汽車發(fā)動機冷卻水泵的相關分析

李志華

（廣州市花都區(qū)理工職業(yè)技術學校，廣東 廣州510800）

汽車發(fā)動機冷卻水泵的相關分析

李志華

（廣州市花都區(qū)理工職業(yè)技術學校，廣東 廣州510800）

本文對汽車發(fā)動機冷卻水泵進行分析，在研究冷卻系統(tǒng)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(fā)動機系統(tǒng)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(tǒng)，不僅可以有效解決上述問題，并且具有功率小、噪聲小、節(jié)省燃油的優(yōu)點。

發(fā)動機；冷卻系統(tǒng)；水泵

在汽車發(fā)動機傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)中，由于水泵和風扇的轉(zhuǎn)速時常受到發(fā)動機轉(zhuǎn)速的限制，因而無法準確地根據(jù)發(fā)動機工況來自動調(diào)節(jié)。在這種情況下，當汽車發(fā)動機冷卻啟動后，水泵工作性能會受到影響，發(fā)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(xiàn)代化的電控水泵冷卻系統(tǒng)進行了研究設計，針對冷卻水泵常出現(xiàn)泄露、散熱能力差等現(xiàn)象，著重從控制層面入手。

1 汽車發(fā)動機冷卻水泵問題概述

新時期，隨著社會的進步、經(jīng)濟的發(fā)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(fā)動機受維護狀況、設計、負荷、季節(jié)等因素的綜合影響，經(jīng)常出現(xiàn)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(fā)動系統(tǒng)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(huán)境溫度處于10℃左右時，汽車發(fā)動機系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)內(nèi)部環(huán)境溫度低于0℃的時候，汽車發(fā)動機的預熱時間會更長。經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，造成這一現(xiàn)象的重要原因在于發(fā)動機系統(tǒng)結構內(nèi)部冷卻水泵和風扇受到了驅(qū)動方式的限制，在這種情況下，冷卻水泵只能隨著發(fā)動機的運轉(zhuǎn)而運轉(zhuǎn)，兩者同步運行的過程中，循環(huán)水就會迅速的帶走氣缸周圍的熱量，造成汽車發(fā)動機預熱時間延長。總之，現(xiàn)存的問題就是冷卻水泵的運轉(zhuǎn)，極大消耗了汽車發(fā)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(xiàn)“開鍋”現(xiàn)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(fā)動機冷卻系統(tǒng)也無法充分利用迎面風來散熱降溫。

2 汽車發(fā)動機冷卻水泵技術改進

關于冷卻系統(tǒng)中水泵結構的設計，需要結合發(fā)動機整體來進行，如下圖（圖1和圖2）展示的是發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中電控水泵的整體設計思路及流程框架。

圖1 發(fā)動機冷卻水泵整體設計方案

上述圖1中，1指的是微控單元ECU，2指的是冷卻水溫度傳感器，3指的是散熱器；4指的是風罩，5指的是與水泵一起工作的電風扇，6指的是系統(tǒng)電源，7指的是（電）水泵。

圖2 水泵控制裝置原理框圖

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(zhuǎn)化為數(shù)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(fā)出更加可靠可行的指令，通過對電路的調(diào)節(jié)，來對水泵、風扇的轉(zhuǎn)速進行控制，進而更好的把握住發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的散熱性能?？傊?，該控制系統(tǒng)，屬于一種動態(tài)隨機測控系統(tǒng)。

在具體設計與實施上，即控制系統(tǒng)的設計，主要包含兩個層面，硬件系統(tǒng)的設計和軟件系統(tǒng)的設計。單純以電控水泵的設計來說，該硬件系統(tǒng)的裝置設計，即“水溫信號-ECU控制單元-驅(qū)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(zhuǎn)換器件，它的性能和質(zhì)量的好壞，直接影響著整個水泵冷卻系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的撒合計，軟件系統(tǒng)的設計，主要是為了完成對汽車發(fā)動機冷卻水溫度信號的采樣（循環(huán)采樣），進而方便對采集到的信號進行數(shù)字濾波處理、上下限判斷，再予以參數(shù)設置、驅(qū)動執(zhí)行。在具體設計上，本系統(tǒng)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(shù)字濾波、⑤水溫控制、⑥計算模塊、⑦驅(qū)動執(zhí)行模塊 。其中，計算模塊為PID計算，驅(qū)動模塊為PWM驅(qū)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(tǒng)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(tǒng)安裝到汽車上之后，一般都會受到點火系統(tǒng)、發(fā)電機系統(tǒng)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(tǒng)工作的可靠性、安全性，因此，對于系統(tǒng)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(shù)字濾波技術基礎上加以改進，對采樣后的數(shù)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(tǒng)檢測的精準度。

3 總結

二十一世紀是高速發(fā)展的信息化時代，汽車工業(yè)作為我國國民經(jīng)濟支柱型產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展也必須要順應時代發(fā)展的大潮流，低碳循環(huán)經(jīng)濟方式是大勢所趨。就目前來看，汽車工業(yè)的發(fā)展日益受到節(jié)能、環(huán)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(guī)約束層面來看，還是從市場經(jīng)濟本身來看，都時刻要求著設計者開發(fā)出新一代的汽車，盡可能使發(fā)動機處在最佳工況范圍之內(nèi)來運行。大量的工業(yè)生產(chǎn)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(jīng)無法滿足這一時代化要求，只會使得發(fā)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(jié)能、安全可靠。通過對汽車發(fā)動機冷卻水泵進行改造，將傳統(tǒng)的水泵系統(tǒng)結構改造為電子控制型的水泵，發(fā)動機的工作環(huán)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(jīng)濟成本、社會效益均比較佳。

［1］吳杰.汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)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(wèi)東,等.汽車發(fā)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(fā)動機冷卻用電動水泵的研發(fā)[C]//度apc聯(lián)合學術年會.2012.

［責任編輯：李書培］