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基于单片机的汽车发动机冷却水温控制系统文献综述

已有 2427 次阅读2017-11-23 13:12

如今私家车日益增多，人们对发动机的保养日益重视，有关发动机冷却水温的研究得到了越来越多科研机构的重视。因为冷却水温与发动机的许多工作性能有着直接或间接的联系，如果冷却水温保持在最佳的温度范围内，不仅可以提高发动机的动力性、减少废气的产生、还可以减少燃料消耗量、增加发动机工作平稳性。所谓最佳温度范围指的是冷却水温保持在此温度范围内，发动机工作的整体经济性最好。而确定此最佳冷却水温范围，只有进过大量的检测实验和数据分析才能得出。[1]检测冷却水温对发动机零件磨损、功率、工作噪声、排气质量、润滑油质量、使用寿命、工作粗暴性等的具体影响，然后通过比较分析得出最佳温度范围。进行这些发动机性能测试实验的必备条件是有一个能检测并控制冷却水温在设定范围内的控制装置，研究这些并试制这样的一个自动控制装置就是研究目的。[2]随着汽车电子技术和计算机控制技术的发展，各类汽车公司厂商都运用大量的电子技术和计算机技术，从而改善汽车经济性、安全性和舒适性，并提高了汽车技术性能。然而汽车水温表测量准确、显示正确，对汽车发动机来说尤为重要。[3]

汽车发动机冷却系统的主要作用是保证发动机在运行过程中得到适度的冷却,保证发动机在最适宜的温度范围内工作,若冷却不足,一方面会造成运动部件可能因受热膨胀而破坏正常配合间隙,润滑油因受热而失效,各机件也可能因高温致使机械强度下降。若冷却过度,热量散失过多,发动机经济性、动力性下降,粘度加大,运动件间的摩擦阻力大,磨损加剧。[4] 冷却系统对发动机性能的影响日益显著。目前，几乎所有的发动机强化都面临着如何解决高功率密度下的冷却及热平衡问题,既在提高输出功率的同时,又要兼顾油耗的经济性和排放的环保性。这些都对冷却系统的性能提出了新的要求，开发高效、可靠、经济、环保的冷却系统,已成为发动机进一步实现技术突破的关键所在。因此,采用先进的冷却系统设计理念,应用柴油机现代设计技术提出设计规范与策略,对推动柴油机冷却系统技术进步具有重要的研究价值。

目前,传统的石蜡式节温器、散热器风扇仍广泛应用于汽车发动机的冷却系统中。传统的石蜡式节温器靠石蜡的膨胀进而控制冷却介质在系统中做循环,节流损失大而且工作不可靠,而且精度达不到要求。[5]造成工作效率低下,更不能根据符合的大小进行的调节；传统的冷却风扇使用水温开关控制,一般高、低两档调整,转速不能实现精确、自动控制。最重要的是二者的动作缺少连贯,相互独立,工作可靠性差,工作效率低,燃油浪费率高,跟不上现代汽车技术的发展需要。[6]

针对上述提出的问题,从发动机的动力性,经济性,精确性、可靠性发,应使节温器、冷却风扇实现多元联动控制,即将传统的冷却风扇改为电控冷却风扇;将传统的节温器改为电控节温器;增设电控导风板,由步进电机精确控制;实现上述三者联合控制。即微机控制。它可以根据行车速度、大气环境温度、发动机冷却水温度的变化对冷却系统的冷却能力进行自动控制,以实现发动机快速预热,大量减少发动机的传热损失和功率损失。[7]

国外对温度控制技术研究较早，始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在在世界各国的温度控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。

我国对于温度测控技术的研究较晚，始于20世纪80年代。我国的工程技术人员在吸收发达国家温度测控技术的基础上，才掌握了温度室内危机控制技术，该技术仅限于对温度的单项环境因子的控制。我国温度控制测控设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实体化、综合化应用阶段过渡和发展。在技术上，以单片机控制的单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与发达国家相比，存在较大差距。我国温度测量控制现状还远远没有达到工厂化的程度，在实际生产中任然有许多问题困扰着我们，存在着装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平落后，软件资源不能共享和可靠性差等缺点。

目前,随着电子技术和计算机技术的广泛应用和飞速发展,电部件技术日趋成熟，传统被动式的发动机冷却系统正在走向智能化和自动化。传统冷却系统不能更全面的适应发动机实际运行时的冷却需求，从而无法实现对发动机水温在全运行工况内的合理控制。然而，采用电子驱动及控制技术，可以通过传感器和计算机芯片根据实际的发动机温度控制运行,从而提供最佳的冷却介质流量,降低能耗,提高效率。例如，HoonCho等人用电控冷却水泵取代传统机械水泵,利用试验和模拟对比分析发现,通过控制水泵转速并提高电控水泵效率,功率消耗降低量超过87%,若将水泵转速提高至最大值时,可降低散热器尺寸超过27%,对提升发动机性能和燃料经济性潜力很大。

可见，电控冷却系统一方面可以通过精确、自动地调节冷却液的温度,把发动机的工作温度控制在最佳范围,延长发动机的使用寿命,提高发动机的工作效率,降低发动机的故障率；另一方面，还可根据汽车的行驶速度、发动机的冷却水温来综合控制冷却系统,从而达到降低油耗和提高发动机可靠性的效果。[8]

汽车发动机冷却水温控制系统由驱动电路、执行机构（电控冷却风扇）、温度传感器及温度采集电路、单片机、A/D转换器、显示器组成。采用inter公司生产的MCS-51系列单片机AT89C51，一种+5V供电、40脚封装、32根I/O线、HMOSI制造技术、布尔操作处理功能的单片机，可以对信号进行分析、处理计算和控制输出。它是本系统的核心。[9]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。[10]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，AT89C51单片机根据不同的输入信号分析处理去控制驱动电路，实现对执行器的控制。即可实现对发动机冷却能力的智能控制。[11]液晶显示屏采用LCD1602显示温度数据，[12]储存器储存温度上下限设定值，按键设置温度上下限。冷却系统设定的冷却温度是以满负荷时最大散热率为基础，因此，可以通过改变冷却液温度设定点来改善发动机和冷却系统在部分负荷时处于不太理想状态时的性能。升高或降低温度点在不同情况下各有优长。提高温度的优点是：于提高了发动机的运行温度和机油温度,减少了发动机的散热量和摩擦损失,提高冷却液和金属温度会改善发动机和散热器热传递效果,降低冷却液流速,减少水泵的标定功率而改善发动机的燃油经济性从而降低发动机的辅机功率损耗。这种方法直接影响发动机损耗和冷却系统的效果以及发动机排放物的形成。研究表明，发动机工作温度对摩擦损失有很大影响。将冷却液排出温度提高到150℃，使气缸温度升高到195℃，油耗则下降4%--6%。将冷却液温度保持在90--115℃范围内，使发动机机油的最高温度为140℃，则油耗在部分负荷时下降10%。同时，提高发动机运行温度对发动机热承载能力提出了更高要求,对NOx排放也有负面影响,同为燃烧室中NOx的生成对温度的变化十分敏感。因此,在排放要求较严格的情况下,提高温度设定点的做法对于柴油机不适合；但是对于汽油机则很有潜力，在部分负荷下提高冷却液温度可以使有效功率最大提高10%。降低温度设定点的优势在于降低进气温度,从而提高充气效率,有利于燃烧过程优化和降低燃油消耗,提高部件的使用寿命。Finlay等人的研究表明,若气缸温度降低50℃,点火提前角可提前而不发生爆震,充气效率提高2%,发动机工作特性改善,有助于优化压缩比和参数选择,取得较好的燃油经济性和排放性能。此外,在较低的冷却液设定温度工况下,可在燃油消耗率和NOx排放间获得更好的折中关系,最大可使NOx排放降低30%,燃油消耗率及CO和HC排放也略有改善。总之,无论是提高温度设定点还是降低温度设定点都可能改善发动机的冷却性能,但是必须结合实际需要而合理应用。

在新材料、新技术、新理念的引领下，充分利用发动机现代设计技术寻求对冷却系统的冷却机理、控制和研究开发手段的改进是冷却系统发展的必然趋势。从设计的有效性和实用性方面来看,冷却介质的流动优化是改善冷却系统的关键。使用电控冷却部件实现精确冷却和分流式冷却的合理整合,能最大程度满足逐渐提高的冷却系统性能要求,具有十分理想的应用前景。总之,只有对冷却系统各个环节进行深入地研究,多方面寻求提高冷却性能的有效途径,合理利用和发挥各个方法的潜在优势,才能实现冷却系统的高效化和低耗化,进而从整体上提高发动机的性能。