基于汽車?yán)鋮s系統(tǒng)智能監(jiān)測輔助裝置設(shè)計*

鄭小龍 ，孫長勇 ，葉紅艷 ，王福祿 ，趙晨皓

（山東華宇工學(xué)院機械工程學(xué)院，山東 德州 253000）

汽車的數(shù)量隨著科技的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的騰飛而迅速上升，汽車成了老百姓的日常出行工具。汽車雖然為人們的生活提供了便利，但它所帶來的交通事故也給人們的生命帶來了極大的威脅。發(fā)動機作為汽車的核心部件，對汽車的正常行駛有著不可替代的作用[1]。發(fā)動機產(chǎn)生故障的原因又多由于冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障，一旦發(fā)動機出現(xiàn)問題，整個汽車都不能正常運轉(zhuǎn)，給使用者帶來麻煩。對此，為了保障發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性[2]，需要一種汽車?yán)鋮s系統(tǒng)自動化智能監(jiān)測輔助裝置來解決問題，以更好地保護(hù)駕駛?cè)藛T的安全。

1 汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)概述

汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的作用是冷卻發(fā)動機產(chǎn)生的熱量，將熱量散發(fā)到空氣中，避免發(fā)動機溫度過高，并在發(fā)動機變冷時盡快暖機，保持恒溫[3]。當(dāng)發(fā)動機溫度升高時，發(fā)動機水循環(huán)節(jié)溫器打開，發(fā)動機冷卻液進(jìn)入到大循環(huán)，驅(qū)動冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)動進(jìn)行發(fā)動機散熱。冷卻系統(tǒng)的作用：1）根據(jù)發(fā)動機的負(fù)荷、轉(zhuǎn)速、溫度變化，改變冷卻強度，迅速地讓發(fā)動機升溫達(dá)到正常溫度；2）對發(fā)動機不同的工作部位給予不同的冷卻強度；3）將發(fā)動機工作時產(chǎn)生的熱量散發(fā)到空氣中，保證發(fā)動機在適宜的溫度范圍內(nèi)工作[4]。

2 汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障的原因

汽車的冷卻系統(tǒng)主要由5 部分組成，分別是冷卻液、水泵、水溫傳感器、散熱器以及采暖設(shè)施，在汽車的冷卻系統(tǒng)中發(fā)揮著不同的作用[5]。通過長期的數(shù)據(jù)監(jiān)測分析，可以看出在汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中，產(chǎn)生故障的原因就是冷卻系統(tǒng)的密封性和冷卻液出現(xiàn)問題，冷卻液的溫度不適宜、質(zhì)量不好或者冷卻液泄漏，這些都會導(dǎo)致汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的故障。

2.1 發(fā)動機水溫過高

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的水溫太高，可能是由于冷卻劑不夠，從而導(dǎo)致發(fā)動機的溫度太高。若水箱中結(jié)垢嚴(yán)重，散熱風(fēng)扇失靈或溫敏開關(guān)失靈，均易引起發(fā)動機高溫而引起汽缸爆裂，甚至?xí)?dǎo)致泵的損壞或傳送帶打滑，導(dǎo)致泵的工作狀態(tài)不佳，而冷卻系統(tǒng)中有氣體，導(dǎo)致冷卻水不能正常流通[6]。

2.2 發(fā)動機水溫過低

當(dāng)車輛在行駛的時候，發(fā)現(xiàn)水溫表顯示不能達(dá)到正常的刻度線，聽到排氣管出現(xiàn)爆鳴的聲音，并且車輛油耗明顯增加，動力降低，這時基本可以判斷為是發(fā)動機冷卻溫度過低的故障。如果冷凝溫度長期不升高，則通常是因為節(jié)溫器只能進(jìn)行大循環(huán)而不能進(jìn)行小循環(huán)，從而導(dǎo)致引擎散熱器吸走了太多的熱量[7]。

2.3 冷卻液泄漏

冷卻系統(tǒng)密封問題：連接冷卻液箱和水箱的冷卻系統(tǒng)接口密封不嚴(yán)；橡膠管老化開裂導(dǎo)致冷卻液泄漏；水箱被腐蝕，導(dǎo)致冷卻液泄漏故障。如果出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象而沒有及時發(fā)現(xiàn)，仍讓發(fā)動機繼續(xù)工作，會對汽車的安全造成很大的威脅。

3 汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)主要功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)智能監(jiān)測裝置由控制單元、功能開關(guān)、報警裝置、壓力傳感器、pH 值傳感器、溫度傳感器、發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器等構(gòu)成，總體設(shè)計方案框圖如圖1 所示，各模塊的安裝位置如圖2 所示?？刂茊卧獙⑺@得的電信號與所儲存的設(shè)定值相比較，并分析其所檢測的信號是否正常；若出現(xiàn)異常，則由控制器控制報警器發(fā)出警報，以保證行車安全[8]。

圖1 總體設(shè)計方案框圖

圖2 各模塊的安裝位置

控制單元主要是用于智能控制該裝置，用來接收其他模塊傳來的電信號，并且可以控制報警器報警；報警器起到警示作用，當(dāng)所接收到的電信號與所儲存在控制單元里的參數(shù)不符時，則控制單元控制報警器進(jìn)行報警警示；壓力傳感器用于檢測冷卻系統(tǒng)的密封性，向控制裝置傳送所檢測的壓力信號；pH 值傳感器主要是用來檢測冷卻液的pH 值及冷卻液品質(zhì)優(yōu)劣；溫度傳感器防止水箱溫度過高，防止汽車出現(xiàn)開鍋現(xiàn)象，防止溫度過高引發(fā)燃燒等情況；發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器用于探測發(fā)動機轉(zhuǎn)速。本文所提到的汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)智能輔助設(shè)備將所獲取的信息，與儲存設(shè)置在監(jiān)控單元內(nèi)的參數(shù)范圍進(jìn)行比較，以分析其所檢測的結(jié)果是否與儲存的參考范圍一致，如果與儲存的參數(shù)差異較大，則監(jiān)控單元將會控制電子報警器報警警示，這將會使車輛的行駛更為安全。

在汽車發(fā)動機從停止運轉(zhuǎn)到開始運轉(zhuǎn)的過程中，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和工作溫度在持續(xù)地改變，因此冷卻系統(tǒng)中的壓強也在跟著發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和工作溫度在持續(xù)地改變。在這種情況下，壓力傳感器通過通氣管作用在壓力傳感器上，而壓力傳感器和溫度傳感器以及發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器都會把信號傳送給控制裝置，再將接收到的信號與儲存設(shè)定好的參數(shù)進(jìn)行比較，如出現(xiàn)不正常，則說明冷卻系統(tǒng)不密封或冷卻液不足，由控制單元控制報警器發(fā)出警報并提醒駕駛員及時進(jìn)行檢測和保養(yǎng)。若發(fā)現(xiàn)冷卻液不足，應(yīng)及時將電信號傳輸?shù)娇刂茊卧⑶野牙鋮s液不足的信號反饋給駕駛?cè)藛T，方便維修人員維修。

同時，無論在什么條件下，pH 值傳感器都會不斷地測量冷卻劑的pH 值，并將所測得的電信號傳送給控制單元，控制單元會將所測得的信息與所存儲的設(shè)定的數(shù)據(jù)相對比，從而判定所測得的數(shù)據(jù)的正確性；如果出現(xiàn)異常，說明冷卻劑已經(jīng)被腐蝕，可由控制裝置控制發(fā)出警報，提醒司機進(jìn)行檢查和維護(hù)。將這種設(shè)備設(shè)定好的程序連接到汽車的電氣控制系統(tǒng)上，就可以用診斷儀器將汽車的制冷系統(tǒng)以故障代碼的方式讀取出來，從而給車輛，特別是非電氣控制制冷系統(tǒng)的車輛帶來了很大便利，安裝后就可以實現(xiàn)用電氣控制來監(jiān)控制冷系統(tǒng)的運行狀況。

汽車?yán)鋮s系統(tǒng)通常是完全密封的，但因為各個汽車的冷卻系統(tǒng)構(gòu)造和型式等不同而造成內(nèi)壓力也有所不同，不過實際上各種汽車的密封性都是在一定范圍的。

發(fā)電機速度高，冷卻水泵速度就高，冷卻系統(tǒng)的內(nèi)部壓力就相應(yīng)增加，否則相反；發(fā)電機溫度增高，冷卻系統(tǒng)的內(nèi)部壓力就相應(yīng)增加，否則相反。隨著汽車行駛里程或時間的增長，冷卻液里的酸堿度范圍也會隨之發(fā)生變化，通常冷卻液的酸堿度范圍都會在7~9.5。因此，如果壓力感應(yīng)器和pH 值傳感器等檢測的數(shù)據(jù)與控制單元的基本參數(shù)不相符時，則向控制器單元的報警器報警。

4 汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)智能監(jiān)測輔助裝置傳感器的應(yīng)用

4.1 溫度傳感器

溫度傳感器可以檢測發(fā)動機的溫度、冷卻液的溫度、吸入氣體的溫度、催化溫度及燃油溫度。該裝置可使用熱電偶式溫度傳感器，其優(yōu)點是具有較高的精度、較寬的測量范圍，缺點是需要額外的輔助冷端處理設(shè)備和放大器[9]。

4.2 壓力傳感器

壓力傳感器可以用于檢測汽車各種壓力的值并迅速反應(yīng)，可采用SAW 壓力傳感器，其優(yōu)點是具有較小的體積、較輕的質(zhì)量、較高的分辨率、較高的靈敏度、較強的可靠性、較好的數(shù)字量輸出。目前來看，其是壓力傳感器中比較理想的類型。

4.3 pH值傳感器

汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)智能監(jiān)測裝置pH 傳感器模塊，將采集到的pH 值數(shù)據(jù)傳輸?shù)綑z測電路，檢測電路再將pH 值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸入到控制單元內(nèi)，得到的數(shù)據(jù)再與控制單元內(nèi)儲存的參數(shù)進(jìn)行比較，當(dāng)結(jié)果與儲存的參數(shù)不符時，控制單元會控制報警器警示[10]。

5 應(yīng)用效果及檢驗

通過對本裝置的設(shè)計，首先，在程序上的試驗結(jié)果得到的是可以滿足本裝置預(yù)期功能效果，本裝置的部分程序圖如圖3 所示；其次，本裝置制作出后進(jìn)行多次檢驗，得到可以完成預(yù)期功能的結(jié)果，目前本裝置尚在調(diào)試階段，實物圖如圖4 所示。檢驗結(jié)果，在檢驗汽車發(fā)動機冷卻智能檢測裝置時，對裝置壓力、pH 值、轉(zhuǎn)速、溫度等進(jìn)行了模擬試驗，以確認(rèn)本裝置的功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)。

圖3 本裝置的部分程序圖

當(dāng)使用加熱裝置靠近溫度傳感器（以模擬出現(xiàn)高溫現(xiàn)象）時，此時溫度超過儲存在控制單元的溫度范圍，報警器立刻報警警示，鎖住控制面板，提示溫度傳感器模塊出現(xiàn)故障，當(dāng)溫度下降時報警器消除警示。

當(dāng)使用右邊的電位器來調(diào)節(jié)pH 值大?。ㄒ阅MpH 值變化現(xiàn)象）時，此時通過電位器旋鈕來調(diào)節(jié)pH值的大?。ㄒ驗闄z測pH 值的變化需要整套系統(tǒng)更換冷卻液，因此加裝了變位器來模擬pH 值的變化，當(dāng)然也可以真實地測出pH 值），此時pH 值超過或者低于儲存在控制單元的范圍，報警器立刻報警警示，并且鎖住控制面板，提示pH 值傳感器模塊出現(xiàn)故障，當(dāng)按下復(fù)位時報警器消除警示。

當(dāng)使用加熱裝置時，溫度的升高造成冷卻液熱脹冷縮（以模擬壓力變化現(xiàn)象），此時壓力也在不斷變化，當(dāng)超過儲存在控制單元的范圍，報警器立刻報警警示，鎖住控制面板，提示壓力傳感器模塊出現(xiàn)故障，當(dāng)按下復(fù)位時報警器消除警示。

使用左邊的旋鈕來調(diào)節(jié)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速（以模擬發(fā)動機轉(zhuǎn)速現(xiàn)象），當(dāng)轉(zhuǎn)速超過存儲在控制單元的范圍，報警器立刻報警警示，鎖住控制面板，提示發(fā)動機轉(zhuǎn)速模塊出現(xiàn)故障。

6 結(jié)束語

綜上所述，汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)是汽車的重要部件，只有提高發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的安全性和可靠性，才能確保汽車在行駛過程中萬無一失。課題組設(shè)計了一款汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)智能監(jiān)測裝置，發(fā)現(xiàn)問題時該裝置會直接報警警示駕駛?cè)藛T，提高維修工作人員對汽車?yán)鋮s系統(tǒng)維修的效率，從而保證汽車的駕駛更加安全。