田光輝

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 遂寧 629000）

車用發(fā)動(dòng)機(jī)智能化冷卻控制系統(tǒng)的研究

田光輝

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 遂寧 629000）

節(jié)溫器、百葉窗（導(dǎo)風(fēng)板）、冷卻風(fēng)扇等主要部件構(gòu)成的冷卻系統(tǒng)仍廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代汽車，但三者各自獨(dú)立工作且效率低、能耗量大，已不能適應(yīng)現(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展.為此綜合考慮應(yīng)建立節(jié)溫器、百葉窗（導(dǎo)風(fēng)板）、冷卻風(fēng)扇多元聯(lián)合控制的智能控制系統(tǒng).該系統(tǒng)可以根據(jù)車速、環(huán)境溫度、冷卻液溫度及其變化率對(duì)冷卻系統(tǒng)的冷卻能力進(jìn)行智能化控制，以確保在發(fā)動(dòng)機(jī)全部工況范圍內(nèi)的最佳冷卻性能.

發(fā)動(dòng)機(jī);智能;控制系統(tǒng);研究

目前，由傳統(tǒng)的節(jié)溫器、百葉窗（導(dǎo)風(fēng)板）、冷卻風(fēng)扇構(gòu)成的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)屬于被動(dòng)的冷卻系統(tǒng)，且三者各自獨(dú)立工作，效率低、能耗量大，只能夠有限的調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱分布，不能勝任發(fā)動(dòng)機(jī)高效運(yùn)行的需要.為此綜合考慮應(yīng)建立節(jié)溫器、百葉窗（導(dǎo)風(fēng)板）、冷卻風(fēng)扇多元聯(lián)合控制的智能控制系統(tǒng).該控制系統(tǒng)在整機(jī)上主要采用電控水泵和電控風(fēng)扇，通過智能控制適時(shí)采集冷卻液循環(huán)系統(tǒng)的溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等變量參數(shù)信號(hào)，經(jīng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行適時(shí)有效控制處理、對(duì)比，由電控單元輸出控制信號(hào)，調(diào)節(jié)水泵流量和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，以保證在發(fā)動(dòng)機(jī)全部工況范圍內(nèi)的最佳冷卻性能.

1 基本控制原理

圖1 車用發(fā)動(dòng)機(jī)智能化冷卻控制系統(tǒng)

如圖1為車用發(fā)動(dòng)機(jī)智能化冷卻控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)以電控風(fēng)扇為基礎(chǔ)，突破傳統(tǒng)冷卻風(fēng)扇不能隨發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境溫度的變化而自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速的瓶頸.采用模糊控制與傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合，通過傳感器采集到發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液溫度T及其變化率、發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷Q、發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速N等變量參數(shù)信號(hào)后，進(jìn)行處理、分析輸入控制系統(tǒng)，經(jīng)控制系統(tǒng)綜合處理后給執(zhí)行元件輸出控制信號(hào)，從而調(diào)節(jié)水泵流量和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，確保發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)始終處于最佳工作狀態(tài).

2 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度影響因素分析

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度受眾多因素影響如圖2所示，既受散熱器結(jié)構(gòu)形式、冷卻液循環(huán)流量的影響，又受汽車行駛速度、環(huán)境溫度、空氣流量的影響，還受發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷、發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的影響.這些影響因素在汽車的行駛過程都是一個(gè)個(gè)變量參數(shù)，因此及時(shí)、準(zhǔn)確采集這些參數(shù)信號(hào)并正確進(jìn)行信號(hào)處理是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵.另外發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度的控制過程具有大慣性、純滯后、非線性特點(diǎn)的物理反應(yīng)過程.因此發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度及其變化率與其它各因素間的關(guān)系很難用數(shù)學(xué)方程進(jìn)行準(zhǔn)確描述.本系統(tǒng)將模糊控制與傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)相結(jié)合，用模糊控制原理在線整定PID控制器的比例、積分、微分系統(tǒng).

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)溫度影響因素

3 車用發(fā)動(dòng)機(jī)智能化冷卻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)組成及硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)組成和硬件設(shè)計(jì)如圖3，通過建立、分析發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模式，對(duì)輸入信號(hào)傳感器采集到的信息進(jìn)行處理后，由控制系統(tǒng)（單片機(jī)）輸出控制信號(hào)從而控制水泵流量與風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速來達(dá)到自動(dòng)調(diào)整和控制冷卻液的溫度及流量，從而確保發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于最佳的溫度狀態(tài)下運(yùn)行.

圖3 系統(tǒng)組成和硬件設(shè)計(jì)框圖

智能化控制系統(tǒng)由信號(hào)輸入主要包括溫度傳感器、PWM信號(hào)傳感器、冷卻液溫度T及其變化率（d/dt）等、電源電路、時(shí)鐘輸入；信號(hào)輸出主要包括電控風(fēng)扇、電控水泵、電控節(jié)溫器、電控導(dǎo)風(fēng)板和微控制系統(tǒng)組成，電控風(fēng)扇主要調(diào)節(jié)流入散熱器空氣的流量，電控水泵、電控節(jié)溫器主要用于調(diào)節(jié)流入散熱器的熱能.控制系統(tǒng)（單片機(jī)）采用美國(guó)微芯公司的一款20腳芯片PIC16F716.

3.1.1 輸入信號(hào)

（1）溫度傳感器：由發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口和散熱器出口溫度傳感器（NTC熱敏電阻）構(gòu)成，二者分別安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)和散熱器之間的大循環(huán)管道上.通過溫度傳感器采集發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度及其變化率參數(shù)信號(hào)后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并傳輸至控制系統(tǒng)（單片機(jī)）.

(2)PWM信號(hào)傳感器：PWM信號(hào)傳感器能夠?qū)⒑愣ǖ闹绷麟娫措妷赫{(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而改變平均輸出電壓的大小，用以調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制水泵流量.結(jié)合汽車工作實(shí)際本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)P W M調(diào)速系統(tǒng).

3.1.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的電源電路以Motorola LE4949（+5V供電）為控制核心，考慮汽車在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)、熱輻射和電磁干擾等特殊性，故在L E4949的基礎(chǔ)上，設(shè)置濾波和調(diào)整電路，為控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電源.控制系統(tǒng)以美國(guó)微芯公司生產(chǎn)的PIC16F716（+5V供電，20腳封裝），它具有硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，指令系統(tǒng)精練等特點(diǎn)，能為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化組合.另外P W M信號(hào)傳感器和聲光指示電路，亦將采用同一電路來完成.

3.1.3 輸出信號(hào)

3.1.3 輸出信號(hào)

控制系統(tǒng)（單片機(jī)）接受輸入信號(hào)采集到的參數(shù)信號(hào)后經(jīng)綜合分析、對(duì)比、處理，按照發(fā)動(dòng)機(jī)工作適時(shí)狀態(tài)對(duì)冷卻性能的不同要求，分別向執(zhí)行元件輸出不同的控制信號(hào)，從而指令執(zhí)行元件按要求有序工作.

電控節(jié)溫器主要通過通電后雙金屬片的變形來驅(qū)動(dòng)節(jié)溫閥的旋轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)大、小循環(huán)之間轉(zhuǎn)換；電控導(dǎo)風(fēng)板主要通過改變電機(jī)工作電流方向，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)風(fēng)板的打開或關(guān)閉.電控水泵、電控風(fēng)扇主要通過調(diào)節(jié)工作電流的大小來控制水泵的流量和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，從而綜合控制冷卻系統(tǒng)的冷卻能力.

3.2 控制系統(tǒng)的工作

啟動(dòng)（預(yù)熱后啟動(dòng)）發(fā)動(dòng)機(jī)，因冷卻液溫度低于70℃，控制系統(tǒng)（單片機(jī)）分析、處理采集到的溫度參數(shù)信號(hào)后向各執(zhí)行元件發(fā)出不同的控制信號(hào)即電控風(fēng)扇關(guān)閉、電控導(dǎo)風(fēng)板關(guān)閉、電控節(jié)溫器處于小循環(huán)狀態(tài)、電控水泵低速運(yùn)轉(zhuǎn).這樣因冷卻空氣不能進(jìn)入散熱器，因而發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度很快上升.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度升至75℃，控制系統(tǒng)（單片機(jī)）綜合分析、對(duì)比采集到的參數(shù)信號(hào)后又向電控節(jié)溫器輸出控制信號(hào)即斷開電控節(jié)溫器加熱電阻絲的電源使其進(jìn)入大循環(huán)狀態(tài)；當(dāng)水溫達(dá)到80℃時(shí)，控制系統(tǒng)（單片機(jī)）又向電控導(dǎo)風(fēng)板輸出控制信號(hào)使其處于打開狀態(tài)，此時(shí)冷卻空氣進(jìn)入并對(duì)散熱器起冷卻作用，從而盡量減少電控風(fēng)扇的工作；當(dāng)水溫高達(dá)95℃時(shí)，控制系統(tǒng)（單片機(jī)）又分別向各執(zhí)行元件輸出不同的控制信號(hào)即電控風(fēng)扇處于工作狀態(tài)，保持節(jié)溫器仍處于大循環(huán)狀態(tài)，保持導(dǎo)風(fēng)板仍處于打開狀態(tài)，電控水泵高速運(yùn)轉(zhuǎn).此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的冷卻能力最大，從而實(shí)現(xiàn)快速降溫.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度降至89℃時(shí)，控制系統(tǒng)（單片機(jī)）再次向各執(zhí)行元件輸出不同的控制信號(hào)即斷開電控風(fēng)扇電源使其不工作、保持電控導(dǎo)風(fēng)板仍處于打開狀態(tài)、保持電控節(jié)溫器仍處于大循環(huán)狀態(tài).這樣直到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度升至95℃，電控風(fēng)扇再次接通電源使其處于工作狀態(tài).如此反復(fù)確保發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)始終處于最佳的溫度狀態(tài).

4 總結(jié)

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)是一個(gè)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，車用發(fā)動(dòng)機(jī)智能化冷卻控制系統(tǒng)在充分考慮功能集成和能量集成基礎(chǔ)上進(jìn)行了整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過一定的實(shí)驗(yàn)（測(cè)試）能夠有效對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的溫度進(jìn)行智能控制，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù)的智能化控制，能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、自動(dòng)地調(diào)節(jié)冷卻液溫度，確保發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度始終處于最佳狀態(tài)，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命.

［1］許珺怡.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)新型智能化冷卻控制系統(tǒng)的研究［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2009，（6）：18－22.

［2］李強(qiáng).現(xiàn)代汽車?yán)鋮s系統(tǒng)控制原理概述（七）［J］.汽車維修技師，2013，（6）：31－32.

［3］吳峰.淺析發(fā)動(dòng)機(jī)電控冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.科技信息，2013，（18）：118.

［4］白駒珩.單片計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用［M］.北京：電子科技大學(xué)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

責(zé)任編輯：張隆輝

2014-01-19

田光輝（1967-），男，四川大英人，四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車系副教授.研究方面：汽車電子及控制技術(shù).