李志華

（廣州市花都區(qū)理工職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東 廣州510800）

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的相關(guān)分析

李志華

（廣州市花都區(qū)理工職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東 廣州510800）

本文對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵進(jìn)行分析，在研究冷卻系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)和控制的基礎(chǔ)上，分析冷卻水泵工作中常見的一些問題。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)預(yù)熱慢或者過熱等問題，從技術(shù)層面上加以探討。最終研究結(jié)果表明，使用電控水泵冷卻系統(tǒng)，不僅可以有效解決上述問題，并且具有功率小、噪聲小、節(jié)省燃油的優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)動(dòng)機(jī)；冷卻系統(tǒng)；水泵

在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)中，由于水泵和風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速時(shí)常受到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的限制，因而無法準(zhǔn)確地根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況來自動(dòng)調(diào)節(jié)。在這種情況下，當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻啟動(dòng)后，水泵工作性能會(huì)受到影響，發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱時(shí)間被延長。為了解決上述問題，本次課題研究，專門針對(duì)現(xiàn)代化的電控水泵冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)，針對(duì)冷卻水泵常出現(xiàn)泄露、散熱能力差等現(xiàn)象，著重從控制層面入手。

1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵問題概述

新時(shí)期，隨著社會(huì)的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在交通和運(yùn)輸領(lǐng)域，人們對(duì)于汽車性能的要求也越來越高。無論是大型的貨運(yùn)、客運(yùn)汽車，還是微小型的汽車，在日常使用中，由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)受維護(hù)狀況、設(shè)計(jì)、負(fù)荷、季節(jié)等因素的綜合影響，經(jīng)常出現(xiàn)一些故障，比如，預(yù)熱時(shí)間延長、散熱性能逐漸減弱等，而這種問題又不易被察覺，最終逐漸影響到整個(gè)汽車發(fā)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

在這里以貨運(yùn)汽車和城市公交車為例進(jìn)行分析。在環(huán)境溫度處于10℃左右時(shí)，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的水泵冷卻溫度，要想接近或達(dá)到80℃，至少需要16-25分鐘；而當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境溫度低于0℃的時(shí)候，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)熱時(shí)間會(huì)更長。經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，造成這一現(xiàn)象的重要原因在于發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部冷卻水泵和風(fēng)扇受到了驅(qū)動(dòng)方式的限制，在這種情況下，冷卻水泵只能隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)而運(yùn)轉(zhuǎn)，兩者同步運(yùn)行的過程中，循環(huán)水就會(huì)迅速的帶走氣缸周圍的熱量，造成汽車發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱時(shí)間延長?？傊F(xiàn)存的問題就是冷卻水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，極大消耗了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率。大型的貨車在爬坡路段，一旦時(shí)間比較長，就會(huì)出現(xiàn)“開鍋”現(xiàn)象；與貨車相比較，公交車的運(yùn)行速度一般比較慢，在這種情況下，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)也無法充分利用迎面風(fēng)來散熱降溫。

2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵技術(shù)改進(jìn)

關(guān)于冷卻系統(tǒng)中水泵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，需要結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)整體來進(jìn)行，如下圖（圖1和圖2）展示的是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中電控水泵的整體設(shè)計(jì)思路及流程框架。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵整體設(shè)計(jì)方案

上述圖1中，1指的是微控單元ECU，2指的是冷卻水溫度傳感器，3指的是散熱器；4指的是風(fēng)罩，5指的是與水泵一起工作的電風(fēng)扇，6指的是系統(tǒng)電源，7指的是（電）水泵。

圖2 水泵控制裝置原理框圖

如圖2所示，在開始運(yùn)行的過程中，通過水溫傳感器，可以將采集到的溫度直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，即水溫信號(hào)，緊接著將其傳輸給ECU控制單元，ECU控制單元來對(duì)水溫信號(hào)加以處理，在處理過后，發(fā)出更加可靠可行的指令，通過對(duì)電路的調(diào)節(jié)，來對(duì)水泵、風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，進(jìn)而更好的把握住發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱性能。總之，該控制系統(tǒng)，屬于一種動(dòng)態(tài)隨機(jī)測控系統(tǒng)。

在具體設(shè)計(jì)與實(shí)施上，即控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要包含兩個(gè)層面，硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。單純以電控水泵的設(shè)計(jì)來說，該硬件系統(tǒng)的裝置設(shè)計(jì)，即“水溫信號(hào)-ECU控制單元-驅(qū)動(dòng)電路-電控水泵”。在相關(guān)硬件設(shè)備的選擇上，首先是冷卻水溫度傳感器的選擇，傳感器是一種轉(zhuǎn)換器件，它的性能和質(zhì)量的好壞，直接影響著整個(gè)水泵冷卻系統(tǒng)的控制性能；其次是微處理器的選擇，微處理器也就是人們常說的單片機(jī)，它是整個(gè)水泵冷卻系統(tǒng)的核心部件，本次設(shè)計(jì)研究專門選用了EM78P458型號(hào)的單片機(jī)。

第二，軟件控制系統(tǒng)的撒合計(jì)，軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要是為了完成對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度信號(hào)的采樣（循環(huán)采樣），進(jìn)而方便對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理、上下限判斷，再予以參數(shù)設(shè)置、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行。在具體設(shè)計(jì)上，本系統(tǒng)主要包括7大模塊，分別是①主程序模塊、②中斷處理模塊、③水溫采樣、④數(shù)字濾波、⑤水溫控制、⑥計(jì)算模塊、⑦驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊 。其中，計(jì)算模塊為PID計(jì)算，驅(qū)動(dòng)模塊為PWM驅(qū)動(dòng)。

硬軟件控制裝置設(shè)計(jì)完成之后，下一步則需要對(duì)其加以完善和強(qiáng)化，即設(shè)計(jì)系統(tǒng)抗干擾裝置，包括硬件抗干擾設(shè)計(jì)、軟件抗干擾設(shè)計(jì)。因?yàn)閷⒖刂葡到y(tǒng)安裝到汽車上之后，一般都會(huì)受到點(diǎn)火系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的影響，也就是常見的電磁干擾，在這種情況下，將會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性、安全性，因此，對(duì)于系統(tǒng)抗干擾裝置性能的要求是非常高的。在硬件裝置層面，可以選用抗干擾性能較強(qiáng)的屏蔽型變壓器設(shè)備，電路可以采用獨(dú)立型的電源供電設(shè)備。在軟件裝置層面，可以在原有的數(shù)字濾波技術(shù)基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，對(duì)采樣后的數(shù)字信號(hào)實(shí)施中值濾波處理，這樣可以進(jìn)一步提升水泵冷卻系統(tǒng)檢測的精準(zhǔn)度。

3 總結(jié)

二十一世紀(jì)是高速發(fā)展的信息化時(shí)代，汽車工業(yè)作為我國國民經(jīng)濟(jì)支柱型產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展也必須要順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的大潮流，低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)方式是大勢所趨。就目前來看，汽車工業(yè)的發(fā)展日益受到節(jié)能、環(huán)保、安全三方面的威脅和沖擊。在這種嚴(yán)峻的局面下，無論是從國家政策法規(guī)約束層面來看，還是從市場經(jīng)濟(jì)本身來看，都時(shí)刻要求著設(shè)計(jì)者開發(fā)出新一代的汽車，盡可能使發(fā)動(dòng)機(jī)處在最佳工況范圍之內(nèi)來運(yùn)行。大量的工業(yè)生產(chǎn)與設(shè)計(jì)研究一再表明，單純在機(jī)械本身上進(jìn)行改進(jìn)與完善，已經(jīng)無法滿足這一時(shí)代化要求，只會(huì)使得發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。本文提出的設(shè)計(jì)和完善理念，核心是一種集中控制思想，電子控制元件就具備這一性能，不僅結(jié)構(gòu)緊湊、成本低，并且低耗節(jié)能、安全可靠。通過對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵進(jìn)行改造，將傳統(tǒng)的水泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改造為電子控制型的水泵，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境溫度變得更加溫度，預(yù)熱時(shí)間也比改進(jìn)前明顯縮短。同時(shí)，燃油消耗也降低了8-10%，安全性能、經(jīng)濟(jì)成本、社會(huì)效益均比較佳。

［1］吳杰.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)水泵設(shè)計(jì)及流場仿真分析[D].重慶大學(xué),2013.

［2］李維強(qiáng),李偉，施衛(wèi)東,等.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的研究進(jìn)展[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào),2016(1):9-17.

［3］蔡文新,熊盛林,方利志,等.發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻用電動(dòng)水泵的研發(fā)[C]//度apc聯(lián)合學(xué)術(shù)年會(huì).2012.

［責(zé)任編輯：李書培］