汽車水泵控制系統(tǒng)的研究

朱桂英

摘要：傳統(tǒng)汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)存在響應(yīng)慢、精讀差等問題，針對這些問題，提出了一種電子水泵的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用高精度傳感器來采集水溫、轉(zhuǎn)速、流量信號，可編程硬件系統(tǒng)，用軟件進行程序設(shè)計，電控單元進行計算并輸出控制信號，可以在任何情況下都能提供足夠的冷卻水，可精確快速的控制水泵工作，使發(fā)動機機體溫度保持在正常范圍內(nèi)。該電子控制系統(tǒng)具有增加發(fā)動機動力輸出、輸出扭矩，提高燃油效率，減少因不完全燃燒而產(chǎn)生的有害氣體的排放等優(yōu)點。

Abstract： The traditional automobile engine cooling system has some problems， such as slow response and poor precision reading. In view of these problems， an electronic water pump control system is proposed. The system uses high-precision sensors to collect water temperature， speed and flow signals. The programmable hardware system is programmed with software， and the electronic control unit calculates and outputs control signals， it can provide enough cooling water in any case， and can accurately and quickly control the operation of the water pump to keep the engine body temperature within the normal range. The electronic control system has the advantages of increasing engine power output and output torque， improving fuel efficiency and reducing the emission of harmful gases caused by incomplete combustion.

關(guān)鍵詞：汽車;水泵;冷卻系統(tǒng);控制系統(tǒng)

Key words： auto;water pump;cooling system;control system

中圖分類號：TP29 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0011-03

0 ?引言

汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)是汽車的主要組成系統(tǒng)之一。發(fā)動機工作時，汽缸內(nèi)可燃?xì)怏w的工作溫度可高達2200-2800K，但若不對發(fā)動機進行必要的制冷措施，則將無法保持其正常運行[1-2]。冷卻系統(tǒng)的主要功能，是將從汽車發(fā)動機中受熱零部件所吸入的部分熱能有效排放出去，使汽車發(fā)動機進行最合理的制冷，以便于將其維持在最合理的工作溫度范圍內(nèi)正常工作。

1 ?研究意義

發(fā)動機的冷卻水供應(yīng)要合理，但如果冷卻水供應(yīng)不夠，會使發(fā)動機過熱，進而使得充氣效果減弱，同時早燃和爆燃的可能性也增大，因而造成發(fā)動機產(chǎn)生工作輸出功率減小，同時，運動機件之間通常的間隙也遭到了損壞，因而使零部件無法順利地運動，以至卡死、磨損;零部件因力學(xué)性能下降而產(chǎn)生變型和損傷;因潤滑劑黏度下降、潤滑劑層破碎而增加零部件損壞。

如果制冷過量，會使發(fā)動機過冷，因而使得進汽缸的可燃混合氣會因溫度過低而使點火困難和燃燒時間推遲，從而使得發(fā)動機輸出功率降低和油耗提高;潤滑油黏度增大，致使?jié)櫥缓枚又亓悴考膿p壞[3-4]。

實驗結(jié)果證實，發(fā)動機工作時具有最適宜的溫度范圍，即最佳溫度[5]。發(fā)動機在最高環(huán)境溫度下工作時，發(fā)電機的運行狀態(tài)包括汽油點燃、廢氣排出、潤滑油的黏度、機件的強度與間隙大小、發(fā)電機的運行狀況等均處在良好狀態(tài)下，不但能夠達到節(jié)油、減少空氣污染與噪聲，而且增加發(fā)動機輸出功率，同時也會大幅延長發(fā)動機的使用壽命。

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)按制冷介質(zhì)又可分成水冷和風(fēng)冷，水冷系統(tǒng)通常由于制冷強度較大而應(yīng)用在汽車發(fā)動機上[6-7]。在傳統(tǒng)的冷卻水系統(tǒng)中，冷卻水在泵的驅(qū)動下，強制經(jīng)過發(fā)動機氣缸蓋和汽缸統(tǒng)中的水套，以吸收熱能，然后再流入散熱器散熱，以便于將發(fā)動機的工作溫度維持在規(guī)定溫度范圍內(nèi)。

目前，汽車的冷卻系統(tǒng)仍大多使用傳統(tǒng)的機械自動化水泵，冷卻水泵通常使用皮帶或齒輪與發(fā)動機的曲軸相連，轉(zhuǎn)速受發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制。當(dāng)發(fā)動機冷啟動時，由于水泵受發(fā)動機驅(qū)動方式的限制而必須由發(fā)動機進行運行，其后果就是將汽缸周邊的熱能迅速帶走，特別是在寒冬導(dǎo)致暖機的持續(xù)時間拉長，從而大大降低了熱效能;在發(fā)電機低速大負(fù)載的狀況下，由于發(fā)動機缸蓋、排氣道等周邊的局部熱能異常大，要求冷卻水高速循環(huán)系統(tǒng)以盡快地排去過剩的熱能，但此時冷卻水泵因受到發(fā)動機速度的控制而無法增加轉(zhuǎn)速，也就無法增加水流的循環(huán)速率，從而導(dǎo)致汽車發(fā)動機體工作溫度增加，從而大大地影響了熱效率?，F(xiàn)在一些汽車中使用節(jié)溫器作為溫控器的大小循環(huán)回路控制方式，雖然在一定程度上改善了發(fā)動機的冷卻效果，但這種控制方式只是單設(shè)定點控制，響應(yīng)慢，精度差[8-9]。

國家引導(dǎo)和鼓勵發(fā)展節(jié)能環(huán)保型小排量汽車、各種節(jié)能和代用燃料汽車輛，根據(jù)2021年10月26日由國務(wù)院辦公廳印發(fā)的關(guān)于《2030年碳達峰行動方案的通知》中明確表示，中國二氧化碳排放量將爭取在2030年前達到峰值，為此國家在新能源汽車行業(yè)的發(fā)展政策中，將“積極推進電動車輛、混合動力汽車的研究和開發(fā)，加速代用燃油車輛的普及應(yīng)用，推動汽車行業(yè)取得跨越式蓬勃發(fā)展”列為汽車行業(yè)結(jié)構(gòu)性調(diào)整的重點[10]。并提出了“改善車輛燃油經(jīng)濟性，爭取使所有車輛的百公里油耗均減少10%，當(dāng)中，普通轎車和輕便車均減少5-10%，中重型汽車均減少10-15%[11]。增加代用燃油轎車所占的比重，優(yōu)化中國轎車能源需求結(jié)構(gòu)”的具體目標(biāo)。因此冷卻水泵、冷卻風(fēng)扇的電力驅(qū)動與控制有著很重要的節(jié)能環(huán)保、節(jié)能降耗、低碳排放的意義。

2 ?水泵控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)國家環(huán)保要求和電子技術(shù)的不斷應(yīng)用，自動化水平的不斷提高，本文提出的汽車?yán)鋮s水泵的改進方法是將冷卻水泵的驅(qū)動方式由機械傳動改為電力驅(qū)動，改進之后冷卻水泵的轉(zhuǎn)速不會再受汽車發(fā)動機工作狀態(tài)的影響，可在任何情況下提供足夠的冷卻水，使發(fā)動機機體溫度保持在正常范圍內(nèi)。由此帶來一系列的好處，如增加發(fā)動機動力輸出、增大輸出扭矩，提高燃油效率、減少因不完全燃燒而產(chǎn)生的有害氣體。

汽車水泵控制系統(tǒng)主要改進以下兩個方面：

一是水泵的驅(qū)動方式為直流電動機驅(qū)動，通過對水泵葉輪形式、尺寸以及發(fā)電機輸出功率的合理選取，并進行二者的優(yōu)化與配套結(jié)合，以實現(xiàn)較高效率[12]。

二是通過自動化控制，以發(fā)動機機體的最高工作溫度為反饋信號，通過電控計算直接控制電控水泵的工作，以冷卻水溫度為反饋信號配合對電動風(fēng)機的運行溫度控制，使發(fā)動機一直工作到最高工作溫度，以減少傳熱損失和機械損失。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

拆卸了汽車發(fā)動機對冷卻水泵的電機驅(qū)動皮帶，改由電機直接驅(qū)動冷卻水泵，在發(fā)動機的啟動階段控制冷卻水泵自動停止工作，以測試此時的預(yù)熱時間;在大負(fù)載狀況下，可以改變電動機速度，測量電動水泵的流量、流速、溫度、電機驅(qū)動功率，以及電動機的運行時間等數(shù)值，系統(tǒng)選用高精度數(shù)據(jù)采集傳感器采集所需數(shù)據(jù)信號，實現(xiàn)快速、高精準(zhǔn)的控制。

利用正交實驗設(shè)計的方式，選用一臺合適型號尺寸的水泵，與直流電機、冷卻水泵相連接后安裝，以保證一定的同心度，減少運行噪聲，將冷卻水泵接頭與汽車發(fā)動機機身的下端進入口與水箱流出口相連接。在汽車散熱器上安裝電動風(fēng)扇，使之保持穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，以綜合消除由風(fēng)扇造成的熱試驗危害，并模擬車輛各種工作狀況。計算直流電機所帶動的水泵的流量、速率、溫度、電機驅(qū)動輸出功率等數(shù)值，從而測算出電動水泵的效能。再經(jīng)過不斷的測試、改良，最后選定了一個最優(yōu)規(guī)格和理想形狀的電動水泵。將水泵定型加工后，再換上不同功率的電動機，并計算電機驅(qū)動功率、工作電壓等數(shù)值，從而計算出電動機的效能，經(jīng)反復(fù)測試、改良后選定了最優(yōu)化功率的電動機，從而完成了水泵、電動機的優(yōu)化組織。

3 ?電子水泵的設(shè)計

電子水泵系統(tǒng)分為硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和抗干擾設(shè)計三部分。

3.1 硬件設(shè)計

通過總體設(shè)計方法，確定了硬件的總體設(shè)計及其功能模塊，主要涉及對發(fā)動機溫度、轉(zhuǎn)速等信息的收集，以及直流電機的控制系統(tǒng)。

針對本系統(tǒng)特點，還配備了AD轉(zhuǎn)換設(shè)備、信號采集與放大模塊和輸入輸出驅(qū)動模塊。系統(tǒng)采用基于英飛凌單片機的直流電機控制器系統(tǒng)作為核心控制單元，單片機通過采集各組信號包括：轉(zhuǎn)速、溫度和流量信號，采用先進控制算法實時調(diào)節(jié)PWM信號脈寬，由PWM信號控制電機轉(zhuǎn)速，硬件系統(tǒng)集成了一系列高精度傳感器、PWM輸出驅(qū)動、電機控制橋電路等元器件，組成了系統(tǒng)的主要硬件部分。其中電控及數(shù)據(jù)采集處理原理圖如圖2所示。

溫度傳感器實時監(jiān)測發(fā)動機冷卻液的溫度，當(dāng)溫度超過正常范圍時，通過A/D轉(zhuǎn)換向控制單元輸送數(shù)字信號，控制單元根據(jù)程序設(shè)定進行信號處理發(fā)出指令，控制風(fēng)扇及水泵工作，使發(fā)動機冷卻水的溫度回歸正常工作范圍內(nèi)。采用的溫度傳感器為數(shù)字溫度傳感器，帶SPI接口，信號精度高，能達到0.1攝氏度的分辨率，響應(yīng)速度快。

流量傳感器用于監(jiān)測發(fā)動機冷卻液的流量，來判斷冷卻液回路是否通暢，以及冷卻水的多少。

轉(zhuǎn)速傳感器用來監(jiān)測水泵的轉(zhuǎn)速，輸出脈沖信號，單片機系統(tǒng)通過數(shù)脈沖信號來實時計算轉(zhuǎn)速信號，以此來判斷水泵的工作狀況是否正常，進而判斷及控制冷卻水量的多少。

數(shù)據(jù)信息采集完畢將信號通過A/D轉(zhuǎn)換傳送到控制單元，系統(tǒng)全部控制動作以及邏輯判斷由單片機控制單元自動完成。單片機控制單元根據(jù)輸入的電信號進行判斷處理，調(diào)節(jié)PWM脈寬，輸出控制水泵轉(zhuǎn)速以及風(fēng)扇的驅(qū)動指令。最終通過循環(huán)控制的方式控制水泵的轉(zhuǎn)速和風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，快速的將水溫控制在發(fā)動機最佳工作范圍內(nèi)。

3.2 軟件設(shè)計

結(jié)合了硬件設(shè)計，并按照系統(tǒng)功能特點實現(xiàn)了模塊化設(shè)計，主要包括主程序、驅(qū)動程序、數(shù)據(jù)采集程序等。主程序軟件流程圖如圖3所示，汽車發(fā)動機一通電工作，電子水泵控制系統(tǒng)首先進行自檢，并且復(fù)位，然后采集水溫、轉(zhuǎn)速、流速信號，并通過轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)傳給控制單元進行計算判斷，如果溫度在正常水溫范圍內(nèi)，循環(huán)進行溫度監(jiān)控，保證水溫始終在最佳溫度范圍，如果溫度異常，驅(qū)動水泵和風(fēng)扇在合適的狀態(tài)下工作，得到合適的流速和轉(zhuǎn)速，再次進行電控分析是否在正常溫度范圍，如果不再繼續(xù)進行電控驅(qū)動操作，直到溫度正常為止。

3.3 抗干擾設(shè)計

本系統(tǒng)主要使用于汽車上，由于受到的各種干擾比較嚴(yán)重，所以為了保證系統(tǒng)正常高效安全工作，在電源抗干擾、功能模塊抗干擾、信息傳送、接地線布置和印制電路板設(shè)計等方面還作出了綜合考慮，并選擇了不同的抗干擾措施[8-9]。

電源干擾采用大小電容并接方式，去除高低頻信號干擾，保證電源輸出穩(wěn)定，同時增加了電壓低壓報警功能，提前預(yù)警供電不足的問題。信息傳輸?shù)倪^程軟件上采用了多次握手的對接信號，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，硬件上采用接線屏蔽、EMC抗干擾等方法。

對改裝后的電控水泵風(fēng)扇運轉(zhuǎn)時間、運轉(zhuǎn)次數(shù)與改裝進行對比試驗。將選擇出的最優(yōu)水泵、電機組合安裝固定在臺架上，連接電機與智能控制回路，然后連接發(fā)動機、水泵、水箱各處接口，進行發(fā)動機運轉(zhuǎn)的對比試驗。發(fā)動機在不同工況和負(fù)荷下，測定電機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機的出水溫度和進水溫度，水泵配合電控風(fēng)扇每次運轉(zhuǎn)的時間，以及電動水泵、電動風(fēng)扇的間隔時間、電動水泵、電動風(fēng)扇運轉(zhuǎn)的次數(shù)、發(fā)動機的機油溫度和機油壓力，發(fā)動機的耗油量、蓄電池電壓等數(shù)據(jù)。與改裝前測試的相應(yīng)數(shù)據(jù)作比較分析，得出改裝后的試驗效果發(fā)現(xiàn)，制冷效果更高效，節(jié)能低耗，各項數(shù)據(jù)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 ?結(jié)語

本文提出水泵控制系統(tǒng)將冷卻水泵的驅(qū)動方式由傳統(tǒng)的機械傳動改為電力驅(qū)動后，通過水泵葉輪形狀、大小和電動機功率的選擇，實現(xiàn)兩者的優(yōu)化配套組合，達到較高效率。采用了自動控制技術(shù)，以發(fā)動機機體溫度為反饋信號，控制電子水泵的運行，以冷卻水的溫度作為反饋信號配合對電動風(fēng)扇的運轉(zhuǎn)控制，冷卻水泵的轉(zhuǎn)速不再受汽車發(fā)動機工作狀態(tài)的影響，使發(fā)動機始終工作在最佳工作溫度，降低傳熱損失和機械損失。改善了傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)響應(yīng)慢，精度差的不足的缺點，改進后的系統(tǒng)不但增加了發(fā)動機動力輸出、輸出扭矩，還提高了燃油效率、減少了因不完全燃燒而產(chǎn)生的有害氣體的排放，對節(jié)能環(huán)保以及實現(xiàn)碳達峰碳中和上有一定的實踐意義和應(yīng)用價值。

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