汽車水泵控制系統的研究

朱桂英

摘要：傳統汽車發動機冷卻系統存在響應慢、精讀差等問題，針對這些問題，提出了一種電子水泵的控制系統，系統采用高精度傳感器來采集水溫、轉速、流量信號，可編程硬件系統，用軟件進行程序設計，電控單元進行計算并輸出控制信號，可以在任何情況下都能提供足夠的冷卻水，可精確快速的控制水泵工作，使發動機機體溫度保持在正常范圍內。該電子控制系統具有增加發動機動力輸出、輸出扭矩，提高燃油效率，減少因不完全燃燒而產生的有害氣體的排放等優點。

Abstract： The traditional automobile engine cooling system has some problems， such as slow response and poor precision reading. In view of these problems， an electronic water pump control system is proposed. The system uses high-precision sensors to collect water temperature， speed and flow signals. The programmable hardware system is programmed with software， and the electronic control unit calculates and outputs control signals， it can provide enough cooling water in any case， and can accurately and quickly control the operation of the water pump to keep the engine body temperature within the normal range. The electronic control system has the advantages of increasing engine power output and output torque， improving fuel efficiency and reducing the emission of harmful gases caused by incomplete combustion.

關鍵詞：汽車;水泵;冷卻系統;控制系統

Key words： auto;water pump;cooling system;control system

中圖分類號：TP29 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0011-03

0 ?引言

汽車發動機冷卻系統是汽車的主要組成系統之一。發動機工作時，汽缸內可燃氣體的工作溫度可高達2200-2800K，但若不對發動機進行必要的制冷措施，則將無法保持其正常運行[1-2]。冷卻系統的主要功能，是將從汽車發動機中受熱零部件所吸入的部分熱能有效排放出去，使汽車發動機進行最合理的制冷，以便于將其維持在最合理的工作溫度范圍內正常工作。

1 ?研究意義

發動機的冷卻水供應要合理，但如果冷卻水供應不夠，會使發動機過熱，進而使得充氣效果減弱，同時早燃和爆燃的可能性也增大，因而造成發動機產生工作輸出功率減小，同時，運動機件之間通常的間隙也遭到了損壞，因而使零部件無法順利地運動，以至卡死、磨損;零部件因力學性能下降而產生變型和損傷;因潤滑劑黏度下降、潤滑劑層破碎而增加零部件損壞。

如果制冷過量，會使發動機過冷，因而使得進汽缸的可燃混合氣會因溫度過低而使點火困難和燃燒時間推遲，從而使得發動機輸出功率降低和油耗提高;潤滑油黏度增大，致使潤滑不好而加重零部件的損壞[3-4]。

實驗結果證實，發動機工作時具有最適宜的溫度范圍，即最佳溫度[5]。發動機在最高環境溫度下工作時，發電機的運行狀態包括汽油點燃、廢氣排出、潤滑油的黏度、機件的強度與間隙大小、發電機的運行狀況等均處在良好狀態下，不但能夠達到節油、減少空氣污染與噪聲，而且增加發動機輸出功率，同時也會大幅延長發動機的使用壽命。

發動機冷卻系統按制冷介質又可分成水冷和風冷，水冷系統通常由于制冷強度較大而應用在汽車發動機上[6-7]。在傳統的冷卻水系統中，冷卻水在泵的驅動下，強制經過發動機氣缸蓋和汽缸統中的水套，以吸收熱能，然后再流入散熱器散熱，以便于將發動機的工作溫度維持在規定溫度范圍內。

目前，汽車的冷卻系統仍大多使用傳統的機械自動化水泵，冷卻水泵通常使用皮帶或齒輪與發動機的曲軸相連，轉速受發動機轉速控制。當發動機冷啟動時，由于水泵受發動機驅動方式的限制而必須由發動機進行運行，其后果就是將汽缸周邊的熱能迅速帶走，特別是在寒冬導致暖機的持續時間拉長，從而大大降低了熱效能;在發電機低速大負載的狀況下，由于發動機缸蓋、排氣道等周邊的局部熱能異常大，要求冷卻水高速循環系統以盡快地排去過剩的熱能，但此時冷卻水泵因受到發動機速度的控制而無法增加轉速，也就無法增加水流的循環速率，從而導致汽車發動機體工作溫度增加，從而大大地影響了熱效率?，F在一些汽車中使用節溫器作為溫控器的大小循環回路控制方式，雖然在一定程度上改善了發動機的冷卻效果，但這種控制方式只是單設定點控制，響應慢，精度差[8-9]。

國家引導和鼓勵發展節能環保型小排量汽車、各種節能和代用燃料汽車輛，根據2021年10月26日由國務院辦公廳印發的關于《2030年碳達峰行動方案的通知》中明確表示，中國二氧化碳排放量將爭取在2030年前達到峰值，為此國家在新能源汽車行業的發展政策中，將“積極推進電動車輛、混合動力汽車的研究和開發，加速代用燃油車輛的普及應用，推動汽車行業取得跨越式蓬勃發展”列為汽車行業結構性調整的重點[10]。并提出了“改善車輛燃油經濟性，爭取使所有車輛的百公里油耗均減少10%，當中，普通轎車和輕便車均減少5-10%，中重型汽車均減少10-15%[11]。增加代用燃油轎車所占的比重，優化中國轎車能源需求結構”的具體目標。因此冷卻水泵、冷卻風扇的電力驅動與控制有著很重要的節能環保、節能降耗、低碳排放的意義。

2 ?水泵控制系統設計

根據國家環保要求和電子技術的不斷應用，自動化水平的不斷提高，本文提出的汽車冷卻水泵的改進方法是將冷卻水泵的驅動方式由機械傳動改為電力驅動，改進之后冷卻水泵的轉速不會再受汽車發動機工作狀態的影響，可在任何情況下提供足夠的冷卻水，使發動機機體溫度保持在正常范圍內。由此帶來一系列的好處，如增加發動機動力輸出、增大輸出扭矩，提高燃油效率、減少因不完全燃燒而產生的有害氣體。

汽車水泵控制系統主要改進以下兩個方面：

一是水泵的驅動方式為直流電動機驅動，通過對水泵葉輪形式、尺寸以及發電機輸出功率的合理選取，并進行二者的優化與配套結合，以實現較高效率[12]。

二是通過自動化控制，以發動機機體的最高工作溫度為反饋信號，通過電控計算直接控制電控水泵的工作，以冷卻水溫度為反饋信號配合對電動風機的運行溫度控制，使發動機一直工作到最高工作溫度，以減少傳熱損失和機械損失。發動機冷卻系統示意圖如圖1所示。

拆卸了汽車發動機對冷卻水泵的電機驅動皮帶，改由電機直接驅動冷卻水泵，在發動機的啟動階段控制冷卻水泵自動停止工作，以測試此時的預熱時間;在大負載狀況下，可以改變電動機速度，測量電動水泵的流量、流速、溫度、電機驅動功率，以及電動機的運行時間等數值，系統選用高精度數據采集傳感器采集所需數據信號，實現快速、高精準的控制。

利用正交實驗設計的方式，選用一臺合適型號尺寸的水泵，與直流電機、冷卻水泵相連接后安裝，以保證一定的同心度，減少運行噪聲，將冷卻水泵接頭與汽車發動機機身的下端進入口與水箱流出口相連接。在汽車散熱器上安裝電動風扇，使之保持穩定轉速，以綜合消除由風扇造成的熱試驗危害，并模擬車輛各種工作狀況。計算直流電機所帶動的水泵的流量、速率、溫度、電機驅動輸出功率等數值，從而測算出電動水泵的效能。再經過不斷的測試、改良，最后選定了一個最優規格和理想形狀的電動水泵。將水泵定型加工后，再換上不同功率的電動機，并計算電機驅動功率、工作電壓等數值，從而計算出電動機的效能，經反復測試、改良后選定了最優化功率的電動機，從而完成了水泵、電動機的優化組織。

3 ?電子水泵的設計

電子水泵系統分為硬件設計、軟件設計和抗干擾設計三部分。

3.1 硬件設計

通過總體設計方法，確定了硬件的總體設計及其功能模塊，主要涉及對發動機溫度、轉速等信息的收集，以及直流電機的控制系統。

針對本系統特點，還配備了AD轉換設備、信號采集與放大模塊和輸入輸出驅動模塊。系統采用基于英飛凌單片機的直流電機控制器系統作為核心控制單元，單片機通過采集各組信號包括：轉速、溫度和流量信號，采用先進控制算法實時調節PWM信號脈寬，由PWM信號控制電機轉速，硬件系統集成了一系列高精度傳感器、PWM輸出驅動、電機控制橋電路等元器件，組成了系統的主要硬件部分。其中電控及數據采集處理原理圖如圖2所示。

溫度傳感器實時監測發動機冷卻液的溫度，當溫度超過正常范圍時，通過A/D轉換向控制單元輸送數字信號，控制單元根據程序設定進行信號處理發出指令，控制風扇及水泵工作，使發動機冷卻水的溫度回歸正常工作范圍內。采用的溫度傳感器為數字溫度傳感器，帶SPI接口，信號精度高，能達到0.1攝氏度的分辨率，響應速度快。

流量傳感器用于監測發動機冷卻液的流量，來判斷冷卻液回路是否通暢，以及冷卻水的多少。

轉速傳感器用來監測水泵的轉速，輸出脈沖信號，單片機系統通過數脈沖信號來實時計算轉速信號，以此來判斷水泵的工作狀況是否正常，進而判斷及控制冷卻水量的多少。

數據信息采集完畢將信號通過A/D轉換傳送到控制單元，系統全部控制動作以及邏輯判斷由單片機控制單元自動完成。單片機控制單元根據輸入的電信號進行判斷處理，調節PWM脈寬，輸出控制水泵轉速以及風扇的驅動指令。最終通過循環控制的方式控制水泵的轉速和風扇的轉速，快速的將水溫控制在發動機最佳工作范圍內。

3.2 軟件設計

結合了硬件設計，并按照系統功能特點實現了模塊化設計，主要包括主程序、驅動程序、數據采集程序等。主程序軟件流程圖如圖3所示，汽車發動機一通電工作，電子水泵控制系統首先進行自檢，并且復位，然后采集水溫、轉速、流速信號，并通過轉換將數據傳給控制單元進行計算判斷，如果溫度在正常水溫范圍內，循環進行溫度監控，保證水溫始終在最佳溫度范圍，如果溫度異常，驅動水泵和風扇在合適的狀態下工作，得到合適的流速和轉速，再次進行電控分析是否在正常溫度范圍，如果不再繼續進行電控驅動操作，直到溫度正常為止。

3.3 抗干擾設計

本系統主要使用于汽車上，由于受到的各種干擾比較嚴重，所以為了保證系統正常高效安全工作，在電源抗干擾、功能模塊抗干擾、信息傳送、接地線布置和印制電路板設計等方面還作出了綜合考慮，并選擇了不同的抗干擾措施[8-9]。

電源干擾采用大小電容并接方式，去除高低頻信號干擾，保證電源輸出穩定，同時增加了電壓低壓報警功能，提前預警供電不足的問題。信息傳輸的過程軟件上采用了多次握手的對接信號，保證數據傳輸的正確性，硬件上采用接線屏蔽、EMC抗干擾等方法。

對改裝后的電控水泵風扇運轉時間、運轉次數與改裝進行對比試驗。將選擇出的最優水泵、電機組合安裝固定在臺架上，連接電機與智能控制回路，然后連接發動機、水泵、水箱各處接口，進行發動機運轉的對比試驗。發動機在不同工況和負荷下，測定電機轉速、發動機轉速、發動機的出水溫度和進水溫度，水泵配合電控風扇每次運轉的時間，以及電動水泵、電動風扇的間隔時間、電動水泵、電動風扇運轉的次數、發動機的機油溫度和機油壓力，發動機的耗油量、蓄電池電壓等數據。與改裝前測試的相應數據作比較分析，得出改裝后的試驗效果發現，制冷效果更高效，節能低耗，各項數據滿足標準要求。

4 ?結語

本文提出水泵控制系統將冷卻水泵的驅動方式由傳統的機械傳動改為電力驅動后，通過水泵葉輪形狀、大小和電動機功率的選擇，實現兩者的優化配套組合，達到較高效率。采用了自動控制技術，以發動機機體溫度為反饋信號，控制電子水泵的運行，以冷卻水的溫度作為反饋信號配合對電動風扇的運轉控制，冷卻水泵的轉速不再受汽車發動機工作狀態的影響，使發動機始終工作在最佳工作溫度，降低傳熱損失和機械損失。改善了傳統冷卻系統響應慢，精度差的不足的缺點，改進后的系統不但增加了發動機動力輸出、輸出扭矩，還提高了燃油效率、減少了因不完全燃燒而產生的有害氣體的排放，對節能環保以及實現碳達峰碳中和上有一定的實踐意義和應用價值。

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