水冷式機油冷卻器的智能控制系統(tǒng)設(shè)計

劉浩然，孫長勇，徐長釗，馬青松，孔園園，初津宇，江興宇

（山東華宇工學(xué)院 機械工程學(xué)院，山東 德州 253034）

0 引言

隨著發(fā)動機技術(shù)的快速發(fā)展，一部分高性能、大功率的強化發(fā)動機，尤其柴油發(fā)動機上都裝有機油冷卻器。發(fā)動機機油的正常工作溫度一般是70～90°C左右，局部會更高些，但一般不會超過水溫，另外當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速高或是負(fù)荷大的時候，機油的溫度也會相對高些，達(dá)到100～110°C左右。無論機油的溫度過高或者過低，都會使機油的潤滑效果變差，加大了發(fā)動機機械部件的磨損，減短了發(fā)動機的使用壽命。但當(dāng)運動粘度、粘度指數(shù)、酸值和機械雜質(zhì)等性能指標(biāo)符合發(fā)動機設(shè)計要求時，機油便可以為發(fā)動機里的各個運動副提供良好的潤滑、清潔、防銹、密封、散熱和緩沖等作用[1]。而水冷式機油冷卻器的智能控制系統(tǒng)是一種加速潤滑機油散熱使其保持較低溫度的裝置，可以根據(jù)不同的油溫情況進(jìn)行自主判斷，并進(jìn)行實時、自適應(yīng)控制閥門的打開與關(guān)閉來加速潤滑機油散熱，保證了機油的潤滑作用和品質(zhì)，增加油封類的橡膠制品的使用壽命以及密封性，并且延長了機油的使用期。隨著科技的發(fā)展，汽車已經(jīng)普及并成為了出行必備的交通工具之一，本裝置安全有效，可以減少人工操作，且成本較低。現(xiàn)階段機油冷卻技術(shù)不夠成熟，本裝置的設(shè)計也會推動機油冷卻技術(shù)不斷向智能化的方向發(fā)展。

1 機油冷卻器研究現(xiàn)狀

現(xiàn)在的機油冷卻器有：風(fēng)冷式機油冷卻器、水冷式機油冷卻器、管翅式機油冷卻器等機油冷卻器。

1.1 風(fēng)冷式機油冷卻器

風(fēng)冷式機油冷卻器的芯子由許多冷卻管和冷卻板組成，在汽車行駛時，利用汽車迎面風(fēng)冷卻熱的機油冷卻器芯子。風(fēng)冷式機油冷卻器要求周圍通風(fēng)好，在普通轎車上很難保證有足夠的通風(fēng)空間，一般很少采用。在賽車上多半采用這種冷卻器，因為賽車速度高，冷卻風(fēng)量大。

1.2 水冷式機油冷卻器

機油冷卻器置于冷卻水路中，利用冷卻水的溫度來控制潤滑油的溫度。當(dāng)潤滑油溫度高時，靠冷卻水降溫，發(fā)動機啟動時，則從冷卻水吸收熱量使?jié)櫥脱杆偬岣邷囟取C油冷卻器由鋁合金鑄成的殼體、前蓋、后蓋和銅芯管組成。為了加強冷卻，管外又套裝了散熱片。冷卻水在管外流動，潤滑油在管內(nèi)流動，兩者進(jìn)行熱量交換。也有使油在管外流動，而水在管內(nèi)流動的結(jié)構(gòu)，并且都不夠智能，不能根據(jù)實際情況進(jìn)行改變。

1.3 管翅式機油冷卻器

在國內(nèi)解決機油冷卻一般采用管翅式機油冷卻器，由于采用全局仿真，所建立的模型交界面很多，在ANSYS CFX軟件中劃分網(wǎng)格比較困難，計算時間非常長，且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本比較高[2]。

2 水冷式機油冷卻器的智能控制系統(tǒng)

針對于上面提到的機油冷卻器多多少少都存在著一些問題，為此，設(shè)想了一種水冷式機油冷卻器的智能控制系統(tǒng)。該裝置的核心部件由常開電磁閥、常閉電磁閥、機油溫度傳感器、葉輪驅(qū)動電機以及葉輪組成。

2.1 裝置組成

如圖1、2所示，水冷式機油冷卻器的智能控制系統(tǒng)，包括機油冷卻器1、與機油冷卻器1出入口聯(lián)通的發(fā)動機潤滑主油路2以及與發(fā)動機潤滑主油路2出入口聯(lián)通的旁通潤滑油路3；冷卻器1出入口與發(fā)動機潤滑主油路2的連接處分別設(shè)有第一常開電磁閥K1和第二常開電磁閥K2；第一常開電磁閥K1和第二常開電磁閥K2用于控制發(fā)動機潤滑主油路2與機油冷卻器1是否相通；第二常開電磁閥K2與冷卻器1入口之間設(shè)置有經(jīng)電機M驅(qū)動的葉輪4；電機M驅(qū)動葉輪，提高機油通過機油冷卻器1的流量，便于更快地使機油溫度冷卻。

圖1 該裝置結(jié)構(gòu)連接簡圖

第二常開電磁閥K2與發(fā)動機潤滑主油路2入口之間設(shè)置有用于檢測機油的溫度的機油溫度傳感器T1；旁通潤滑油路3出入口與發(fā)動機潤滑主油路2的連接處分別設(shè)有第一常閉電磁閥S1和第二常閉電磁閥S2，第一常閉電磁閥S1和第二常閉電磁閥S2用于控制旁通潤滑油路3與發(fā)動機潤滑主油路2是否相通；發(fā)動機冷卻主水道內(nèi)設(shè)置有用于檢測冷卻液的溫度的冷卻液溫度傳感器T2；第一常開電磁閥K1和第二常開電磁閥K2、第一常閉電磁閥S1和第二常閉電磁閥S2、電機M、機油溫度傳感器T1、冷卻液溫度傳感器T2與單片機連接。單片機還連接有用于控制智能控制系統(tǒng)通斷的點火開關(guān)。

2.2 裝置原理

當(dāng)發(fā)動機冷啟動著車后，或者是當(dāng)室外溫度比較低導(dǎo)致發(fā)動機低溫運轉(zhuǎn)時，單片機可以控制該系統(tǒng)使發(fā)動機潤滑主油路的機油不進(jìn)入機油冷卻器中進(jìn)行冷卻，這樣機油被加溫到正常工作溫度的時間就會變短，發(fā)動機潤滑性能提高，減少了發(fā)動機機械磨損；當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速高、負(fù)荷大或者是室外溫度比較高導(dǎo)致發(fā)動機溫度較高運轉(zhuǎn)時，機油溫度也較高，潤滑性能較差，單片機可以控制該系統(tǒng)使電機帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，加快機油通過機油冷卻器的流量，使機油的溫度快速下降，使發(fā)動機潤滑性能提高，減少了發(fā)動機機械磨損；這樣機油冷卻器智能控制系統(tǒng)達(dá)到保護的作用。

圖2 智能控制系統(tǒng)的連接示意圖

2.3 裝置實施方式

（1）當(dāng)發(fā)動機冷啟動著車后，或者是當(dāng)室外溫度比較低導(dǎo)致發(fā)動機低溫運轉(zhuǎn)時，機油溫度傳感器檢測到發(fā)動機潤滑主油路的機油溫度低于正常工作的溫度范圍；水溫傳感器檢測到發(fā)動機冷卻水的溫度低于正常工作的溫度范圍，把兩信號傳遞給單片機。單片機得到信號后，使2個常開的電磁閥體K1和K2關(guān)閉，發(fā)動機潤滑主油路與機油冷卻器不相通；同時使2個常閉的電磁閥體S1和S2打開，旁通潤滑油路與發(fā)動機潤滑主油路相通；這樣發(fā)動機潤滑主油路的機油就不進(jìn)入機油冷卻器中進(jìn)行冷卻，機油被加溫到正常工作溫度的時間就會變短，發(fā)動機潤滑性能提高，減少了發(fā)動機機械磨損。

隨著發(fā)動機運轉(zhuǎn)時間的加長，當(dāng)機油溫度傳感器檢測到發(fā)動機潤滑主油路的機油溫度符合正常工作的溫度范圍；水溫傳感器檢測到發(fā)動機冷卻水的溫度低于或者是符合正常工作的溫度范圍，把兩信號傳遞給單片機。單片機得到信號后，使2個常開的電磁閥體K1和K2關(guān)閉，發(fā)動機潤滑主油路與機油冷卻器不相通；同時使2個常閉的電磁閥體S1和S2打開，旁通潤滑油路與發(fā)動機潤滑主油路相通；這樣發(fā)動機潤滑主油路的機油還不進(jìn)入機油冷卻器中進(jìn)行冷卻。

當(dāng)機油溫度傳感器檢測到發(fā)動機潤滑主油路的機油溫度高于正常工作的溫度范圍時，水溫傳感器檢測到發(fā)動機冷卻水的溫度低于或者是符合正常工作的溫度范圍，把兩信號傳遞給單片機。單片機得到信號后，使2個常開的電磁閥體K1和K2打開，發(fā)動機潤滑主油路與機油冷卻器相通；同時使2個常閉的電磁閥體S1和S2閉合，旁通潤滑油路與發(fā)動機潤滑主油路不相通；這樣發(fā)動機潤滑主油路的機油就進(jìn)入機油冷卻器中進(jìn)行冷卻，使發(fā)動機潤滑主油路的機油溫度在正常工作的溫度范圍內(nèi)。

（2）當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速高、負(fù)荷大或者是室外溫度比較高導(dǎo)致發(fā)動機溫度較高運轉(zhuǎn)時，機油溫度傳感器檢測到發(fā)動機潤滑主油路的機油溫度高于正常工作的溫度范圍；水溫傳感器檢測到發(fā)動機冷卻水的溫度符合正常工作的溫度范圍（如果水溫傳感器檢測到發(fā)動機冷卻水的溫度高于正常工作的溫度范圍，儀表水溫報警裝置就會提醒駕駛員立即停車檢修，所以正常情況下不存在水溫過高和機油溫度高的問題，而系統(tǒng)繼續(xù)工作），把兩信號傳遞給單片機。單片機得到信號后，使2個常開的電磁閥體K1和K2繼續(xù)打開，發(fā)動機潤滑主油路與機油冷卻器相通；使2個常閉的電磁閥體S1和S2繼續(xù)閉合，旁通潤滑油路與發(fā)動機潤滑主油路不相通；同時控制電機M帶動葉輪旋轉(zhuǎn)（由于發(fā)動機潤滑油路里的機油是有一定壓力的，在選擇電機的時候應(yīng)該選擇扭矩相對較大的，來符合項目的需求），加快機油通過機油冷卻器的流量，使機油的溫度快速下降，發(fā)動機潤滑性能提高，減少了發(fā)動機機械磨損。

當(dāng)機油溫度傳感器檢測到發(fā)動機潤滑主油路的機油溫度在正常工作的溫度范圍內(nèi)，把該信號傳遞給單片機。單片機得到信號后，使2個常開的電磁閥體K1和K2繼續(xù)打開，發(fā)動機潤滑主油路與機油冷卻器相通；使2個常閉的電磁閥體S1和S2繼續(xù)閉合，旁通潤滑油路與發(fā)動機潤滑主油路不相通；同時控制電機M斷電，葉輪不旋轉(zhuǎn)。

3 結(jié)語

隨著科技的發(fā)展，汽車已經(jīng)普及并成為了出行必備的交通工具之一，機油對發(fā)的動機的可靠性、經(jīng)濟性乃至發(fā)動機的使用壽命有著相當(dāng)大的影響，且潤滑油路是決定柴油機使用壽命的關(guān)鍵因素之一[3]。隨著汽車的普及，伴隨而來的就是汽車的安全問題，在冬天隨著溫度的降低，發(fā)動機冷啟動車后導(dǎo)致發(fā)動機低溫運轉(zhuǎn)時，機油通過機油冷卻器將會延長機油達(dá)到正常工作溫度的時間，潤滑性能較差，造成發(fā)動機磨損[4]；進(jìn)而造成發(fā)動機的使用出現(xiàn)問題。因此機油冷卻器的發(fā)展也會緊隨著汽車行業(yè)的發(fā)展步伐穩(wěn)步前進(jìn)。尤其對于水冷式機油冷卻器的控制系統(tǒng)來說，這個裝置更加的智能化，更加的方便，能夠適應(yīng)這個快節(jié)奏的社會。目前對于機油冷卻器的研究總體還處于探索階段，未來也會向更加智能化和信息化的方向發(fā)展。