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基于單片機的汽車發(fā)動機冷卻水溫控制系統(tǒng)文獻綜述

已有 2438 次閱讀2017-11-23 13:12

如今私家車日益增多，人們對發(fā)動機的保養(yǎng)日益重視，有關發(fā)動機冷卻水溫的研究得到了越來越多科研機構的重視。因為冷卻水溫與發(fā)動機的許多工作性能有著直接或間接的聯(lián)系，如果冷卻水溫保持在最佳的溫度范圍內，不僅可以提高發(fā)動機的動力性、減少廢氣的產生、還可以減少燃料消耗量、增加發(fā)動機工作平穩(wěn)性。所謂最佳溫度范圍指的是冷卻水溫保持在此溫度范圍內，發(fā)動機工作的整體經濟性最好。而確定此最佳冷卻水溫范圍，只有進過大量的檢測實驗和數(shù)據分析才能得出。[1]檢測冷卻水溫對發(fā)動機零件磨損、功率、工作噪聲、排氣質量、潤滑油質量、使用壽命、工作粗暴性等的具體影響，然后通過比較分析得出最佳溫度范圍。進行這些發(fā)動機性能測試實驗的必備條件是有一個能檢測并控制冷卻水溫在設定范圍內的控制裝置，研究這些并試制這樣的一個自動控制裝置就是研究目的。[2]隨著汽車電子技術和計算機控制技術的發(fā)展，各類汽車公司廠商都運用大量的電子技術和計算機技術，從而改善汽車經濟性、安全性和舒適性，并提高了汽車技術性能。然而汽車水溫表測量準確、顯示正確，對汽車發(fā)動機來說尤為重要。[3]

汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的主要作用是保證發(fā)動機在運行過程中得到適度的冷卻,保證發(fā)動機在最適宜的溫度范圍內工作,若冷卻不足,一方面會造成運動部件可能因受熱膨脹而破壞正常配合間隙,潤滑油因受熱而失效,各機件也可能因高溫致使機械強度下降。若冷卻過度,熱量散失過多,發(fā)動機經濟性、動力性下降,粘度加大,運動件間的摩擦阻力大,磨損加劇。[4] 冷卻系統(tǒng)對發(fā)動機性能的影響日益顯著。目前，幾乎所有的發(fā)動機強化都面臨著如何解決高功率密度下的冷卻及熱平衡問題,既在提高輸出功率的同時,又要兼顧油耗的經濟性和排放的環(huán)保性。這些都對冷卻系統(tǒng)的性能提出了新的要求，開發(fā)高效、可靠、經濟、環(huán)保的冷卻系統(tǒng),已成為發(fā)動機進一步實現(xiàn)技術突破的關鍵所在。因此,采用先進的冷卻系統(tǒng)設計理念,應用柴油機現(xiàn)代設計技術提出設計規(guī)范與策略,對推動柴油機冷卻系統(tǒng)技術進步具有重要的研究價值。

目前,傳統(tǒng)的石蠟式節(jié)溫器、散熱器風扇仍廣泛應用于汽車發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)中。傳統(tǒng)的石蠟式節(jié)溫器靠石蠟的膨脹進而控制冷卻介質在系統(tǒng)中做循環(huán),節(jié)流損失大而且工作不可靠,而且精度達不到要求。[5]造成工作效率低下,更不能根據符合的大小進行的調節(jié)；傳統(tǒng)的冷卻風扇使用水溫開關控制,一般高、低兩檔調整,轉速不能實現(xiàn)精確、自動控制。最重要的是二者的動作缺少連貫,相互獨立,工作可靠性差,工作效率低,燃油浪費率高,跟不上現(xiàn)代汽車技術的發(fā)展需要。[6]

針對上述提出的問題,從發(fā)動機的動力性,經濟性,精確性、可靠性發(fā),應使節(jié)溫器、冷卻風扇實現(xiàn)多元聯(lián)動控制,即將傳統(tǒng)的冷卻風扇改為電控冷卻風扇;將傳統(tǒng)的節(jié)溫器改為電控節(jié)溫器;增設電控導風板,由步進電機精確控制;實現(xiàn)上述三者聯(lián)合控制。即微機控制。它可以根據行車速度、大氣環(huán)境溫度、發(fā)動機冷卻水溫度的變化對冷卻系統(tǒng)的冷卻能力進行自動控制,以實現(xiàn)發(fā)動機快速預熱,大量減少發(fā)動機的傳熱損失和功率損失。[7]

國外對溫度控制技術研究較早，始于20世紀70年代。先是采用模擬式的組合儀表，采集現(xiàn)場信息并進行指示、記錄和控制。80年代末出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng)。目前正開發(fā)和研制計算機數(shù)據采集控制系統(tǒng)的多因子綜合控制系統(tǒng)�，F(xiàn)在在世界各國的溫度控制技術發(fā)展很快，一些國家在實現(xiàn)自動化的基礎上正向著完全自動化、無人化的方向發(fā)展。

我國對于溫度測控技術的研究較晚，始于20世紀80年代。我國的工程技術人員在吸收發(fā)達國家溫度測控技術的基礎上，才掌握了溫度室內危機控制技術，該技術僅限于對溫度的單項環(huán)境因子的控制。我國溫度控制測控設施計算機應用，在總體上正從消化吸收、簡單應用階段向實體化、綜合化應用階段過渡和發(fā)展。在技術上，以單片機控制的單回路系統(tǒng)居多，尚無真正意義上的多參數(shù)綜合控制系統(tǒng)，與發(fā)達國家相比，存在較大差距。我國溫度測量控制現(xiàn)狀還遠遠沒有達到工廠化的程度，在實際生產中任然有許多問題困擾著我們，存在著裝備配套能力差，產業(yè)化程度低，環(huán)境控制水平落后，軟件資源不能共享和可靠性差等缺點。

目前,隨著電子技術和計算機技術的廣泛應用和飛速發(fā)展,電部件技術日趨成熟，傳統(tǒng)被動式的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)正在走向智能化和自動化。傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)不能更全面的適應發(fā)動機實際運行時的冷卻需求，從而無法實現(xiàn)對發(fā)動機水溫在全運行工況內的合理控制。然而，采用電子驅動及控制技術，可以通過傳感器和計算機芯片根據實際的發(fā)動機溫度控制運行,從而提供最佳的冷卻介質流量,降低能耗,提高效率。例如，HoonCho等人用電控冷卻水泵取代傳統(tǒng)機械水泵,利用試驗和模擬對比分析發(fā)現(xiàn),通過控制水泵轉速并提高電控水泵效率,功率消耗降低量超過87%,若將水泵轉速提高至最大值時,可降低散熱器尺寸超過27%,對提升發(fā)動機性能和燃料經濟性潛力很大。

可見，電控冷卻系統(tǒng)一方面可以通過精確、自動地調節(jié)冷卻液的溫度,把發(fā)動機的工作溫度控制在最佳范圍,延長發(fā)動機的使用壽命,提高發(fā)動機的工作效率,降低發(fā)動機的故障率；另一方面，還可根據汽車的行駛速度、發(fā)動機的冷卻水溫來綜合控制冷卻系統(tǒng),從而達到降低油耗和提高發(fā)動機可靠性的效果。[8]

汽車發(fā)動機冷卻水溫控制系統(tǒng)由驅動電路、執(zhí)行機構（電控冷卻風扇）、溫度傳感器及溫度采集電路、單片機、A/D轉換器、顯示器組成。采用inter公司生產的MCS-51系列單片機AT89C51，一種+5V供電、40腳封裝、32根I/O線、HMOSI制造技術、布爾操作處理功能的單片機，可以對信號進行分析、處理計算和控制輸出。它是本系統(tǒng)的核心。[9]由溫度傳感器感受發(fā)動機水溫的變化，同時把溫度信號轉變?yōu)橥涑煞幢汝P系的電壓模擬信號。這些信號經過處理(電容器低通濾波、校正和電壓跟隨器耦合)送入A/D轉換器(ADC0809)中INO信號通道。[10]由A/D轉換器把采集來的模擬電壓信號轉換為數(shù)字信號并讀入單片機，AT89C51單片機根據不同的輸入信號分析處理去控制驅動電路，實現(xiàn)對執(zhí)行器的控制。即可實現(xiàn)對發(fā)動機冷卻能力的智能控制。[11]液晶顯示屏采用LCD1602顯示溫度數(shù)據，[12]儲存器儲存溫度上下限設定值，按鍵設置溫度上下限。冷卻系統(tǒng)設定的冷卻溫度是以滿負荷時最大散熱率為基礎，因此，可以通過改變冷卻液溫度設定點來改善發(fā)動機和冷卻系統(tǒng)在部分負荷時處于不太理想狀態(tài)時的性能。升高或降低溫度點在不同情況下各有優(yōu)長。提高溫度的優(yōu)點是：于提高了發(fā)動機的運行溫度和機油溫度,減少了發(fā)動機的散熱量和摩擦損失,提高冷卻液和金屬溫度會改善發(fā)動機和散熱器熱傳遞效果,降低冷卻液流速,減少水泵的標定功率而改善發(fā)動機的燃油經濟性從而降低發(fā)動機的輔機功率損耗。這種方法直接影響發(fā)動機損耗和冷卻系統(tǒng)的效果以及發(fā)動機排放物的形成。研究表明，發(fā)動機工作溫度對摩擦損失有很大影響。將冷卻液排出溫度提高到150℃，使氣缸溫度升高到195℃，油耗則下降4%--6%。將冷卻液溫度保持在90--115℃范圍內，使發(fā)動機機油的最高溫度為140℃，則油耗在部分負荷時下降10%。同時，提高發(fā)動機運行溫度對發(fā)動機熱承載能力提出了更高要求,對NOx排放也有負面影響,同為燃燒室中NOx的生成對溫度的變化十分敏感。因此,在排放要求較嚴格的情況下,提高溫度設定點的做法對于柴油機不適合；但是對于汽油機則很有潛力，在部分負荷下提高冷卻液溫度可以使有效功率最大提高10%。降低溫度設定點的優(yōu)勢在于降低進氣溫度,從而提高充氣效率,有利于燃燒過程優(yōu)化和降低燃油消耗,提高部件的使用壽命。Finlay等人的研究表明,若氣缸溫度降低50℃,點火提前角可提前而不發(fā)生爆震,充氣效率提高2%,發(fā)動機工作特性改善,有助于優(yōu)化壓縮比和參數(shù)選擇,取得較好的燃油經濟性和排放性能。此外,在較低的冷卻液設定溫度工況下,可在燃油消耗率和NOx排放間獲得更好的折中關系,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。總之,無論是提高溫度設定點還是降低溫度設定點都可能改善發(fā)動機的冷卻性能,但是必須結合實際需要而合理應用。

在新材料、新技術、新理念的引領下，充分利用發(fā)動機現(xiàn)代設計技術尋求對冷卻系統(tǒng)的冷卻機理、控制和研究開發(fā)手段的改進是冷卻系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。從設計的有效性和實用性方面來看,冷卻介質的流動優(yōu)化是改善冷卻系統(tǒng)的關鍵。使用電控冷卻部件實現(xiàn)精確冷卻和分流式冷卻的合理整合,能最大程度滿足逐漸提高的冷卻系統(tǒng)性能要求,具有十分理想的應用前景�？傊�,只有對冷卻系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)進行深入地研究,多方面尋求提高冷卻性能的有效途徑,合理利用和發(fā)揮各個方法的潛在優(yōu)勢,才能實現(xiàn)冷卻系統(tǒng)的高效化和低耗化,進而從整體上提高發(fā)動機的性能。