制器控制報警器發出警報，以保證行車安全[8]。

圖1 總體設計方案框圖

圖2 各模塊的安裝位置

控制單元主要是用于智能控制該裝置，用來接收其他模塊傳來的電信號，并且可以控制報警器報警；報警器起到警示作用，當所接收到的電信號與所儲存在控制單元里的參數不符時，則控制單元控制報警器進行報警警示；壓力傳感器用于檢測冷卻系統的密封性，向控制裝置傳送所檢測的壓力信號；pH 值傳感器主要是用來檢測冷卻液的pH 值及冷卻液品質優劣；溫度傳感器防止水箱溫度過高，防止汽車出現開鍋現象，防止溫度過高引發燃燒等情況；發動機轉速傳感器用于探測發動機轉速。本文所提到的汽車發動機冷卻系統智能輔助設備將所獲取的信息，與儲存設置在監控單元內的參數范圍進行比較，以分析其所檢測的結果是否與儲存的參考范圍一致，如果與儲存的參數差異較大，則監控單元將會控制電子報警器報警警示，這將會使車輛的行駛更為安全。

在汽車發動機從停止運轉到開始運轉的過程中，發動機的轉速和工作溫度在持續地改變，因此冷卻系統中的壓強也在跟著發動機的轉速和工作溫度在持續地改變。在這種情況下，壓力傳感器通過通氣管作用在壓力傳感器上，而壓力傳感器和溫度傳感器以及發動機轉速傳感器都會把信號傳送給控制裝置，再將接收到的信號與儲存設定好的參數進行比較，如出現不正常，則說明冷卻系統不密封或冷卻液不足，由控制單元控制報警器發出警報并提醒駕駛員及時進行檢測和保養。若發現冷卻液不足，應及時將電信號傳輸到控制單元，并且把冷卻液不足的信號反饋給駕駛人員，方便維修人員維修。

同時，無論在什么條件下，pH 值傳感器都會不斷地測量冷卻劑的pH 值，并將所測得的電信號傳送給控制單元，控制單元會將所測得的信息與所存儲的設定的數據相對比，從而判定所測得的數據的正確性；如果出現異常，說明冷卻劑已經被腐蝕，可由控制裝置控制發出警報，提醒司機進行檢查和維護。將這種設備設定好的程序連接到汽車的電氣控制系統上，就可以用診斷儀器將汽車的制冷系統以故障代碼的方式讀取出來，從而給車輛，特別是非電氣控制制冷系統的車輛帶來了很大便利，安裝后就可以實現用電氣控制來監控制冷系統的運行狀況。

汽車冷卻系統通常是完全密封的，但因為各個汽車的冷卻系統構造和型式等不同而造成內壓力也有所不同，不過實際上各種汽車的密封性都是在一定范圍的。

發電機速度高，冷卻水泵速度就高，冷卻系統的內部壓力就相應增加，否則相反；發電機溫度增高，冷卻系統的內部壓力就相應增加，否則相反。隨著汽車行駛里程或時間的增長，冷卻液里的酸堿度范圍也會隨之發生變化，通常冷卻液的酸堿度范圍都會在7~9.5。因此，如果壓力感應器和pH 值傳感器等檢測的數據與控制單元的基本參數不相符時，則向控制器單元的報警器報警。

4 汽車發動機冷卻系統智能監測輔助裝置傳感器的應用

4.1 溫度傳感器

溫度傳感器可以檢測發動機的溫度、冷卻液的溫度、吸入氣體的溫度、催化溫度及燃油溫度。該裝置可使用熱電偶式溫度傳感器，其優點是具有較高的精度、較寬的測量范圍，缺點是需要額外的輔助冷端處理設備和放大器[9]。

4.2 壓力傳感器

壓力傳感器可以用于檢測汽車各種壓力的值并迅速反應，可采用SAW 壓力傳感器，其優點是具有較小的體積、較輕的質量、較高的分辨率、較高的靈敏度、較強的可靠性、較好的數字量輸出。目前來看，其是壓力傳感器中比較理想的類型。

4.3 pH值傳感器

汽車發動機冷卻系統智能監測裝置pH 傳感器模塊，將采集到的pH 值數據傳輸到檢測電路，檢測電路再將pH 值數據轉換為電壓信號，輸入到控制單元內，得到的數據再與控制單元內儲存的參數進行比較，當結果與儲存的參數不符時，控制單元會控制報警器警示[10]。

5 應用效果及檢驗

通過對本裝置的設計，首先，在程序上的試驗結果得到的是可以滿足本裝置預期功能效果，本裝置的部分程序圖如圖3 所示；其次，本裝置制作出后進行多次檢驗，得到可以完成預期功能的結果，目前本裝置尚在調試階段，實物圖如圖4 所示。檢驗結果，在檢驗汽車發動機冷卻智能檢測裝置時，對裝置壓力、pH 值、轉速、溫度等進行了模擬試驗，以確認本裝置的功能是否能夠實現。

圖3 本裝置的部分程序圖

當使用加熱裝置靠近溫度傳感器（以模擬出現高溫現象）時，此時溫度超過儲存在控制單元的溫度范圍，報警器立刻報警警示，鎖住控制面板，提示溫度傳感器模塊出現故障，當溫度下降時報警器消除警示。

當使用右邊的電位器來調節pH 值大小（以模擬pH 值變化現象）時，此時通過電位器旋鈕來調節pH值的大小（因為檢測pH 值的變化需要整套系統更換冷卻液，因此加裝了變位器來模擬pH 值的變化，當然也可以真實地測出pH 值），此時pH 值超過或者低于儲存在控制單元的范圍，報警器立刻報警警示，并且鎖住控制面板，提示pH 值傳感器模塊出現故障，當按下復位時報警器消除警示。

當使用加熱裝置時，溫度的升高造成冷卻液熱脹冷縮（以模擬壓力變化現象），此時壓力也在不斷變化，當超過儲存在控制單元的范圍，報警器立刻報警警示，鎖住控制面板，提示壓力傳感器模塊出現故障，當按下復位時報警器消除警示。

使用左邊的旋鈕來調節發動機的轉速（以模擬發動機轉速現象），當轉速超過存儲在控制單元的范圍，報警器立刻報警警示，鎖住控制面板，提示發動機轉速模塊出現故障。

6 結束語

綜上所述，汽車發動機冷卻系統是汽車的重要部件，只有提高發動機冷卻系統的安全性和可靠性，才能確保汽車在行駛過程中萬無一失。課題組設計了一款汽車發動機冷卻系統智能監測裝置，發現問題時該裝置會直接報警警示駕駛人員，提高維修工作人員對汽車冷卻系統維修的效率，從而保證汽車的駕駛更加安全。