汽车发动机智能冷却系统的研究

林超 李永富

摘 要：由于汽车发动机传统冷却系统的风扇、水泵、节温器工作的协调性较差，传统控制模式限制了发动机在不同工况下的适应性，尤其是在恶劣的工况下过热等问题，将导致发动机工况异常。

关键词：汽车；发动机；智能冷却系统

引言

汽车发动机冷却系统智能化是利用各种控制技术实现汽车发动机温度的智能检测与调控，通过控制策略实现对冷却风扇、冷却水泵以及节温器等设备的智能控制，采用集成技术形成对各种子系统的集成。由于发动机冷却系统是一个存在非线性和滞后效应的复杂系统，智能控制技术主要解决多变工况下多参数多目标的精确控制问题。

一、汽车发动机冷却系统智能控制的研究意义

传统的发动机冷却系统结构简单，冷却效率较低，属于被动式的。传统的冷却液大小循环的路线是由节温器控制的，其节流损失大，工作效率低、不可靠，不能根据发动机的散热要求对冷却系统的散热能力进行调节，并且人为控制保温帘，从而改变散热器的通风量。但冷却风扇是由发动机的曲轴直接驱动的，冷却性能随发动机的转速的变化而变化，满足不了实际散热要求。

二、冷却系统的作用

冷却系统的功用是带走引擎因燃烧所产生的热量，使引擎维持在正常的运转温度范围内。引擎依照冷却的方式可分为气冷式引擎和水冷式引擎。气冷式引擎是靠引擎带动风扇及车辆行驶时的气流来冷却引擎；水冷式引擎则是靠冷却水在引擎中循环来冷却引擎。不论采用何种方式冷却，正常的冷却系统必须确保引擎在各种行驶环境中都不致过热。

三、冷却系统的组成

水冷却系统一般由散热器、节温器、水泵、水道、风扇等组成。散热器负责循环水的冷却，它的水管和散热片多用铝材制成，铝制水管做成扁平形状，散热片带波纹状，注重散热性能，安装方向垂直于空气流动的方向，尽量做到风阻要小，冷却效率要高。散热器又分为横流式和垂直流动两种，空调冷凝器通常与其装在一起。

四、冷却系统智能控制的构成

发动机智能冷却系统结构如图1 所示，主要包括传感器系统、控制系统、循环系统等。其中，传感器系统的主要作用是对发动机温度进行实时监测以及对监测数据进行管理；控制系统的主要作用是按照既定的控制逻辑，结合各种运行数据进行控制策略的执行；循环系统的主要作用是利用冷却液对发动机降温以及对自身温度循环进行控制，根据冷却液温度自动调节为大循环和小循环2 种模式；各系统间通过LAN 总线构建通讯网络，各部件按照控制策略进行操作。

系统由于汽车运行过程中产生强烈的振动、热辐射和电磁干扰，因此对该系统电路有特殊要求：1）电路要有较高的抗振动能力，以适应不同路况、车况的要求。提高系统整体的可靠性和稳定性。2）电路应采取有效的防护隔离措施，以提高其抗干扰能力。

4.1系统组成

该系统由电控冷却风扇、电控节温器、电控导风板、微控制机构组成。电控冷却风扇由电动机驱动；电控节温器利用电加热引起双金属片变形，由双金属片变形带动节温阀旋转运动，来改变大小循环；电控导风板由双向电动机通过传动机构使之打开或关闭；微控制机构是利用89C51开发的单片机控制系统。

4.2单片机控制系统工作原理

由温度传感器感受发动机水温的变化，同时把温度信号转变为同其成反比关系的电压模拟信号。这些信号经过处理（电容器低通滤波、校正和电压跟随器耦合）送入A/D转换器（ADC0809）中INO信号通道。由A/D转换器把采集来的模拟电压信号转换为数字信号并读入单片机，89C510单片机89C51根据不同的输入信号分析处理去控制驱动电路，实现对节温器继电器、导风板继电器和风扇继电器的控制。即可实现对发动机冷却能力的智能控制。

4.3单片机系统控制过程

当发动机预热时（发动机水温70℃），单片机根据检测来的温度数据处理分析向执行元件发出控制信号，使其完成如下操作。

1）电控冷却风扇不工作；

2）电控导风板关闭状态；

3）电控节温器处于小循环状态。

由于导风板关闭，冷却风扇不工作，以至冷却空气不能进入散热器；

同时节温器处于小循环（加热电阻丝通电），发动机水温上升很快。当水温升至75℃，单片机根据检测来的温度数据处理分析向执行元件发出控制信号，使电控节温器的加热电阻丝断电（让其进入大循环控制状态）。当水温达到80℃时，单片机又发出指令，使电控导风板处于敞开状态。

4.4车用传感器

为了使汽车的发动机处于最佳的工作状态，分别利用空气流量传感器和压力传感器测量冷却汽缸体的空气流量和压力，结合温度传感器测得的冷却水温、汽缸周围温度等参数计算冷却液的动态流量，然后通过相应的传感器检测气门的开度和发动机实时的工作状况，进而调整控制冷却水的大小。

1）車用热线式气体流量传感器。气体流量传感器是安装在空气滤清器和节气门体之间，用于汽车喷油系统中，测量发动机吸入空气量的多少，决定射油量的参数。

2）温度传感器。实时的监测发动机进气、冷却液、燃油、排气等温度，是保证电子控制系统能够精确控制发动机的工作参数的前提。温度传感器按结构可分为热敏、金属膜、金属沫、碳沫等电阻式。热敏电阻式温度传感器具有响应特性好、结构简单、灵敏度高、成本低廉等方面的突出优点，在汽车电子控制系统中得以较为广泛应用。

3）转速传感器。车速传感器可测量差速从动轴转动、车轮旋转、测量动力传动轴转动等。光电速度传感器是反射型的光电开关，前端采用光纤封装，适应微小旋转体的测量。

4.5智能系统硬件设计

4.5.1设计要求。由于汽车运行过程中会产生一系列的反应，如热辐射，强烈的振动，以及电磁于扰，所以对该系统电路有特殊要求：1）电路要具有抗振性，保证系统整体的可靠稳定性；2）电路需要防护隔离措施，使其具有抗干扰性。

4.5.2系统组成及其硬件设计。汽车发动机冷却系统智能系统由电控节温器、电控冷却风扇、微控制机构、电控导风板等部件组成。预计未来智能化、不拆修发动机设计在恒温罩内，可通过高精度的测温，控温装置，实现十分比和百分比的测温精度。利用这些恒温装置和测温装置，可使发动机在整个使用过程中，工作温度控制在最佳范围内，实现不同温度下工作转速和输出功率的最佳对应关系，最终保证发动机在任何大气环境条件下都能处于最佳工作状态。先进的智能控制手段能有效地控制发动机的运行、监测，从而真正体现出绿色环保发动机的使用意义。

五、结束语

这种汽车发动机冷却系统智能控制装置实现了对汽车发动机散热能力控制的智能化，可以精确、自动地调节冷却液的温度，把发动机的工作温度限制在最佳阶段，延长发动机的使用寿命。

参考文献：

[1]余海洋，曹志良，刘绍波.汽车发动机电动冷却风扇智能控制系统设计[J].电子器件，2016，39（06）：1512-1515.

[2]杨文荣，朱鹏.汽车发动机冷却风扇智能控制系统的研究[J].微计算机信息，2009，25（02）：245-247.

[3]苏忆. 汽车发动机冷却系统智能控制技术研究[D].南京理工大学，2006.