汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)智能控制技術(shù)探討

陳國珍 李奕霖

摘 要：現(xiàn)代的汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的發(fā)展極其的迅速，而發(fā)展方向也逐漸趨向于智能化，精確化。但是就目前我國的汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的現(xiàn)狀來看，我國的汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的發(fā)展還有很長的路要走，特別是結(jié)合現(xiàn)代高端科技這一領(lǐng)域。而就目前我國的經(jīng)濟(jì)來看，只要我們可以選對方向，就可以促進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?；诖?，本文對汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)智能控制技術(shù)進(jìn)行了簡要的分析，希望可以為相關(guān)人員提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動機(jī)；冷卻系統(tǒng)；智能控制；技術(shù)探討

引言

汽車發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)作為維持汽車正常行駛的重要系統(tǒng)，能有效調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的熱量，保證發(fā)動機(jī)的性能。而加強(qiáng)智能化控制技術(shù)研究具有重要的意義。

1汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)概述

現(xiàn)代汽車的發(fā)動機(jī)冷卻方式包括水冷卻式和風(fēng)冷卻式，且多采用封閉式強(qiáng)制循環(huán)水冷方式。發(fā)動機(jī)水冷式冷卻系統(tǒng)主要由水泵、散熱器、冷卻風(fēng)扇、補(bǔ)償水箱、節(jié)溫器、發(fā)動機(jī)機(jī)體、氣缸水套等部分組成。主要通過水泵使環(huán)繞在氣缸水套中的冷卻液加快流動，通過行駛中的自然風(fēng)和電動風(fēng)扇，使冷卻液在散熱器中進(jìn)行冷卻，冷卻后的冷卻液再次引入到水套中，周而復(fù)始，實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)的冷卻。同時水冷系統(tǒng)的冷卻液會隨發(fā)動機(jī)的溫度而改變路線和循環(huán)方式。當(dāng)冷卻液不經(jīng)過散熱器而只在發(fā)動機(jī)水道內(nèi)循環(huán)時，可實現(xiàn)發(fā)動機(jī)在短時間內(nèi)溫度迅速升高，這種方式被稱為小循環(huán)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)冷卻液的溫度超過80℃時，節(jié)溫器會關(guān)閉小循環(huán)的通路，使冷卻液進(jìn)入散熱器中，經(jīng)過散熱，再由水泵進(jìn)行吸抽，再次回到缸體水套中，這種在散熱器和發(fā)動機(jī)中循環(huán)散熱的方式叫做大循環(huán)。發(fā)動機(jī)風(fēng)冷式冷卻系統(tǒng)又可分為自然風(fēng)冷式和強(qiáng)制風(fēng)冷式兩種冷卻方式。自然風(fēng)冷式是通過汽車在行駛過程中所受到的外界氣流來冷卻整個發(fā)動機(jī)，采用風(fēng)冷式的發(fā)動機(jī)氣缸體和缸蓋需要鑄成一體，并應(yīng)用傳熱性能良好的材料制成，目前多為鋁合金等材料。同時要在其表面安裝大量的散熱片，有利于散熱面積的增大，進(jìn)而增強(qiáng)冷卻效果。強(qiáng)制風(fēng)冷式是發(fā)動機(jī)自身為風(fēng)扇提供動力，加快散熱片周圍氣流的流量和速度，再經(jīng)過風(fēng)扇的分配，最終實現(xiàn)對缸體、缸套和缸蓋溫度的降低。

2汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)智能控制系統(tǒng)

2.1冷卻系統(tǒng)工作溫度

燃油在發(fā)動機(jī)里燃燒所產(chǎn)生的溫度可高達(dá)2000℃，這個高溫對于發(fā)動機(jī)的工作是有害的，所以必須將該溫度冷卻到“工作溫度”。合適的發(fā)動機(jī)工作溫度不但能夠提高發(fā)動機(jī)功率、減少燃油消耗，也能降低發(fā)動機(jī)尾氣的排放。發(fā)動機(jī)的工作能力取決于冷卻系統(tǒng)是否正常工作。對于傳統(tǒng)節(jié)溫器調(diào)節(jié)的冷卻系統(tǒng)來說，其工作溫度要求如圖2所示，部分負(fù)荷時，冷卻液溫度較高，冷卻液溫度為95℃～110℃，這有助于降低油耗和廢氣中的有害物質(zhì)。全負(fù)荷時，冷卻液溫度較低，冷卻液溫度為85℃～95℃，吸入的空氣被加熱到的溫度低一些，這有助于提高功率。但是傳統(tǒng)的冷卻方式僅僅依靠蠟式節(jié)溫器的被動調(diào)節(jié)，無法滿足冷卻液溫度與實時的發(fā)動機(jī)工作溫度相匹配的要求。智能冷卻系統(tǒng)的研究目的，就是要能按負(fù)荷狀態(tài)將發(fā)動機(jī)的工作溫度調(diào)節(jié)到某個規(guī)定值，在發(fā)動機(jī)的各個功率和負(fù)荷狀態(tài)下，冷卻狀態(tài)均能符合實際需要。當(dāng)發(fā)動機(jī)在冷起動條件和部分負(fù)荷工況下，發(fā)動機(jī)需要進(jìn)行快速的預(yù)熱，此時節(jié)溫器的位置只允許直接通往水泵的路徑是開通的，不經(jīng)過散熱器，冷卻液進(jìn)行小循環(huán)，當(dāng)發(fā)動機(jī)冷卻液的溫度一旦達(dá)到110℃左右時，散熱器就參與到循環(huán)中來，此時冷卻液進(jìn)行大循環(huán)。在整個過程中，電控節(jié)溫器的工作狀態(tài)根據(jù)負(fù)荷情況由模糊控制策略來決定，為了增強(qiáng)行車或者怠速時的冷卻效果，電動風(fēng)扇會根據(jù)需要開啟相應(yīng)的工作狀態(tài)。

2.2系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由電子控制冷卻風(fēng)扇、電子控制恒溫器、電控空氣偏轉(zhuǎn)器和微控制機(jī)構(gòu)組成。電控冷卻風(fēng)扇由電機(jī)驅(qū)動，電控恒溫器用電加熱使雙金屬變形，雙金屬變形使恒溫閥旋轉(zhuǎn)改變尺寸周期，電控空氣偏轉(zhuǎn)?；蛘咄ㄟ^雙向電機(jī)將傳動機(jī)構(gòu)接通或斷開，微控制機(jī)構(gòu)是由89C51開發(fā)的單片機(jī)控制系統(tǒng)。

2.3單片機(jī)工作原理

溫度傳感器感測發(fā)動機(jī)水溫的變化，同時將溫度信號轉(zhuǎn)換成與其成反比的電壓模擬信號。這些信號在A/D轉(zhuǎn)換器（ADC0809）中被處理（電容器低通濾波、校正和電壓跟隨器耦合）到IN0信號路徑中。所采集的模擬電壓信號由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并讀入單片機(jī)89C51。單片機(jī)89C51根據(jù)不同的輸入信號對驅(qū)動電路進(jìn)行分析和處理，實現(xiàn)對恒溫繼電器、空氣偏轉(zhuǎn)繼電器和風(fēng)扇繼電器的控制。從而實現(xiàn)了發(fā)動機(jī)冷卻能力的智能控制。

2.4單片機(jī)智能控制的電路系統(tǒng)

單片機(jī)智能控制的電路系統(tǒng)主要包括單片機(jī)、電源電路、信號采樣處理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、自動復(fù)位電路和控制驅(qū)動電路。微控制器采用公司生產(chǎn)的MCS-51系列單片機(jī)AT89C51，單片機(jī)+5V電源，40針封裝，32條I/O線，HMOSI制造工藝和布爾運算處理功能，可對信號進(jìn)行分析和處理，計算和控制輸出。它是系統(tǒng)直流電源+12V的核心電源電路，通過芯片CN7805轉(zhuǎn)換，得到+5V穩(wěn)定的直流電壓，并且直流電源+12V構(gòu)成二次輸出功率。此外，濾波器電容器和隔離二極管外部連接以穩(wěn)定輸入電壓和輸入信號。

2.5電子節(jié)溫器的模糊控制

所謂模糊控制理論指的是通過構(gòu)建模糊集及模糊邏輯，建立隸屬函數(shù)間的相互關(guān)系，實現(xiàn)對目標(biāo)對象的控制。

詳細(xì)包含以下幾個方面：1）根據(jù)部件輸入?yún)?shù)確定目標(biāo)值，通過A/D轉(zhuǎn)換器將采集的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將目標(biāo)值與轉(zhuǎn)換后的值相減，從而得出系統(tǒng)誤差e；2）根據(jù)實際的汽車發(fā)動機(jī)智能冷卻系統(tǒng)工作流程建立相關(guān)規(guī)則，通過行為模擬的方式完成目標(biāo)對象的控制；3）對模糊量E和△E所屬區(qū)間進(jìn)行判斷，根據(jù)2）所定義的模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，得出控制量U；4）對模糊控制量U完成去模糊操作，得出精確的控制量u。以冷卻劑溫度差和發(fā)動機(jī)缸蓋出口預(yù)測溫度作為電子恒溫模糊控制器的輸入，以根據(jù)上述步驟計算出的電子恒溫器的開度增量U作為輸出到冷卻系統(tǒng)的循環(huán)流動。

在控制過程中，電子節(jié)溫器需遵循如下規(guī)則：1）若冷卻液實際溫度超高（遠(yuǎn)大于目標(biāo)值），并且上升速率較高（處于暖機(jī)狀態(tài)），則較大幅度增加電子節(jié)溫器的開度；2）若冷卻液實際溫度稍高（距離目標(biāo)值不大），并且上升速率較低（處于正常行駛狀態(tài)），則保持電子節(jié)溫器的開度基本不變；3）若冷卻液實際溫度較低（遠(yuǎn)小于目標(biāo)值），并且下降速率較高（處于后冷卻控制狀態(tài)），則較小幅度減小電子節(jié)溫器的開度。

結(jié)束語

由于冷卻系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)里面占有重要比例，因此基于模糊控制策略的智能冷卻系統(tǒng)的研究為解決上述問題提供了一個方向，從這方面來講，本文所采用的模糊策略能夠為今后相關(guān)研究提供一定的參考借鑒意義。

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