鄭小龍 ，孫長勇 ，葉紅艷 ，王福祿 ，趙晨皓

（山東華宇工學(xué)院機(jī)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(dòng)機(jī)作為汽車的核心部件，對(duì)汽車的正常行駛有著不可替代的作用[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)出現(xiàn)問題，整個(gè)汽車都不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，給使用者帶來麻煩。對(duì)此，為了保障發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)化智能監(jiān)測(cè)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(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)概述

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

2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)分析，可以看出在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(huì)導(dǎo)致汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的故障。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)水溫過高

發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)水溫過低

當(dāng)車輛在行駛的時(shí)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(dòng)力降低，這時(shí)基本可以判斷為是發(fā)動(dòng)機(jī)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?yàn)楣?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(shí)發(fā)現(xiàn)，仍讓發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)工作，會(huì)對(duì)汽車的安全造成很大的威脅。

3 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)主要功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)智能監(jiān)測(cè)裝置由控制單元、功能開關(guān)、報(bào)警裝置、壓力傳感器、pH 值傳感器、溫度傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器等構(gòu)成，總體設(shè)計(jì)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(hào)與所儲(chǔ)存的設(shè)定值相比較，并分析其所檢測(cè)的信號(hào)是否正常；若出現(xiàn)異常，則由控制器控制報(bào)警器發(fā)出警報(bào)，以保證行車安全[8]。

圖1 總體設(shè)計(jì)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(hào)，并且可以控制報(bào)警器報(bào)警；報(bào)警器起到警示作用，當(dāng)所接收到的電信號(hào)與所儲(chǔ)存在控制單元里的參數(shù)不符時(shí)，則控制單元控制報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警警示；壓力傳感器用于檢測(cè)冷卻系統(tǒng)的密封性，向控制裝置傳送所檢測(cè)的壓力信號(hào)；pH 值傳感器主要是用來檢測(cè)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器用于探測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。本文所提到的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)智能輔助設(shè)備將所獲取的信息，與儲(chǔ)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(cè)的結(jié)果是否與儲(chǔ)存的參考范圍一致，如果與儲(chǔ)存的參數(shù)差異較大，則監(jiān)控單元將會(huì)控制電子報(bào)警器報(bào)警警示，這將會(huì)使車輛的行駛更為安全。

在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)從停止運(yùn)轉(zhuǎn)到開始運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)也在跟著發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器都會(huì)把信號(hào)傳送給控制裝置，再將接收到的信號(hào)與儲(chǔ)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(bào)警器發(fā)出警報(bào)并提醒駕駛員及時(shí)進(jìn)行檢測(cè)和保養(yǎng)。若發(fā)現(xiàn)冷卻液不足，應(yīng)及時(shí)將電信號(hào)傳輸?shù)娇刂茊卧?，并且把冷卻液不足的信號(hào)反饋給駕駛?cè)藛T，方便維修人員維修。

同時(shí)，無論在什么條件下，pH 值傳感器都會(huì)不斷地測(cè)量冷卻劑的pH 值，并將所測(cè)得的電信號(hào)傳送給控制單元，控制單元會(huì)將所測(cè)得的信息與所存儲(chǔ)的設(shè)定的數(shù)據(jù)相對(duì)比，從而判定所測(cè)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(bào)，提醒司機(jī)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(shí)現(xiàn)用電氣控制來監(jiān)控制冷系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

汽車?yán)鋮s系統(tǒng)通常是完全密封的，但因?yàn)楦鱾€(gè)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(shí)際上各種汽車的密封性都是在一定范圍的。

發(fā)電機(jī)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(jī)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(shí)間的增長，冷卻液里的酸堿度范圍也會(huì)隨之發(fā)生變化，通常冷卻液的酸堿度范圍都會(huì)在7~9.5。因此，如果壓力感應(yīng)器和pH 值傳感器等檢測(cè)的數(shù)據(jù)與控制單元的基本參數(shù)不相符時(shí)，則向控制器單元的報(bào)警器報(bào)警。

4 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)智能監(jiān)測(cè)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(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)是具有較高的精度、較寬的測(cè)量范圍，缺點(diǎn)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(cè)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(diǎn)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(qiáng)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(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)智能監(jiān)測(cè)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(cè)電路，檢測(cè)電路再將pH 值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，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(chǔ)存的參數(shù)進(jìn)行比較，當(dāng)結(jié)果與儲(chǔ)存的參數(shù)不符時(shí)，控制單元會(huì)控制報(bào)警器警示[10]。

5 應(yīng)用效果及檢驗(yàn)

通過對(duì)本裝置的設(shè)計(jì)，首先，在程序上的試驗(yàn)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(yàn)，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(shí)物圖如圖4 所示。檢驗(yàn)結(jié)果，在檢驗(yàn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻智能檢測(cè)裝置時(shí)，對(duì)裝置壓力、pH 值、轉(zhuǎn)速、溫度等進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，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(shí)，此時(shí)溫度超過儲(chǔ)存在控制單元的溫度范圍，報(bào)警器立刻報(bào)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(shí)報(bào)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(shí)，此時(shí)通過電位器旋鈕來調(diào)節(jié)pH值的大?。ㄒ?yàn)闄z測(cè)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(shí)地測(cè)出pH 值），此時(shí)pH 值超過或者低于儲(chǔ)存在控制單元的范圍，報(bào)警器立刻報(bào)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(shí)報(bào)警器消除警示。

當(dāng)使用加熱裝置時(shí)，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(shí)壓力也在不斷變化，當(dāng)超過儲(chǔ)存在控制單元的范圍，報(bào)警器立刻報(bào)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(shí)報(bào)警器消除警示。

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

6 結(jié)束語

綜上所述，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)是汽車的重要部件，只有提高發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)了一款汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)智能監(jiān)測(cè)裝置，發(fā)現(xiàn)問題時(shí)該裝置會(huì)直接報(bào)警警示駕駛?cè)藛T，提高維修工作人員對(duì)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。