汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)智能控制技術(shù)探討

馬磊

摘要：發(fā)動機(jī)是汽車的重要構(gòu)件，是汽車運(yùn)行的關(guān)鍵動力。隨著冷卻系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)性能的影響日益顯著，汽車?yán)鋮s系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的熱負(fù)荷及其可靠性研究已成為國內(nèi)外研究的熱點。發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)作為汽車的重要系統(tǒng)之一，工作效率的高低直接影響著汽車的使用壽命。已有的發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)只是簡單顯示冷卻液溫度的高低，冷卻系統(tǒng)中的具體故障信息卻無法及時發(fā)現(xiàn)，造成冷卻系統(tǒng)過早結(jié)束服役。本文主要對汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)智能控制的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動機(jī);冷卻系統(tǒng);智能控制技術(shù)

引言

現(xiàn)代的汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的發(fā)展極其的迅速，而發(fā)展方向也逐漸趨向于智能化，精確化。但是就目前我國的汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的現(xiàn)狀來看，我國的汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的發(fā)展還有很長的路要走，特別是結(jié)合現(xiàn)代高端科技這一領(lǐng)域。而就目前我國的經(jīng)濟(jì)來看，只要我們可以選對方向，就可以促

摘要：發(fā)動機(jī)是汽車的重要構(gòu)件，是汽車運(yùn)行的關(guān)鍵動力。隨著冷卻系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)性能的影響日益顯著，汽車?yán)鋮s系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的熱負(fù)荷及其可靠性研究已成為國內(nèi)外研究的熱點。發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)作為汽車的重要系統(tǒng)之一，工作效率的高低直接影響著汽車的使用壽命。已有的發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)只是簡單顯示冷卻液溫度的高低，冷卻系統(tǒng)中的具體故障信息卻無法及時發(fā)現(xiàn)，造成冷卻系統(tǒng)過早結(jié)束服役。本文主要對汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)智能控制的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動機(jī);冷卻系統(tǒng);智能控制技術(shù)

引言

現(xiàn)代的汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的發(fā)展極其的迅速，而發(fā)展方向也逐漸趨向于智能化，精確化。但是就目前我國的汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的現(xiàn)狀來看，我國的汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的發(fā)展還有很長的路要走，特別是結(jié)合現(xiàn)代高端科技這一領(lǐng)域。而就目前我國的經(jīng)濟(jì)來看，只要我們可以選對方向，就可以促進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。所以關(guān)于汽車發(fā)動機(jī)智能化冷卻控制系統(tǒng)的研究，我們勢在必行。

1發(fā)動機(jī)冷卻控制系統(tǒng)的構(gòu)成

汽車發(fā)動機(jī)在正常工作狀態(tài)下，燃料燃燒產(chǎn)生的氣體溫度高達(dá)2000℃，直接接觸高溫氣體的汽車部件，如氣門、活塞以及汽缸壁和汽缸蓋等，溫度也會增高，為了保證其不至于膨脹變形而影響到正常的工作，必須對其進(jìn)行冷卻，即采用冷卻控制系統(tǒng)，現(xiàn)代汽車?yán)鋮s系統(tǒng)以水冷卻為主，目前應(yīng)用的最普遍的是強(qiáng)制循環(huán)式冷卻系統(tǒng)，具備可靠、強(qiáng)度易調(diào)節(jié)、效率高等優(yōu)點。發(fā)動機(jī)冷卻控制系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)分為水泵、風(fēng)扇、散熱器和節(jié)溫器四部分，此外還包括水套、百葉窗、分水管等，在工作狀態(tài)下，水泵會吸入散熱器中的水，加壓后經(jīng)分水管流入氣缸水套中，冷卻氣缸后，形成的冷卻水會進(jìn)入到汽缸蓋水套中，將汽缸蓋中的熱量帶走，最后再返回散熱器。

2汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)智能控制技術(shù)

汽車發(fā)動機(jī)的工作主要包括3個階段：起動暖機(jī)階段、行駛階段以及后冷卻階段。起動暖機(jī)階段指在汽車發(fā)動機(jī)起動后，發(fā)動機(jī)機(jī)內(nèi)冷卻液由較低溫度上升為正常的發(fā)動機(jī)運(yùn)行溫度的階段。該階段是汽車發(fā)動機(jī)零部件磨損最嚴(yán)重的階段，縮短暖機(jī)時間成為發(fā)動機(jī)冷卻技術(shù)的關(guān)鍵。行駛階段為汽車發(fā)動機(jī)正常工作階段，在該階段，發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)處于穩(wěn)定循環(huán)狀態(tài)，因此不做為主要研究對象。后冷卻階段指發(fā)動機(jī)停機(jī)后，由于發(fā)動機(jī)自身的特點，需要冷卻系統(tǒng)持續(xù)為其冷卻，避免因局部過熱造成發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性降低。通常的解決辦法是利用電子風(fēng)扇持續(xù)為發(fā)動機(jī)降溫。汽車發(fā)動機(jī)智能冷卻系統(tǒng)控制策略如圖1所示。

汽車發(fā)動機(jī)智能冷卻系統(tǒng)控制策略所涵蓋的關(guān)鍵技術(shù)包括電子節(jié)溫器的模糊控制、電子風(fēng)扇與電子水泵的MAP+模糊控制等。

2.1電子節(jié)溫器的模糊控制

所謂模糊控制理論指的是通過構(gòu)建模糊集及模糊邏輯，建立隸屬函數(shù)間的相互關(guān)系，實現(xiàn)對目標(biāo)對象的控制。該理論主要解決不確定性特征的目標(biāo)對象的控制問題，模糊控制的原理如圖2所示。

模糊控制的工作步驟如下：

1）根據(jù)部件輸入?yún)?shù)確定目標(biāo)值，通過A/D轉(zhuǎn)換器將采集的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將目標(biāo)值與轉(zhuǎn)換后的值相減，從而得出系統(tǒng)誤差e;

2）通過微分計算系統(tǒng)誤差的變化率de/dt，通常采取一個周期的變化表示△e。

3）構(gòu)建隸屬函數(shù)，將誤差e和誤差變化率按照某種規(guī)律劃分為不同的模糊子集，得到模糊量E和△E;

4）根據(jù)實際的汽車發(fā)動機(jī)智能冷卻系統(tǒng)工作流程建立相關(guān)規(guī)則，通過行為模擬的方式完成目標(biāo)對象的控制;

5）對模糊量E和△E所屬區(qū)間進(jìn)行判斷，根據(jù)

4）所定義的模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，得出控制量U;

6）對模糊控制量U完成去模糊操作，得出精確的控制量u。

以發(fā)動機(jī)缸蓋出口處的冷卻液溫度與預(yù)測溫度差作為電子節(jié)溫器模糊控制器的輸入量，以上述步驟計算所得出的電子節(jié)溫器開度增量u作為輸出量，完成對冷卻系統(tǒng)大小循環(huán)流量的分配。在控制過程中，電子節(jié)溫器需遵循如下規(guī)則：

1）若冷卻液實際溫度超高（遠(yuǎn)大于目標(biāo)值），并且上升速率較高（處于暖機(jī)狀態(tài)），則較大幅度增加電子節(jié)溫器的開度;

2）若冷卻液實際溫度稍高（距離目標(biāo)值不大），并且上升速率較低（處于正常行駛狀態(tài)），則保持電子節(jié)溫器的開度基本不變;

3）若冷卻液實際溫度較低（遠(yuǎn)小于目標(biāo)值），并且下降速率較高（處于后冷卻控制狀態(tài)），則較小幅度減小電子節(jié)溫器的開度。

2.2電子風(fēng)扇與電子水泵聯(lián)合的MAP+模糊控制

當(dāng)汽車發(fā)動機(jī)處于暖機(jī)或正常行駛狀態(tài)時，電子風(fēng)扇與電子水泵即進(jìn)入工作狀態(tài)，該時刻執(zhí)行MAP+模糊控制的聯(lián)合控制模式，控制流程如圖3所示。

在聯(lián)合控制過程中，融合了MAP模糊查詢以及模糊控制等2種控制策略，通過動態(tài)的匹配方式尋求電子風(fēng)扇及電子水泵的最優(yōu)組合解，并以各自的最優(yōu)解作為模糊控制策略的輸入進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，完成對目標(biāo)對象的控制。

3仿真實驗

仿真實驗是通過仿真手段對不同的控制技術(shù)進(jìn)行性能分析，主要包括起動暖機(jī)階段和后冷卻階段對智能控制策略進(jìn)行模擬，并與傳統(tǒng)的蠟式冷卻模式進(jìn)行對比，也就是將采用電子節(jié)溫器和電子水泵的智能冷卻模式與采用傳統(tǒng)蠟式節(jié)溫器和機(jī)械水泵的傳統(tǒng)冷卻模式進(jìn)行對比。實驗條件如表1所示。

利用表1所示的實驗參數(shù)進(jìn)行智能控制策略的模擬，并在汽車行駛的不同階段，將智能冷卻系統(tǒng)控制模式與傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)控制模式進(jìn)行對比，按照汽車發(fā)動機(jī)不同階段的運(yùn)行情況對發(fā)動機(jī)進(jìn)口、出口的冷卻液溫度進(jìn)行檢測，實驗結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，在起動暖機(jī)階段，智能冷卻系統(tǒng)溫度較高;在行駛階段，相比傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)，智能冷卻系統(tǒng)的溫度變化更為平穩(wěn)，表明智能冷卻系統(tǒng)能更穩(wěn)定地為發(fā)動機(jī)散熱提供支持，而傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)往往由于部件間的性能瓶頸，造成整體性能下降。

結(jié)語

本文介紹了汽車發(fā)動機(jī)智能冷卻系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，并對電子風(fēng)扇、電子水泵等的控制策略進(jìn)行了分析，對相關(guān)的模糊控制流程進(jìn)行了說明，通過仿真實驗證明了智能冷卻系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)降溫的穩(wěn)定性上比傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)好。

參考文獻(xiàn)：

[1] 余海洋，曹志良，劉紹波.汽車發(fā)動機(jī)電動冷卻風(fēng)扇智能控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子器件，2016，39（6）：1512-1515.

[2] 周常偉.客車發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇智能控制系統(tǒng)的研發(fā)[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2016.

[3] 唐黎標(biāo).汽車發(fā)動機(jī)中的智能化冷卻控制系統(tǒng)分析[J].輕型汽車技術(shù)，2016（z1）：54-55.

[4] 朱游兵.汽車發(fā)動機(jī)冷卻的控制技術(shù)探究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（4）：81.

[5] 楊春浩，劉瑞林，陳陸洋，等.車用發(fā)動機(jī)熱平衡研究進(jìn)展與展望[J].裝備環(huán)境工程，2017，14（10）：63-68.

[6] 董國貴，尹愛勇.基于汽車發(fā)動機(jī)電動冷卻風(fēng)扇智能控制的研究[J].時代汽車，2017（10）：75+77.

[7] 田光輝.車用發(fā)動機(jī)智能化冷卻控制系統(tǒng)的研究[J].四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2014，24（1）：163-165.

[8] 張欽國.工程車輛溫控獨立冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長春：吉林大學(xué)，2016.

[9] 武磊.發(fā)動機(jī)冷卻控制系統(tǒng)設(shè)計及節(jié)溫器診斷[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2017.

[10] 李儒男.乘用車智能冷卻系統(tǒng)控制策略研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2017.

（作者單位：安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司）

進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。所以關(guān)于汽車發(fā)動機(jī)智能化冷卻控制系統(tǒng)的研究，我們勢在必行。

1發(fā)動機(jī)冷卻控制系統(tǒng)的構(gòu)成

汽車發(fā)動機(jī)在正常工作狀態(tài)下，燃料燃燒產(chǎn)生的氣體溫度高達(dá)2000℃，直接接觸高溫氣體的汽車部件，如氣門、活塞以及汽缸壁和汽缸蓋等，溫度也會增高，為了保證其不至于膨脹變形而影響到正常的工作，必須對其進(jìn)行冷卻，即采用冷卻控制系統(tǒng)，現(xiàn)代汽車?yán)鋮s系統(tǒng)以水冷卻為主，目前應(yīng)用的最普遍的是強(qiáng)制循環(huán)式冷卻系統(tǒng)，具備可靠、強(qiáng)度易調(diào)節(jié)、效率高等優(yōu)點。發(fā)動機(jī)冷卻控制系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)分為水泵、風(fēng)扇、散熱器和節(jié)溫器四部分，此外還包括水套、百葉窗、分水管等，在工作狀態(tài)下，水泵會吸入散熱器中的水，加壓后經(jīng)分水管流入氣缸水套中，冷卻氣缸后，形成的冷卻水會進(jìn)入到汽缸蓋水套中，將汽缸蓋中的熱量帶走，最后再返回散熱器。

2汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)智能控制技術(shù)

汽車發(fā)動機(jī)的工作主要包括3個階段：起動暖機(jī)階段、行駛階段以及后冷卻階段。起動暖機(jī)階段指在汽車發(fā)動機(jī)起動后，發(fā)動機(jī)機(jī)內(nèi)冷卻液由較低溫度上升為正常的發(fā)動機(jī)運(yùn)行溫度的階段。該階段是汽車發(fā)動機(jī)零部件磨損最嚴(yán)重的階段，縮短暖機(jī)時間成為發(fā)動機(jī)冷卻技術(shù)的關(guān)鍵。行駛階段為汽車發(fā)動機(jī)正常工作階段，在該階段，發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)處于穩(wěn)定循環(huán)狀態(tài)，因此不做為主要研究對象。后冷卻階段指發(fā)動機(jī)停機(jī)后，由于發(fā)動機(jī)自身的特點，需要冷卻系統(tǒng)持續(xù)為其冷卻，避免因局部過熱造成發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性降低。通常的解決辦法是利用電子風(fēng)扇持續(xù)為發(fā)動機(jī)降溫。汽車發(fā)動機(jī)智能冷卻系統(tǒng)控制策略如圖1所示。

汽車發(fā)動機(jī)智能冷卻系統(tǒng)控制策略所涵蓋的關(guān)鍵技術(shù)包括電子節(jié)溫器的模糊控制、電子風(fēng)扇與電子水泵的MAP+模糊控制等。

2.1電子節(jié)溫器的模糊控制

所謂模糊控制理論指的是通過構(gòu)建模糊集及模糊邏輯，建立隸屬函數(shù)間的相互關(guān)系，實現(xiàn)對目標(biāo)對象的控制。該理論主要解決不確定性特征的目標(biāo)對象的控制問題，模糊控制的原理如圖2所示。

模糊控制的工作步驟如下：

1）根據(jù)部件輸入?yún)?shù)確定目標(biāo)值，通過A/D轉(zhuǎn)換器將采集的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將目標(biāo)值與轉(zhuǎn)換后的值相減，從而得出系統(tǒng)誤差e;

2）通過微分計算系統(tǒng)誤差的變化率de/dt，通常采取一個周期的變化表示△e。

3）構(gòu)建隸屬函數(shù)，將誤差e和誤差變化率按照某種規(guī)律劃分為不同的模糊子集，得到模糊量E和△E;

4）根據(jù)實際的汽車發(fā)動機(jī)智能冷卻系統(tǒng)工作流程建立相關(guān)規(guī)則，通過行為模擬的方式完成目標(biāo)對象的控制;

5）對模糊量E和△E所屬區(qū)間進(jìn)行判斷，根據(jù)

4）所定義的模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，得出控制量U;

6）對模糊控制量U完成去模糊操作，得出精確的控制量u。

以發(fā)動機(jī)缸蓋出口處的冷卻液溫度與預(yù)測溫度差作為電子節(jié)溫器模糊控制器的輸入量，以上述步驟計算所得出的電子節(jié)溫器開度增量u作為輸出量，完成對冷卻系統(tǒng)大小循環(huán)流量的分配。在控制過程中，電子節(jié)溫器需遵循如下規(guī)則：

1）若冷卻液實際溫度超高（遠(yuǎn)大于目標(biāo)值），并且上升速率較高（處于暖機(jī)狀態(tài)），則較大幅度增加電子節(jié)溫器的開度;

2）若冷卻液實際溫度稍高（距離目標(biāo)值不大），并且上升速率較低（處于正常行駛狀態(tài)），則保持電子節(jié)溫器的開度基本不變;

3）若冷卻液實際溫度較低（遠(yuǎn)小于目標(biāo)值），并且下降速率較高（處于后冷卻控制狀態(tài)），則較小幅度減小電子節(jié)溫器的開度。

2.2電子風(fēng)扇與電子水泵聯(lián)合的MAP+模糊控制

當(dāng)汽車發(fā)動機(jī)處于暖機(jī)或正常行駛狀態(tài)時，電子風(fēng)扇與電子水泵即進(jìn)入工作狀態(tài)，該時刻執(zhí)行MAP+模糊控制的聯(lián)合控制模式，控制流程如圖3所示。

在聯(lián)合控制過程中，融合了MAP模糊查詢以及模糊控制等2種控制策略，通過動態(tài)的匹配方式尋求電子風(fēng)扇及電子水泵的最優(yōu)組合解，并以各自的最優(yōu)解作為模糊控制策略的輸入進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，完成對目標(biāo)對象的控制。

3仿真實驗

仿真實驗是通過仿真手段對不同的控制技術(shù)進(jìn)行性能分析，主要包括起動暖機(jī)階段和后冷卻階段對智能控制策略進(jìn)行模擬，并與傳統(tǒng)的蠟式冷卻模式進(jìn)行對比，也就是將采用電子節(jié)溫器和電子水泵的智能冷卻模式與采用傳統(tǒng)蠟式節(jié)溫器和機(jī)械水泵的傳統(tǒng)冷卻模式進(jìn)行對比。實驗條件如表1所示。

利用表1所示的實驗參數(shù)進(jìn)行智能控制策略的模擬，并在汽車行駛的不同階段，將智能冷卻系統(tǒng)控制模式與傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)控制模式進(jìn)行對比，按照汽車發(fā)動機(jī)不同階段的運(yùn)行情況對發(fā)動機(jī)進(jìn)口、出口的冷卻液溫度進(jìn)行檢測，實驗結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，在起動暖機(jī)階段，智能冷卻系統(tǒng)溫度較高;在行駛階段，相比傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)，智能冷卻系統(tǒng)的溫度變化更為平穩(wěn)，表明智能冷卻系統(tǒng)能更穩(wěn)定地為發(fā)動機(jī)散熱提供支持，而傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)往往由于部件間的性能瓶頸，造成整體性能下降。

結(jié)語

本文介紹了汽車發(fā)動機(jī)智能冷卻系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，并對電子風(fēng)扇、電子水泵等的控制策略進(jìn)行了分析，對相關(guān)的模糊控制流程進(jìn)行了說明，通過仿真實驗證明了智能冷卻系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)降溫的穩(wěn)定性上比傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)好。

參考文獻(xiàn)：

[1] 余海洋，曹志良，劉紹波.汽車發(fā)動機(jī)電動冷卻風(fēng)扇智能控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子器件，2016，39（6）：1512-1515.

[2] 周常偉.客車發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇智能控制系統(tǒng)的研發(fā)[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2016.

[3] 唐黎標(biāo).汽車發(fā)動機(jī)中的智能化冷卻控制系統(tǒng)分析[J].輕型汽車技術(shù)，2016（z1）：54-55.

[4] 朱游兵.汽車發(fā)動機(jī)冷卻的控制技術(shù)探究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（4）：81.

[5] 楊春浩，劉瑞林，陳陸洋，等.車用發(fā)動機(jī)熱平衡研究進(jìn)展與展望[J].裝備環(huán)境工程，2017，14（10）：63-68.

[6] 董國貴，尹愛勇.基于汽車發(fā)動機(jī)電動冷卻風(fēng)扇智能控制的研究[J].時代汽車，2017（10）：75+77.

[7] 田光輝.車用發(fā)動機(jī)智能化冷卻控制系統(tǒng)的研究[J].四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2014，24（1）：163-165.

[8] 張欽國.工程車輛溫控獨立冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長春：吉林大學(xué)，2016.

[9] 武磊.發(fā)動機(jī)冷卻控制系統(tǒng)設(shè)計及節(jié)溫器診斷[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2017.

[10] 李儒男.乘用車智能冷卻系統(tǒng)控制策略研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2017.

（作者單位：安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司）