車用發(fā)動機智能化冷卻控制系統(tǒng)的研究

田光輝

（四川職業(yè)技術學院，四川 遂寧 629000）

車用發(fā)動機智能化冷卻控制系統(tǒng)的研究

田光輝

（四川職業(yè)技術學院，四川 遂寧 629000）

節(jié)溫器、百葉窗（導風板）、冷卻風扇等主要部件構成的冷卻系統(tǒng)仍廣泛應用于現(xiàn)代汽車，但三者各自獨立工作且效率低、能耗量大，已不能適應現(xiàn)代汽車技術的發(fā)展.為此綜合考慮應建立節(jié)溫器、百葉窗（導風板）、冷卻風扇多元聯(lián)合控制的智能控制系統(tǒng).該系統(tǒng)可以根據(jù)車速、環(huán)境溫度、冷卻液溫度及其變化率對冷卻系統(tǒng)的冷卻能力進行智能化控制，以確保在發(fā)動機全部工況范圍內的最佳冷卻性能.

發(fā)動機;智能;控制系統(tǒng);研究

目前，由傳統(tǒng)的節(jié)溫器、百葉窗（導風板）、冷卻風扇構成的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)屬于被動的冷卻系統(tǒng)，且三者各自獨立工作，效率低、能耗量大，只能夠有限的調節(jié)發(fā)動機的熱分布，不能勝任發(fā)動機高效運行的需要.為此綜合考慮應建立節(jié)溫器、百葉窗（導風板）、冷卻風扇多元聯(lián)合控制的智能控制系統(tǒng).該控制系統(tǒng)在整機上主要采用電控水泵和電控風扇，通過智能控制適時采集冷卻液循環(huán)系統(tǒng)的溫度、發(fā)動機轉速、負荷等變量參數(shù)信號，經(jīng)對信號進行適時有效控制處理、對比，由電控單元輸出控制信號，調節(jié)水泵流量和風扇轉速，以保證在發(fā)動機全部工況范圍內的最佳冷卻性能.

1 基本控制原理

圖1 車用發(fā)動機智能化冷卻控制系統(tǒng)

如圖1為車用發(fā)動機智能化冷卻控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)以電控風扇為基礎，突破傳統(tǒng)冷卻風扇不能隨發(fā)動機工作環(huán)境溫度的變化而自動調整轉速的瓶頸.采用模糊控制與傳統(tǒng)PID控制相結合，通過傳感器采集到發(fā)動機的冷卻液溫度T及其變化率、發(fā)動機的負荷Q、發(fā)動機的轉速N等變量參數(shù)信號后，進行處理、分析輸入控制系統(tǒng)，經(jīng)控制系統(tǒng)綜合處理后給執(zhí)行元件輸出控制信號，從而調節(jié)水泵流量和風扇轉速，確保發(fā)動機冷卻系統(tǒng)始終處于最佳工作狀態(tài).

2 發(fā)動機冷卻液溫度影響因素分析

汽車發(fā)動機冷卻液溫度受眾多因素影響如圖2所示，既受散熱器結構形式、冷卻液循環(huán)流量的影響，又受汽車行駛速度、環(huán)境溫度、空氣流量的影響，還受發(fā)動機的負荷、發(fā)動機的轉速、風扇轉速的影響.這些影響因素在汽車的行駛過程都是一個個變量參數(shù)，因此及時、準確采集這些參數(shù)信號并正確進行信號處理是控制系統(tǒng)的關鍵.另外發(fā)動機冷卻液溫度的控制過程具有大慣性、純滯后、非線性特點的物理反應過程.因此發(fā)動機冷卻液溫度及其變化率與其它各因素間的關系很難用數(shù)學方程進行準確描述.本系統(tǒng)將模糊控制與傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)相結合，用模糊控制原理在線整定PID控制器的比例、積分、微分系統(tǒng).

圖2 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)溫度影響因素

3 車用發(fā)動機智能化冷卻控制系統(tǒng)的設計

3.1 系統(tǒng)組成及硬件設計

系統(tǒng)組成和硬件設計如圖3，通過建立、分析發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的數(shù)學模式，對輸入信號傳感器采集到的信息進行處理后，由控制系統(tǒng)（單片機）輸出控制信號從而控制水泵流量與風扇的轉速來達到自動調整和控制冷卻液的溫度及流量，從而確保發(fā)動機始終處于最佳的溫度狀態(tài)下運行.

圖3 系統(tǒng)組成和硬件設計框圖

智能化控制系統(tǒng)由信號輸入主要包括溫度傳感器、PWM信號傳感器、冷卻液溫度T及其變化率（d/dt）等、電源電路、時鐘輸入；信號輸出主要包括電控風扇、電控水泵、電控節(jié)溫器、電控導風板和微控制系統(tǒng)組成，電控風扇主要調節(jié)流入散熱器空氣的流量，電控水泵、電控節(jié)溫器主要用于調節(jié)流入散熱器的熱能.控制系統(tǒng)（單片機）采用美國微芯公司的一款20腳芯片PIC16F716.

3.1.1 輸入信號

（1）溫度傳感器：由發(fā)動機進口和散熱器出口溫度傳感器（NTC熱敏電阻）構成，二者分別安裝在發(fā)動機和散熱器之間的大循環(huán)管道上.通過溫度傳感器采集發(fā)動機冷卻液溫度及其變化率參數(shù)信號后，經(jīng)A/D轉換器轉換為數(shù)字信號并傳輸至控制系統(tǒng)（單片機）.

(2)PWM信號傳感器：PWM信號傳感器能夠將恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而改變平均輸出電壓的大小，用以調節(jié)水泵電機轉速，從而控制水泵流量.結合汽車工作實際本系統(tǒng)設計為轉速、電流雙閉環(huán)P W M調速系統(tǒng).

3.1.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的電源電路以Motorola LE4949（+5V供電）為控制核心，考慮汽車在運行過程中會產生強烈的振動、熱輻射和電磁干擾等特殊性，故在L E4949的基礎上，設置濾波和調整電路，為控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電源.控制系統(tǒng)以美國微芯公司生產的PIC16F716（+5V供電，20腳封裝），它具有硬件系統(tǒng)設計簡潔，指令系統(tǒng)精練等特點，能為本系統(tǒng)設計進行優(yōu)化組合.另外P W M信號傳感器和聲光指示電路，亦將采用同一電路來完成.

3.1.3 輸出信號

3.1.3 輸出信號

控制系統(tǒng)（單片機）接受輸入信號采集到的參數(shù)信號后經(jīng)綜合分析、對比、處理，按照發(fā)動機工作適時狀態(tài)對冷卻性能的不同要求，分別向執(zhí)行元件輸出不同的控制信號，從而指令執(zhí)行元件按要求有序工作.

電控節(jié)溫器主要通過通電后雙金屬片的變形來驅動節(jié)溫閥的旋轉從而實現(xiàn)大、小循環(huán)之間轉換；電控導風板主要通過改變電機工作電流方向，通過傳動機構來實現(xiàn)導風板的打開或關閉.電控水泵、電控風扇主要通過調節(jié)工作電流的大小來控制水泵的流量和風扇轉速，從而綜合控制冷卻系統(tǒng)的冷卻能力.

3.2 控制系統(tǒng)的工作

啟動（預熱后啟動）發(fā)動機，因冷卻液溫度低于70℃，控制系統(tǒng)（單片機）分析、處理采集到的溫度參數(shù)信號后向各執(zhí)行元件發(fā)出不同的控制信號即電控風扇關閉、電控導風板關閉、電控節(jié)溫器處于小循環(huán)狀態(tài)、電控水泵低速運轉.這樣因冷卻空氣不能進入散熱器，因而發(fā)動機冷卻液溫度很快上升.當發(fā)動機冷卻液溫度升至75℃，控制系統(tǒng)（單片機）綜合分析、對比采集到的參數(shù)信號后又向電控節(jié)溫器輸出控制信號即斷開電控節(jié)溫器加熱電阻絲的電源使其進入大循環(huán)狀態(tài)；當水溫達到80℃時，控制系統(tǒng)（單片機）又向電控導風板輸出控制信號使其處于打開狀態(tài)，此時冷卻空氣進入并對散熱器起冷卻作用，從而盡量減少電控風扇的工作；當水溫高達95℃時，控制系統(tǒng)（單片機）又分別向各執(zhí)行元件輸出不同的控制信號即電控風扇處于工作狀態(tài)，保持節(jié)溫器仍處于大循環(huán)狀態(tài)，保持導風板仍處于打開狀態(tài)，電控水泵高速運轉.此時發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的冷卻能力最大，從而實現(xiàn)快速降溫.當發(fā)動機冷卻液溫度降至89℃時，控制系統(tǒng)（單片機）再次向各執(zhí)行元件輸出不同的控制信號即斷開電控風扇電源使其不工作、保持電控導風板仍處于打開狀態(tài)、保持電控節(jié)溫器仍處于大循環(huán)狀態(tài).這樣直到發(fā)動機冷卻液溫度升至95℃，電控風扇再次接通電源使其處于工作狀態(tài).如此反復確保發(fā)動機冷卻系統(tǒng)始終處于最佳的溫度狀態(tài).

4 總結

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)是一個關聯(lián)系統(tǒng)，車用發(fā)動機智能化冷卻控制系統(tǒng)在充分考慮功能集成和能量集成基礎上進行了整體優(yōu)化設計，通過一定的實驗（測試）能夠有效對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的溫度進行智能控制，從而實現(xiàn)了對發(fā)動機熱管理技術的智能化控制，能夠及時、準確、自動地調節(jié)冷卻液溫度，確保發(fā)動機冷卻液溫度始終處于最佳狀態(tài)，從而提高發(fā)動機的工作效率，延長發(fā)動機的使用壽命.

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［2］李強.現(xiàn)代汽車冷卻系統(tǒng)控制原理概述（七）［J］.汽車維修技師，2013，（6）：31－32.

［3］吳峰.淺析發(fā)動機電控冷卻系統(tǒng)的設計［J］.科技信息，2013，（18）：118.

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On Vehicle Engine Intelligent Cooling Control System

TIAN Guanghui
（Sichuan Vocational and Technical college，Suining Sichuan 629000)

The thermostat, shutter (wind guide plate), the cooling fan are main components of cooling system which is still widely used in modern cars, but the three parts work independently with low efficiency, large energy consumption, which can not adapt to the development of modern automobile technology. So multi-joint intelligent control system should be constructed. The system can intelligently control the cooling systema according to the speed,environmental temperature, coolant tempe-rature and the change rate, to ensure the best cooling performance.

Engine; Intelligence; Control system; Research

U463.6

A

1672-2094(2014)01-0163-03

責任編輯：張隆輝

2014-01-19

田光輝（1967-），男，四川大英人，四川職業(yè)技術學院汽車系副教授.研究方面：汽車電子及控制技術.