汽车发动机冷却的控制技术研究

赵旭辉 王铜钢

摘要：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及水冷式引擎，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。不论采何种方式冷却，正常的冷却系统必须确保引擎在各样行驶环境都不致过热。

关键词：汽车发动机;冷却系统;智能控制技术;嵌入式系统

汽车冷却系统对汽车来说是至关重要的，发动机就如同人类的心脏，如果不好好保护就会受到威胁，现在随着科技发展，冷却系统不像以往那样只是单纯的水冷循环，现在冷却系统智能控制很受欢迎，所以在以后的汽车发展中，单纯的冷却系统不会站主导位置了，虽然智能控制要求很高，但是在高级轿车中很实用，它代表着未来冷却系统的发现方向，智能冷却系统控制将会作为标准装置在汽车上，未来一段时间在冷却系统中将占主导位置;而智能控制将会提高发动机的使用寿命，保障汽车的安全行驶，提高人身安全等原因，将来智能控制冷却系统的发展将占主导位置。

一、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及水冷式引擎，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。不论采何种方式冷却，正常的冷却系统必须确保引擎在各样行驶环境都不致过热。

二、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。

三、冷却系统智能控制

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。

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。

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。

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：a.电控冷却风扇不工作;b.电控导风板关闭状态;c.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。

此时可充分利用汽车行驶迎面风对散热器的冷却作用，尽量减少冷却风扇的工作时间。当水温高达95℃时，单片机经数据分析发出控制指令使电控冷却风扇工作，而让节温器仍处于大循环状态，导风板仍处于敞开状态。这时冷却系统的冷却能力最大，实现快速降温。当发动机水温降至89℃时，单片机根据采样数据分析处理发出控制指令，使执行元件完成以下操作：a.电控冷却风扇不工作;b.电控导风板处于敞开状态;c.电控节温器处于大循环状态。这样，直到发动机水温返升至95℃，电控冷却风扇又重新工作。

四、汽车发动机冷却系统的温度控制

汽车发动机冷却液温度受多种因素的影响，比如散热结构形式、冷却液循环流量、发动机负荷、汽车行驶速度、环境温度、风扇转速、空气流量等都会影响发动机冷却系统的温度，进而对冷却液温度造成影响。所以要实现对发动机冷却系统温度的控制，必须对上述参数信号进行及时、准确的采集，并对收集到的信号进行正确的处理。用一般数学方程是很难描述汽车发动机冷却液温度、温度变化速率与其他影响因素之间的关系的，为此作者建议将适用于具有时变性、滞后性、不确定性的控制系统的模糊控制与传统PID控制器相结合，建立节温器、百叶窗、冷却风扇多元联合控制的智能控制系统，以实现水泵流量、风扇转速控制，进而实现温度控制，保证冷却系统在发动机全部工况范围内的最佳冷却性能。

另外，考虑汽车运行的复杂性，比如可能会产生热辐射、电磁干扰、振动等，在多元联合智能控制系统硬件设计方面，必须使电路具有抗震性，并采取一定隔离防护措施，增强电路抗干扰性，确保智能控制系统的整体稳定性和可靠性。

五、汽车发动机冷却系统的关键控制技术

根据冷却风扇的工作形式，其控制方式主要可分为三种，包括机械驱动、自控电动和综合型智能控制方式，后两者属于真正意义上的汽车发动机冷却风扇控制技术。从控制模式来看，包括集中式和分体式控制类型，集中式控制类型集中于发动机动力系统控制模块，可通过采样、处理环境温度、冷却液温度、进气溫度及空调压缩机压力等实现对外部功率继电器的控制，进而控制风扇速度，但这种控制类型只能控制高速、低速这两个风速，PCM负荷工作量大，实效性差;分体式控制类型即发动机冷却风扇控制器，可独立于汽车发动机外或与发动机有通讯联系，通常兼控制冷却风扇、发动机喷油、空调等功能于一体，智能化程度较高，采集信息多样，通过统一调度可使发动机达到良好的经济性和排放性，但这种控制器对防尘、水密封性都有着很高要求。为此，应进一步改进PWM脉宽调制输出的控制电路，使PWM控制器与ECU有关，由ECU综合对发动机冷却系统温度、压力等信号参数进行分析处理，生成PWM信号，传输给冷却风扇控制器，并由冷却风扇控制器输出PWM脉冲信号实现对冷却风扇的驱动，使风扇能够在一定范围内无极调速。改进后控制技术全面考虑了汽车发动机周围环境参数，相较于传统控制方式，冷却风扇控制器真正体现了智能化控制，性能、效率更高，且有利于实现节能目标。目前，雪铁龙、大众、标致等汽车发动机都采用了基于PWM脉宽调制输出方式的冷却风扇控制器。

六、结语

总之，汽车发动机的冷却系统是保持发动机正常工作的关键部件，为降低冷却系统维修率，提高发动机整体工作性能，必须充分发挥汽车发动机的智能化控制作用。在智能化控制技术比如PWM控制技术、智能化控制系统、车用传感器等的支持下，汽车发动机冷却系统控制的实时性大大提高，较好地实现了对冷却液温度的调节和控制，使发动机始终能在最适温度条件下工作。当然，受到各种因素限制，当前汽车发动机冷却的控制技术仍有待提升，环保、节能减排、智能化以及高性能在未来相当长一段时间内仍是我们需努力和研究的方向，相信有先进的智能控制技术为支撑对汽车发动机的运行、监测进行控制，加上智能化、不拆修发动机的逐渐投入使用，绿色环保发动机的使用意义将会真正体现出来。

参考文献：

[1]张继合.汽车发动机冷却系统智能控制技术的若干思考[J].民营科技，2011，8：145.

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[3]单超颖.基于嵌入式的发动机冷却系统智能控制器的研究[D].沈阳工业大学，2012.