车用发动机智能化冷却控制系统的研究

田光辉

（四川职业技术学院，四川 遂宁 629000）

车用发动机智能化冷却控制系统的研究

田光辉

（四川职业技术学院，四川 遂宁 629000）

节温器、百叶窗（导风板）、冷却风扇等主要部件构成的冷却系统仍广泛应用于现代汽车，但三者各自独立工作且效率低、能耗量大，已不能适应现代汽车技术的发展.为此综合考虑应建立节温器、百叶窗（导风板）、冷却风扇多元联合控制的智能控制系统.该系统可以根据车速、环境温度、冷却液温度及其变化率对冷却系统的冷却能力进行智能化控制，以确保在发动机全部工况范围内的最佳冷却性能.

发动机;智能;控制系统;研究

目前，由传统的节温器、百叶窗（导风板）、冷却风扇构成的发动机冷却系统属于被动的冷却系统，且三者各自独立工作，效率低、能耗量大，只能够有限的调节发动机的热分布，不能胜任发动机高效运行的需要.为此综合考虑应建立节温器、百叶窗（导风板）、冷却风扇多元联合控制的智能控制系统.该控制系统在整机上主要采用电控水泵和电控风扇，通过智能控制适时采集冷却液循环系统的温度、发动机转速、负荷等变量参数信号，经对信号进行适时有效控制处理、对比，由电控单元输出控制信号，调节水泵流量和风扇转速，以保证在发动机全部工况范围内的最佳冷却性能.

1 基本控制原理

图1 车用发动机智能化冷却控制系统

如图1为车用发动机智能化冷却控制系统，该控制系统以电控风扇为基础，突破传统冷却风扇不能随发动机工作环境温度的变化而自动调整转速的瓶颈.采用模糊控制与传统PID控制相结合，通过传感器采集到发动机的冷却液温度T及其变化率、发动机的负荷Q、发动机的转速N等变量参数信号后，进行处理、分析输入控制系统，经控制系统综合处理后给执行元件输出控制信号，从而调节水泵流量和风扇转速，确保发动机冷却系统始终处于最佳工作状态.

2 发动机冷却液温度影响因素分析

汽车发动机冷却液温度受众多因素影响如图2所示，既受散热器结构形式、冷却液循环流量的影响，又受汽车行驶速度、环境温度、空气流量的影响，还受发动机的负荷、发动机的转速、风扇转速的影响.这些影响因素在汽车的行驶过程都是一个个变量参数，因此及时、准确采集这些参数信号并正确进行信号处理是控制系统的关键.另外发动机冷却液温度的控制过程具有大惯性、纯滞后、非线性特点的物理反应过程.因此发动机冷却液温度及其变化率与其它各因素间的关系很难用数学方程进行准确描述.本系统将模糊控制与传统PID控制系统相结合，用模糊控制原理在线整定PID控制器的比例、积分、微分系统.

图2 发动机冷却系统温度影响因素

3 车用发动机智能化冷却控制系统的设计

3.1 系统组成及硬件设计

系统组成和硬件设计如图3，通过建立、分析发动机冷却系统的数学模式，对输入信号传感器采集到的信息进行处理后，由控制系统（单片机）输出控制信号从而控制水泵流量与风扇的转速来达到自动调整和控制冷却液的温度及流量，从而确保发动机始终处于最佳的温度状态下运行.

图3 系统组成和硬件设计框图

智能化控制系统由信号输入主要包括温度传感器、PWM信号传感器、冷却液温度T及其变化率（d/dt）等、电源电路、时钟输入；信号输出主要包括电控风扇、电控水泵、电控节温器、电控导风板和微控制系统组成，电控风扇主要调节流入散热器空气的流量，电控水泵、电控节温器主要用于调节流入散热器的热能.控制系统（单片机）采用美国微芯公司的一款20脚芯片PIC16F716.

3.1.1 输入信号

（1）温度传感器：由发动机进口和散热器出口温度传感器（NTC热敏电阻）构成，二者分别安装在发动机和散热器之间的大循环管道上.通过温度传感器采集发动机冷却液温度及其变化率参数信号后，经A/D转换器转换为数字信号并传输至控制系统（单片机）.

(2)PWM信号传感器：PWM信号传感器能够将恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而改变平均输出电压的大小，用以调节水泵电机转速，从而控制水泵流量.结合汽车工作实际本系统设计为转速、电流双闭环P W M调速系统.

3.1.2 控制系统

控制系统的电源电路以Motorola LE4949（+5V供电）为控制核心，考虑汽车在运行过程中会产生强烈的振动、热辐射和电磁干扰等特殊性，故在L E4949的基础上，设置滤波和调整电路，为控制系统提供稳定的直流电源.控制系统以美国微芯公司生产的PIC16F716（+5V供电，20脚封装），它具有硬件系统设计简洁，指令系统精练等特点，能为本系统设计进行优化组合.另外P W M信号传感器和声光指示电路，亦将采用同一电路来完成.

3.1.3 输出信号

3.1.3 输出信号

控制系统（单片机）接受输入信号采集到的参数信号后经综合分析、对比、处理，按照发动机工作适时状态对冷却性能的不同要求，分别向执行元件输出不同的控制信号，从而指令执行元件按要求有序工作.

电控节温器主要通过通电后双金属片的变形来驱动节温阀的旋转从而实现大、小循环之间转换；电控导风板主要通过改变电机工作电流方向，通过传动机构来实现导风板的打开或关闭.电控水泵、电控风扇主要通过调节工作电流的大小来控制水泵的流量和风扇转速，从而综合控制冷却系统的冷却能力.

3.2 控制系统的工作

启动（预热后启动）发动机，因冷却液温度低于70℃，控制系统（单片机）分析、处理采集到的温度参数信号后向各执行元件发出不同的控制信号即电控风扇关闭、电控导风板关闭、电控节温器处于小循环状态、电控水泵低速运转.这样因冷却空气不能进入散热器，因而发动机冷却液温度很快上升.当发动机冷却液温度升至75℃，控制系统（单片机）综合分析、对比采集到的参数信号后又向电控节温器输出控制信号即断开电控节温器加热电阻丝的电源使其进入大循环状态；当水温达到80℃时，控制系统（单片机）又向电控导风板输出控制信号使其处于打开状态，此时冷却空气进入并对散热器起冷却作用，从而尽量减少电控风扇的工作；当水温高达95℃时，控制系统（单片机）又分别向各执行元件输出不同的控制信号即电控风扇处于工作状态，保持节温器仍处于大循环状态，保持导风板仍处于打开状态，电控水泵高速运转.此时发动机冷却系统的冷却能力最大，从而实现快速降温.当发动机冷却液温度降至89℃时，控制系统（单片机）再次向各执行元件输出不同的控制信号即断开电控风扇电源使其不工作、保持电控导风板仍处于打开状态、保持电控节温器仍处于大循环状态.这样直到发动机冷却液温度升至95℃，电控风扇再次接通电源使其处于工作状态.如此反复确保发动机冷却系统始终处于最佳的温度状态.

4 总结

发动机冷却系统是一个关联系统，车用发动机智能化冷却控制系统在充分考虑功能集成和能量集成基础上进行了整体优化设计，通过一定的实验（测试）能够有效对发动机冷却系统的温度进行智能控制，从而实现了对发动机热管理技术的智能化控制，能够及时、准确、自动地调节冷却液温度，确保发动机冷却液温度始终处于最佳状态，从而提高发动机的工作效率，延长发动机的使用寿命.

［1］许珺怡.汽车发动机新型智能化冷却控制系统的研究［J］.内燃机与动力装置，2009，（6）：18－22.

［2］李强.现代汽车冷却系统控制原理概述（七）［J］.汽车维修技师，2013，（6）：31－32.

［3］吴峰.浅析发动机电控冷却系统的设计［J］.科技信息，2013，（18）：118.

［4］白驹珩.单片计算机及其应用［M］.北京：电子科技大学出版社，1994：18－701．

On Vehicle Engine Intelligent Cooling Control System

TIAN Guanghui
（Sichuan Vocational and Technical college，Suining Sichuan 629000)

The thermostat, shutter (wind guide plate), the cooling fan are main components of cooling system which is still widely used in modern cars, but the three parts work independently with low efficiency, large energy consumption, which can not adapt to the development of modern automobile technology. So multi-joint intelligent control system should be constructed. The system can intelligently control the cooling systema according to the speed,environmental temperature, coolant tempe-rature and the change rate, to ensure the best cooling performance.

Engine; Intelligence; Control system; Research

U463.6

A

1672-2094(2014)01-0163-03

责任编辑：张隆辉

2014-01-19

田光辉（1967-），男，四川大英人，四川职业技术学院汽车系副教授.研究方面：汽车电子及控制技术.