（载运工具运用工程专业论文）发动机温度精确控制的研究.pdf

摘要 本课题是关于发动机温度精确控制的研究。对4 9 1 q 型电控单点喷射汽油机冷却系统 进行改造，将原硅油风扇与水泵脱离，采用1 2 v 直流电机分别对水泵和冷却风扇进行p w m 调速；将自行设计的可控节温器取代原冷却系统中蜡式节温器；并在散热器出水口处安装 温度传感器。将发动机出水口温度信号、散热器出水口温度信号、发动机转速信号及迸气 压力信号经调理，送入n i 测控系统中的d a q 数据采集卡，根据采集过来的电压信号进行 标定、滤波等处理，作为温度控制程序的输入量。考虑到发动机冷却系统的数学模型难以 准确表达，故发动机温度精确控制采用模糊控制的思想，并在l a b v i e w 中实现。控制的输 出对象分别为水泵电机、冷却风扇电机及可控节温器。发动机温度测控系统是根据经验的 模糊控制系统，是多输入多输出的系统，控制的目标是将发动机温度( 指发动机出水口处 的温度) 控制在所设定值的小范围内( 1 ) 波动。 本课题的主要研究内容是设计出上述的温度控制系统，并在此基础上，利用发动机电 涡流测功仪、油耗仪及尾气检测仪等设备，通过各种不同的工况，寻找出当前工况下基于 经济性、动力性或排放性的最佳温度点。通过实验，本论文中所设计的模糊控制程序基本 满足预期的控制的目标。通过对功率、油耗率及排放数据的分析，也找出了对应工况下基 于经济性、动力性的最佳温度点。 关键词：发动机温度控制；电控冷却系统；l a b v i e w ；最佳温度 a b s t r a c t t h i si sad i s q u i s i t i o no nt h es t u d yo ft h ee n g i n et e m p e r a t u r ep r e c i s e l yc o n t r 0 1 w e r e c o n s t r u c t e d t h ec o o l i n gs y s t e mo f4 9 1 qe n g i n ew h i c hi sas i n g l ep o i n ti n j e c t i o ne n g i n e ，a n d d i s m i s s e dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ew a t e rp u m pa n dt h ec o o l i n gf a nc l u t c h ；t h e r ea r et w o1 2 v d cm o t o r sd r i v i n gt h ew a t e rp u m pa n dc o o l i n gf a na n dc o n t r o l l i n gt h er o t a t es p e e db yp w m m e t h o d ；t h e r ei sa l s oac o n t r o l l a b l et h e r m o s t a tt h a ti sd e s i g n e db ym y s e l fr e p l a c e dt h ep r i m a r y p a r a f f i n et h e r m o s t a ta n dat e m p e r a t u r es e n s o rw h i c h i si n s t a l l e da tt h ep l a c eo f r a d i a t o r so u t p u t w a t e rp i p e t h et e m p e r a t u r eo fe n g i n eo u t p u tw a t e rs i g n a l 、t h et e m p e r a t u r eo fe n g i n ei n p u t w a t e rs i g n a l 、t h ee n g i n es p e e ds i g n a la n dt h ep r e s s u r eo f m a n i f o l ds i g n a lw e r es e n dt ot h ed a q b o a r di nn im e a s u r e m e n ta n dc o m m ls y s t e ma f t e rp r o c e s s e d t h o s es i g n a l sw e r ea c q u i r e da n d c a l i b r a t e da st h ei n p u tp a r a m e t e ro ft h ec o n t r o l l e r s i n c et h ep r e c i s em a t h e m a t i cm o d e lo f e n g i n ec o o l i n gs y s t e mi sn o te s t a b l i s h e de a s i l y , iu s e dt h em z z yc o n t r o lc o n c e p ta n dr e a l i z e d c o n t r o li nt h el a b v i e w t h ec o n t r o l l e do b j e c t sa r et h ew a t e rp u m pm o t o r 、c o o l i n gf a nm o t o r a n dt h ec o n t r o l l a b l et h e r m o s t a t s t h ee n g i n et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mi sa m u l t i - i n p u ta n dm u l t i - o u t p u ts y s t e m ，t h ec o n t r o l l i n gt a r g e tk e e p st h es e t t i n gt e m p e r a t u r e v a l u e ( e n g i n eo u t p u lw a t e rt e m p e r a t u r e ) i nt h es m a l ls c o p eo f t h ee r r o r ( 士1 ) t h em a i nc o n t e n to fm ys t u d yi se n g i n ec o o l i n gc o n t r o ls y s t e mt h a ti si n t r o d u c e da h e a d b a s e do nt h i s , u s i n ge d d yc u r r e n td y n a m o m e t e r 、f u e lc o n s u m p t i o ni n s t r u m e n ta n de x h a u s t a n a l y s i se q u i p m e n t ，u n d e rt h ed i f f e r e n tl o a d - e o n d i t i o n s ，t r yt of i n dt h eo p t i m a lt e m p e r a t u r e p o i n ti nt h ec u r r e n tc o n d i t i o nd e p e n d i n go nt h ep o w e r 、e c o n o m i cp e r f o r m a n c ei n d e xt h o u g ht h e a n a l y s i so f c o r r e l a t i v ed a t a k e y w o r d ：c o n t r o lo fe n g i n et e m p e r a t u r e ；e l e c t r o n i cc o n t r o lf o re n g i n ec o o l i n gs y s t e m l a b v i e w ；0 p t i m a lt e m p e r a t u r eo f e n g i n e 本学位论文知识产权声明 本学位论文是在导师( 指导小组) 的指导下，由本人独立完成。 文中所引用他人的研究成果均已注明出处。对本论文研究有所帮助的 人士在致谢中均已说明。 基于本学位论文研究所获得的研究成果的知识产权属于南京林 业大学。对本学位论文，南京林业大学有权进行交流、公开和使用。 研究生签名：勿编 导师签名：巧崴榴 日期：w 司- i 致谢 本学位论文是在万茂松副教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。在 课题的研究方向的确立、研究工作的进行和论文的撰写过程中，无不浸 透了导师的心血。万导师的渊博的学识、虚怀若谷、严谨治学作风、富 有远见的学术思想、锐意创新的科研精神和平易近人的师长风范，无不 使作者备受启迪，受益匪浅，终身难忘。从万老师那里，我不仅学到了 许多专业的知识和科学研究的方法，还学到对待科学的执著追求的态度 和严谨求实的精神。万老师将我带进汽车电子控制的世界，这对我在这 一领域继续深造得到良好的开端。在此，谨向我尊敬的导师万茂松副教 授表示最衷心的感谢，并致以崇高的敬意! 在作者攻读硕士期间，得到了汽车与交通运输教研室闵永军教授、 左付山、解梅等多位老师的帮助，同时还得到我的同学们的鼎力支持， 在此一并表示真挚的谢意! 感谢南京林业大学对我的培养，祝愿母校明日更加辉煌! 作者：纪光霁 二o o 七年四月二十日 第一章绪论 1 1 课题研究目的及意义 冷却系统是发动机的重要组成部分，主要由水泵、风扇、节温器、散热器、水套和水 管等零部件组成。其作用是通过调节冷却系统的冷却强度使发动机工作在较适宜的温度范 围内。有资料表明，发动机工作温度影响发动机的经济性、动力性、排放性和可靠性。 ( 1 ) 、温度过高对发动机的影响 高温容易使发动机零部件发生膨胀变形，破坏原来的配合关系，从而加剧了零部件的 机械磨损。以气门气门座运动副为例，在刘兢生等人的研究下，得出如下结论：气门材 料在高温下的热硬度与屈服极限随温度的升高而下降。同时高温将使材料的蠕变量增加。 由于余属蠕变的累积，使金属零部件发生过量的塑性变形，或者蠕变进入到了加速发展阶 段，发生蠕变破裂，均会使零部件失效损坏而不能使用。气门在交变载荷的作用下，会使 蠕变滑动过程加快，加剧了气门的磨损【lj 。 高温易将热量传导给润滑油，使之温度上升。润滑油温度高，分子间距离远，引力较 小，固体烃充分熔解，粘度值降低，流动性增加，发动机各运动件配合间隙的泄油量加大， 使膜性变薄，成膜性变差。尤其是工作温度高、条件苛刻的气缸壁、活塞环，靠激溅不能 形成良好的润滑油膜，使磨损量剧增。高温润滑油分子运动能量大，当温度大于1 0 0 。c 时， 化学变化速率加快，随着温度的升高，氧化生成的胶质物、油泥逐渐增多，对润滑油的老 化变质起着强烈的促进作用，发动机各摩擦副的润滑功能降低、质量下降、换油问隔缩短、 增加了机油的消耗量、经济性变差【4 】。当温度超过正常工作温度时，润滑油不能将气缸、 活塞、曲轴等摩擦表面上的热量载入并传导到其他温度较低的零部件上，其中大部分热量 不能传导给与冷却水接触的气缸壁上，并经冷却水循环冷却，另有部分热量不能回流到曲 轴箱内消散使运动件特别是曲轴轴承温度过高，导致低熔点的锡铝合金、铅铜合会等轴承 合金熔化析出，轴承合金的承载面减小，轴承磨损加剧，温度急剧增高，甚至使轴承与轴 颈熔结而抱轴，造成严重的机械性事故损害1 2 j 。 在炎热的夏季，散热器周围的大气温度较高，与冷却水的温差较小，导致散热效果不 好，容易使发动机温度过高。所带来的影响有：( a ) 、发动机充气效率下降。气温的升高， 使空气密度减小，导致发动机实际进气量减少，从而使发动机功率下降。同时发动机充气 效率的下降使混合气浓度增大，对排放不利。( b ) 、发动机燃烧不正常。由于高温使发动 机处于过热状态，燃烧室内末端混合气接受的热量多，加剧焰前反应，易产生爆燃。另外 过热的发动机易使积存于活塞顶部、气缸壁、气门顶部及火花塞上的积炭形成炽热点，使 混合气早燃。这种不正常的燃烧加剧了发动机的过热状况，形成恶性循环。气缸体及气缸 盖易产生热变形甚至裂纹。( c ) 、供油系统易产生气阻。发动机过热易使供油系统升温， 产生气阻现象。供油系统受热后，部分燃油蒸发成气体状态，存在于油管及汽油泵中，由 于气体的可压缩性，存在于汽油泵出油管的油蒸气随汽油泵的脉动压力不断地被压缩和膨 胀，造成供油不足甚至中断p 】。 ( 2 ) 、温度过低对发动机的影响 温度过低易使机油粘度增大，导致发动机气缸壁的磨粒磨损，这是发动机气缸壁的主 要磨损形式。当燃烧后的产物在汽缸壁遇冷后，其中的c o ：与h ：o 将合成酸性物质，与汽 缸壁作用产生腐蚀物，如f e 。o ，等，在下一次的启动过程中，将会产生磨粒磨损。有实验 证明：发动机在冷却水温度为5 0 一6 0 运行时，其磨损量是冷却水温度为8 0 一9 0 时的4 6 倍垆j 【6 j 。因此当发动机在低温条件下运行时，应保持冷却水温度在7 0 以上，以便气缸壁温 度高于酸性燃烧产物的露点，减少因腐蚀而造成的磨粒磨损的程度，此外，也能避免因温度 过低而引起的润滑油劣化而造成的粘着磨损以及磨粒磨损【引。 为了控制同益加剧的空气污染，世界各国都在制订严格的汽车排放法规。这在某种程 度上促进了发动机排放控制技术的发展。采用无铅汽油及电控系统，再配合三元催化转换 装置( t w c ) 技术，可以很好地减少有害排放量，但往往还不能满足更高排放要求。主要 是由于在低温条件下运行，发动机各部分温度较低，燃油雾化效果不佳，燃烧不充分，导 致c 0 、h c 的大量产生。以h c 为例，装有t w c 的汽油发动机，8 0 一9 0 的h c 集中在低温条 件下运行时的1 - 2 分钟内1 7 】 9 1 1 0 】。低温时h c 产生的可能原因有：( a ) 、失火( m i s f i r e ) ， 即点火失败。是h c 升高的主要原因。s o l i m a n 实验表明失火率由o 增至1 2 5 ，h c 就变 为原来的1 5 倍。低温条件下运行时，气缸壁温度较低，水蒸汽容易发生凝结，润湿火花 塞的几率就比较大，造成失火率的增大。在暖机状态下，失火一般不会发生。因此实现快 速暖机可以减少h c 排放在低温下的产生。( b ) 、由于低温，燃料雾化效果不好，实际形成 可燃混合气的燃料较少，导致燃烧不完全。( c ) 、湿壁现象。t a k e d a 采用特殊方法研究了 点燃式发动机进气道湿壁现象。实验测量了每循环稳定燃烧所需的燃料量，结果表明首循 环燃料需要量多于其他任何循环，约为第4 循环的4 倍。首循环喷入的燃料7 5 仍然留在 进气道和缸内，并参加以后的循环，实际首循环燃烧的燃料不到总量的2 0 。液体燃料造成 的湿壁现象对于h c 排放的影响，在暖机条件下占总量的2 0 。冷起动时壁面温度较低，最 初几个循环中液体不能充分蒸发，大量燃料液体流进缸内，湿壁现象更为突出。相对于进气 道喷射，目前发动机领域研究热点之一的缸内直喷技术( g d i ) 可以很好地避免燃油湿壁的 影响。此外，使用c n g 和l p g 等气体代用燃料，也可以避免液体燃料的湿壁现象。( d ) 、油 膜吸收和释放的h c 。润滑油膜在压缩冲程时吸收燃料组分并在膨胀冲程时放出，最终形成 h c 排放，其吸收和释放都遵守亨利定律。实验研究也证实了冷起动时油膜吸收和释放的影 响增强【引 4 5 1 。 低温时，由于机油的粘度变大，流动性差，导致发动机在低温运行阶段，发动机内各 组件间摩擦加剧，从而机械损失变大1 3 引。 ( 3 ) 、传统冷却系的水温调节方式 为了保证发动机在任何工况下都能在正常的温度下工作，就要对冷却水的温度进行控 制。节温器是调节冷却系统温度的重要元件。节温器的丌度大小直接影响进入水套的冷水 量，从而对发动机温度起到调节作用。根据节温器在冷却系统中的安装位置，可分为出口 水温和进口水温的两种控制方式。图1 1 为传统的水温控制方式示意图。 欺 热 器 散 轨 器 ( a ) 气缸盏 ( b ) 图i - 1c a ) 出口水温控制方式示意图( b ) 进口水温控制方式示意图 出口水温控制方式是把节温器安装在气缸盖出水管路中，根据发动机出水温度进行调 节。其优点是结构简单，易于排气泡。缺点是出水口面积不稳定，节温器工作时会出现“振 荡现象”而使发动机温度波动较大，汽车燃油消耗量增加【5 们。所谓的振荡是指节温器的 频繁开启与关闭的现象，其原因是当发动机冷启动后，由于节温器还没有打开，冷却水进 入小循环状态。当发动机水套内的温度升至足以将节温器顶开后，散热器中的冷水进入发 动机水套中导致水套中冷却水温度迅速下降，节温器开始关闭。随后在这两种状态下循环 切换直至所有冷却水温都稳定下来，节温器才处于一种稳定的开度蟑。 进口水温控制方式是指把节温器安装在气缸体进水管路中，其优点是容易控制冷却水 温度，可大幅度减少节温器振荡的现象。缺点是在添加冷却水时不宜于排气泡。 ( 4 ) 、传统冷却系统的弊端 传统冷却系统是指水泵直接由发动机通过皮带驱动的冷却系统，水泵的转速随发动机 转速的升高而增加。在部分负荷工况下，过大的散热能力而导致发动机功率的浪费。传统 冷却系统存在下列四种弊端：( a ) 、发动机低速大负荷运行时，传统的冷却系统不能满足 发动机较大的散热需求：( b ) 、发动机高速中小负荷运行及汽车高速行驶时，迎面的风量 足以起到散热的作用而无需风扇工作，水泵也没必要具有很高的转速，此时传统的冷却系 统将导致发动机功率的浪费；( c ) 、发动机低温运行时间长短对发动机动力、经济、使用 寿命和排放有着较大的影响，使发动机冷却水温度迅速升至理想的工作温度，对提高发动 机性能及延长使用寿命将起到积极的作用。由于传统冷却系统中水泵与发动机的祸合以及 安装了丌度只随温度而变化的节温器，导致在发动机低温运行过程中，水泵仍然以比发动 机转速还高的转速运转，使得发动机低温运行时问长；( d ) 、热机停车时易“开锅”。特别 是老式发动机，风扇与水泵同轴。当发动机温度快要达到冷却水沸点时，发动机突然“熄 火”，此时水泵与风扇都停止运转，发动机没有得到良好的冷却而导致“丌锅”。在有些发 动机冷却系统中，散热器风扇采用直流电机驱动，当发动机在热机状态下停车时，风扇仍 在运转，此时利用发动机冷却水的对流传热方式进行冷却，由于水泵没有运转，冷却效果 并不是十分理想。 因此，传统冷却系统是一种被动的、结构简单的冷却系统，并不能根据发动机的负荷 与转速主动地提供发动机所需的冷却强度。现在的发动机冷却系统设计标准是根据发动机 满负荷运行时的散热问题而确定的。而与传统冷却系统相对的则是电控冷却系统，是一种 低功耗、智能控制系统，可以有效地避免上述的几种弊端，是未来发动机冷却系的发展方 向。 1 2 课题研究的主要内容 1 2 1 主要内容 本研究以4 9 1 q 发动机为实验样机，该款发动机冷却系统为传统冷却系统：水泵通过 皮带与曲轴相连，风扇采用硅浊离合式，节温器为蜡式节温器。本研究将水泵与蓝轴脱离， 采用1 2 v 直流电机单独驱动水泵，冷却风扇亦采用直流电机驱动，节温器采用电控节温 器，并利用n i 计算机测控平台搭建实验系统。研究内容有：( 1 ) 、发动机的快速暖机控 制策略，即：水泵和风扇在什么工作状态下使发动机温度迅速升高至正常工作温度。( 2 ) 、 研究发动机温度的精确控制策略，实现冷却水温的“精确”控制，即：无论发动机工作在 什么工况下，根据负荷及当前水温等参数的大小，考虑温度的滞后性，判断出发动机温度 的变化趋势，提前实现对水泵的转速、风扇的转速和节温器的开度进行控制，使发动机温 度波动较小，基本控制在所设定的温度值的4 - 1 。c 变化范围内；( 3 ) 、发动机的“后冷却”。 发动机“后冷却”是指当发动机在过热状态下停机时，使冷却系统继续工作，使发动机不 出现“开锅”现象；( 4 ) 、研究基于动力性、经济性的发动机最佳工作温度。本论文中所 提到的发动机温度是指发动机的出水温度。 1 2 2 课题创新点 课题创新点主要体现在两个方面：一方面体现在对原4 9 1 q 发动机冷却系统的改造上。 采用了直流电机驱动水泵，并对其进行p w m 调速控制；取消了原石蜡式节温器，采用了 可控节温器；对风扇电机进行p w m 调速控制。另一方面是指在发动机温度控制策略上， 通过对风扇的转速、水泵的转速及节温器开度的控制，实现温度的精确控制。 4 第二章发动机冷却系统组成及发展 2 1 发动机冷却系统的组成 发动机冷却系统的组成见图2 - i 所示； 卜冷却水2 一水泵3 一发动机机体4 - 暖风水管5 一膨胀水箱 6 - 冷却风向7 - 散热器盖8 - 风扇电机9 一散热器 圈2 - 1发动机冷却系统组成圈 目前汽车绝大部分采用水冷式发动机。水冷式发动机冷却系统( 以下简称发动机冷却 系统) 的作用是为了防止发动机本身热而引起过热现象，通过调节冷却强度将发动机保持 在适当的工作温度范围内。在汽车实现小型化和发动机高性能化的过程中出现了散热器冷 却风入口面积减小，由此产生了熟负荷增加以及为力求合理布置而带来的发动机舱容积减 少等问题，直接影响发动机冷却，这就对冷却系统的性能提出了更高的要求。 冷却系统的主要组成部分有散热器、冷却风扇、节温器、水泵、水套及水管等。 ( 1 ) ，散热器 散热器的功用是增大散热面积，加速水的冷却。冷却水经过散热器后，其温度可降低 1 0 1 5 c ，为了将散热器传出的热量尽快带走，在散热器后面装有风扇，与散热器配合工 作。散热器外观图2 - 2 如下。 幽2 - 2 散热器及冷却风扇 散热器上水室顶部有加水口，冷却水由此注入整个冷却系并用散热器盖盖住。在上水 室和下水室分别装有进水管和出水管。在散热器下面一般装有减震垫，防止散热器受振动 损坏。在散热器下水室的出水管上还有放水开关，必要时可将散热器内的冷却水放掉。散 热器芯由许多冷却管和散热片组成，对于散热器芯应该有尽可能大的散热面积，采用散热 片是为了增加散热器芯的散热面积。散热器芯的构造形式有多样，常用的有管片式和管带 式两种。散热器的要求是，必须有足够的散热面积，而且所有材料导热性能好。因此，散 热器一般用铜或铝制成。 散热器的种类可根据冷却水流动的流向不同而分上下流动的竖流式和左右流动的横 流式。竖流式散热器设置有上下水箱，冷却水上下流动。因垂直度要求较高，所以不太适 合发动机机舱较低的汽车。横流式散热器左右设置有水箱，冷却水左右横向流动。 冷却系统内一般有高于一个大气压的压力j 通过密封来增加系统内的压力，可以提高 冷却水的沸点，同时也避免了冷却水的蒸发。在这样一个密封循环的冷却系统中，散热器 盖是起到了控制系统压力的零部件。散热器盖工作原理如图2 - 3 所示。 幽2 - 3 散热器盖工作原理图 发动机工作时，当系统内的压力和冷却水温度上升到一定程度时，压力阀打丌，冷却 水通过虹吸管，一部分以蒸汽的状态回到储液箱；发动机停止后，系统内的压力和冷却水 温度逐渐下降，这时打开通气阀，储液箱与大气相通使系统压力与大气压力相等，以防止 散热器凹瘪变形。 ( 2 ) 、冷却风扇 冷却风扇是散热器散热部位的通风装置。除了高速行驶或低温的情况外，一般都必须 利用冷却风扇来给散热器的散热部件通风。现在逐渐开始使用可以控制转速的冷却风扇。 对冷却风扇要求的提高，源于现代汽车追求低躁音和高性能所带来的热负荷的增加等。 在传统冷却系统中，散热器风扇的驱动有四种形式：( a ) 、风扇直接由发动机通过皮 带；( b ) 、通过流体式离合器( 如硅油离合器) 与发动机相连。这种风扇的驱动形式将风 扇转速的大小有条件地与发动机转速解祸；( c ) 、液压驱动型风扇，该风扇具有运转噪音 低的特点；( d ) 、电动风扇( 见图2 2 所示) 。电动风扇目前常见的有单速电机与双速电机 驱动型。在桑塔纳2 0 0 0 g s i 车型中使用了双速电动风扇，该电机有三个接线头，组成两 种不同转速的接线形式。 由发动机直接驱动的风扇，是为了在低速时也能够保证充分的风量而设计的，所以在 高转速时容易旋转过快。另外，由于冷却风扇的旋转噪声( 尤其在高转速下) 非常大，所 以当高速行驶中不需要冷却风扇时，为了降低动力损耗和减少噪声，就出现了能够控制风 扇转速的流体式风扇连轴器，或流体式风扇离合器。这种机构的工作原理是在风扇的皮带 轮与叶轮之间安装了流体式离合器，其内部的流体大多为硅油。电子控制液压驱动式冷却 风扇是风力更大更安静的冷却风扇，液压控制式冷却系统见图2 - 4 所示。 冷却风扇控制e c u 图2 4 液压控制式冷却系统示意图 液压泵产生的油压可以通过计算机控制的控制阀来调节转速。冷却风扇控制计算机根 据冷却水温度、空调开关和发动机转速等传感器送来的信号来控制冷却风扇的转速。 电动风扇是依靠蓄电池的电力提供，与发动机的转速无关，所以动力损耗小，布局随 意，结构简单。可分为固定转速型和多级可变转速型。 ( 3 ) 、节温器 节温器装在冷却水循环的通路中，有两种安装位置：( a ) 、位于发动机出水处；( b ) 、 位于发动机进水处。根据水温的高低自动改变水的循环流动路线，以达到调节冷却系的冷 却强度。节温器有蜡式和乙醚皱纹筒式两种，目前绝大多数发动机采用蜡式节温器，如图 2 5 所示。 7 “ ( b ) c e ) ( a ) 外形( b ) 阀门关闭( c ) 阀门打开 i - 步h 壳2 弹簧3 支架4 反推杆5 橡胶套6 一阀门( 夫自j ) 7 - 彳i 蜡 8 - 阀j ( 打开) 9 一刮定凸缘1 0 一旁通口 图2 - 5 腊式节温器结构原理图 蜡式节温器在橡胶管和感应体之间的空间里装有石蜡，为提高导热性，石蜡中常掺有 铜粉或铝粉。反推杆4 上端固定在支架3 上，下端插于橡胶套5 中，橡胶套5 与外壳l 间充满石蜡7 。当冷却水温度低于8 0 时，石蜡呈固态，弹簧2 将阀门6 压在座上，阀门 6 关闭，冷却水由旁通口l o 流入空调散热器进水管而不流入散热器( 图2 5 b ) ，即进行小循 环，冷却系的冷却强度较小。而冷却水温度高于8 0 时，石蜡7 熔化为液态，其体积膨 胀，迫使橡胶套5 收缩，反推杆4 上端固定而不能上移，橡胶套5 便推动外壳1 克服弹簧 2 的弹力而向下移动，打开阀门8 ，大部分冷却水即可沿散热器进水管进入散热器，即进 行大循环，小部分冷却水仍进行小循环，冷却系的冷却强度较大。大小循环图如图2 - 6 所 示。 膨胀筒式节温器是由具有弹性的、折叠式的密闭圆筒( 用黄铜制成) ，内装有易于挥 发的乙醚。主阀门和侧阀门随膨胀筒上端一起上下移动。膨胀筒内液体的蒸气压力随着周 围温度的变化而变化，放圆筒高度也随温度而变化。 节温器 ( a ) 小循环示意圈 节温器 ( b ) 大循环示意圈 图2 - 6 大小循环示意图 ( 4 ) 、水泵 水泵的功用是对冷却水加压，加速冷却水的循环流 动，保证冷却可靠。车用发动机上多采用离心式水泵， 离心式水泵具有结构简单、尺寸小、排水量大、维修方 便等优点。结构如下图2 7 所示，图中箭头表示水流方 向。 离心式水泵主要由泵体、叶轮和水泵轴组成，叶轮 一般是径向或向后弯曲的，其数目一般为6 9 片。当 叶轮旋转时，水泵中的水被叶轮带动一起旋转， 在离心力作用下，水被甩向叶轮边缘，然后经外壳上图2 - 7 离心式水泵 与叶轮成切线方向的出水管压送到发动机水套内。与此同时，叶轮中心处的压力降低，散 热器中的水便经进水管被吸进叶轮中心部分。如此连续的作用，使冷却水在水路中不断地 循环。如果水泵因故停止工作时，冷却水仍然能从叶轮叶片之间流过，进行热流循环，不 致于很快产生过热。 2 2 发动机冷却系统的发展状况【1 2 l i j 3 】0 4 1 冷却系统是发动机的重要组成部分，其发展历程也与发动机的发展情况密切相关。 ( 1 ) 、发动机冷却系统向智能化的方向发展 最早的汽车电动冷却风扇出现在1 9 8 1 年3 月的美国专利文件中( 专利号u s 4 2 5 7 5 5 4 ) 。 该专利首先提出了用电动冷却风扇取代皮带驱动的冷却风扇，根据发动机温度和负荷情况 的不同，实现风扇的运转，避免了发动机驱动冷却风扇的功率损失，缩短了发动机的预热 时间，减少传热损失。然而，该项专利技术由于没有采用护风罩，降低了风机的容积效率， 同时引起风机总效率的降低，最终只能应用在热负荷比较小的轿车散热器上。 1 9 8 5 年，德国大众汽车公司在中国申请发明专利( 专利号c n 8 5 1 0 9 2 a ) 。该项专利 在汽车散热器前方设置空气吸入口和辅助通口，加快了散热器的冷却速度，减少了电动风 扇的电能消耗。但辅助风口从下向上吸入冷却空气，很容易将道路上的尘土、杂物吸入， 造成散热器脏污和堵塞，使散热器的散热效率降低。 9 1 9 8 9 年，美国发明专利( 专利号u s 4 8 7 5 5 2 1 ) 首次在载重汽车上采用电动单冷却风 扇，风扇布置在散热器中部，叶片直径较大，驱动功率也较大。1 9 9 2 年，美国发明专利 “机动车发动机的通风系统”( 专利号u s 5 2 6 9 2 6 4 ) ，将电动冷却风扇布置在散热器前方， 根据发动机温度的高低，冷热气阀可以交替开闭。 韩国现代汽车公司生产的奏鸣曲( s o n a t a ) 牌轿车，用两个相对独立而又相互联系 的电子控制的冷却风扇一散热器冷却风扇和冷凝器冷却风扇，对冷却水温度和空调冷凝器 温度进行多级联合控制。该系统可以根据冷却水温度和空调系统的工作状态，综合调节冷 却能力，减少了在低温时发动机的传热损失、功率损失和过度磨损，抑制了发动机过热的 发生，降低了燃油消耗率。冷却风扇由传统控制方式转化为智能控制方式，散热风扇的冷 却能力随着发动机散热的需要而自动精确地调节，提高了发动机的预热速度，使其始终保 持最佳工作温度，而且避免了能源的大量浪费，其中减少风扇功率消耗9 0 ，节省燃油1 0 。 1 9 9 4 年，台湾裕隆汽车公司申请专利( 专利号9 4 1 1 9 8 1 9 ) ，提出了在冷却系统中装 置可调转速电动水泵的设计。以反馈控制水泵冷却水流量，其主要是根据水温、节气门位 置、车速等的传感器所传给e c u 的信号，以反馈控制的方式，调整电动水泵的转速，使 得引擎水套中流动的冷却水流量能随着不同的负荷状况而作调整，保持发动机的正常温 度，以减少h c 污染的排放。但是至今没有出现其产品用于实际使用的发动机上。 1 9 9 9 年，法雷奥( v a l e o ) 公司提出了在发动机上配置名为t h e m i s ( 智能热调节系统) 的新型电子调节系统，来改善发动机的冷却性能。它实现了水泵和缸体的解耦，泵的流量 通过发动机的e c u 来进行控制，便于水泵的安装，而且远离缸体这一热源后，水泵可以 用塑料制成，既降低了成本，又减轻了水泵的重量，达到了水泵的转速随水温的变化而变 化，进一步降低传热损失和机械损失，降低了污染和油耗。 世界第二大汽车零部件制造商伟世通( v i s t e o n ) 提出了精确冷却系统的设计。用电机 驱动的水泵和精确开闭的电磁阀来取代传统的水泵和节温器。e c u 根据冷却水温控制风 扇转速、水泵转速及电磁阀的开度大小，实现了发动机温度的精确控制。避免了水温的过 高及过低给发动机带来的危害，并在一定程度上减少了排放。但是至今没有出现其产品用 于实际使用的发动机上。 ( 2 ) 、发动机冷却系统向高效低功耗的方向发展 发动机冷却系统效率的提高主要从两个方面来实现：其一，新材料的应用及零部件的 新结构设计；其二，部件的逻辑驱动方式。 传统冷却系统中，风扇和水泵的效率普遍不高，造成大量能源的浪费。为提高冷却风 扇的效率，用塑料翼形风扇取代圆弧型直叶片冷却风扇。从气体动力学的角度分析，翼形 风扇能够改善风扇流场，提高风扇的效率和静压，使风扇高效区变宽；另外，塑料表面的 光洁度较高。传统的冷却风扇由发动机驱动，装风扇的发动机与装有风罩的散热器必须分 别用弹性支座固定在车架上。为避免在汽车运行中因振动而引起风扇与风罩相碰，风扇叶 轮与风罩的径向间隙的设计数值大于2 0 r a m ，这必然大幅度降低风扇的容积效率。风扇的 总效率取决于容积效率、机械效率和液力效率的乘积，即t l 总= n 机r l 轳n 液“。传统 0 风扇叶片采用薄钢板冲压而成，其液力效率f l 液较低，又加上皮带传动存在打滑损失，其 机械效率r l 机也不高，从而导致传统冷却风扇的总效率只有3 0 左右。采用电控风扇后， 由电机直接驱动风扇，与原来的皮带传动相比，机械效率q 机提高了。电控冷却风扇完全 脱离发动机，与风罩、散热器安装为一体，保证了风扇与风罩的同心度，进一步减小了径 向间隙，导致风扇容积效率q 容大幅度提高；另外，采用翼形端面塑料和流线型风罩，使 风扇气流入口形成良好的流线型气流，可提高风扇的液力效率n 液，综合各项措施最终使 电动风扇的效率达到7 8 。 s t e p a n o f f 曾提出高效离心水泵和轴流水泵的设计理论，通过改变叶轮形状、提高表 面光洁皮，能使发动机冷却水泵的效率提高到7 5 。日本尼桑公司基于这一理论制造了 一种水泵，比目前广泛应用的水泵尺寸减小了1 5 。为了在获得水泵高效率的同时减小 水泵的结构尺寸，该公司又通过增加叶片数目、改进叶片曲线设计，使水泵最大效率达到 7 5 ，水泵尺寸得到缩减。 传统冷却系统冷却水的正常工作温度在8 0 9 0 c 之蝌1 2 l ，在此温度下工作的发动机 并未处于最佳工作状态，燃气混合均匀度还不够理想，往往引起燃烧不完全，易在气缸内 积碳，工作中废气黑烟浓度增加，废气中c o 、h c 和含量增大；另外，磨损也较大。由 于散热器密封不严，在标准大气压下，水的沸点只有1 0 0 ，温度无法提高。封闭式的冷 却水强制循环系统解决了这个问题，它采用压力盖以提高冷却水的沸点。压力盖密封良好， 使系统保持较高压力；并且压力阀和真空阀灵敏可靠，有适当的压差可以开启，使系统压 力维持在适当范围内，确保系统冷却性能稳定。 德国b e h r 公司的散热器专家彼得啊穆罗斯博士认为：当发动机在部分负荷运转时， 一旦冷却水温度达到1 0 0 1 1 0 ，燃烧室的进热和通过散热器的排热之间产生一种平衡， 为了保持温度不变，风扇此时可以停止工作。实验证明：把冷却水温度从8 9 3 提高到 1 0 0 可以使风扇与水泵共同所需的能量减少一半。同时燃烧室的高温可以降低c o 的排 放，但缺点是高温易产生n o x o l 。 德国大众公司开发了电子控制发动机冷却系统，最先试用于高尔夫轿车装备的a p f 型( 1 6 l ，7 4 k w ，4 缸，直列) 发动机上，该系统只对原发动机作较小的改动，使冷却 水温度的调节如大小循环控制、风扇转速控制能随发动机负荷的变化而变化，实现了风扇 的无级调速。同时安装了电控式节温器，其重要组成部分是温度调节单元，工作部件为 位于膨胀式节温单元中的加热电阻，具体结构图2 8 如下所示。e c u 根据电子控制冷却 系统的特性图发出脉冲信号作用于加热电阻，从而加热石蜡，使膨胀单元位移，控制大循 环的开度。当车辆停止或处于启动工况时，e c u 对温度调节单元无电压加载【i9 】。 图2 - 8温度调节单元 a p f 型发动机上的可控式冷却系统由传感器、执行器和电子控制单元e c u 组成。见下图 2 9 所示。 l 发动机转速传感器 = 今 发 刮温度调节单元 l 空气流量计 = o 动 机 二 i 散热风扇1温 i 罄嫠饕髅口p 曩 | 冷却液温度传感器目 鎏二 l 散热风扇2 兀 e c u i 温度选择电位计 ： 车爿 诊断接口 图2 - 9a p f 型发动机可控冷却系统组成框图 可控式冷却系统可以根据发动机工作状态自动调节冷却强度，降低发动机的功率损 耗。有资料表明，装有可控式冷却系统，可将冷却水温度设定点从9 0 c 提高至1 1 0 ，可 节省2 5 的燃油，可将冷却水温度保持在设定点的2 范围，暖机时间可减少到2 0 0 s 。 冷却系统工作范围更加贴近极限区域，可减少发动机冷却水温度与金属温度的波动范围， 减少循环热负荷所造成的金属疲劳，延长部件寿命i l “。 2 3 本章小结 本章主要介绍了发动机传统冷却系统的结构组成，并预测了发动机冷却系统朝智能化 和高效低功耗的可控式冷却系统方向发展。随着汽车电子化程度的提高，以及将来可能实 现4 2 v 车载电压的标准，发动机低功耗智能冷却系统必将成为现实。 1 2 第三章实验平台介绍 3 1n i 测控系统介绍 n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 是美国国家仪器有限公司的简称，已成立了3 0 年之久。目 前总部设在美国德克萨斯州的奥斯丁。现己成为基于计算机测试测量技术的先锋，同时也 是虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ，简称v i ) 的领导者。虚拟仪器对于测量及自动化而 言，无疑是一个革命性的概念。 3 1 1 虚拟仪器介绍 虚拟仪器的概念是为了适应p c 卡式仪器而提出的。传统的仪器主要包括三个部分： 数据采集与控制、数据分析和数据显示。而p c 卡式仪器由于自身不带仪器面板，因此必 须借助于p c 机作为其数据分析和显示的工具，利用p c 机强大的图形环境和在线帮助功 能，建立图形化虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析及显示。这种包含实际仪器 使用、操作信息的软件和p c 机相结合的仪器，称之为虚拟仪器m 】。 虚拟仪器的出现，是对传统仪器的一个突破。与传统仪器相比较，虚拟仪器具有以下 五大特点： ( 1 ) 、软件是虚拟仪器的核心。n i 公司曾提出一个口号：“软件就是仪器”。 ( 2 ) 、虚拟仪器缩短了仪器厂商与用户的距离。用户可根据自己的实际需求来自定义 仪器的功能。 ( 3 ) 、虚拟仪器具有良好的用户界面。用户可通过编程来组建自己喜爱的面板形式。 ( 4 ) 、虚拟仪器的硬件、软件都具有开发性、模块化、可重复使用及互换性等特点。 用户可根据需要灵活组合，大大提高了使用效率，减少了投资。 ( 5 ) 、虚拟仪器性价比高。一方面虚拟仪器能够同时对多个参数进行高效测量。同时， 由于信号的传送和数据处理几乎是靠数字信号或软件来实现，因此降低了环境干扰和系统 误差的影响。此外，用户还可以随时根据需要调整虚拟仪器的功能，这缩短了仪器在改变 测量对象的更新周期。另一方面，采用虚拟仪器可减少测试系统的硬件环节，从而降低了 系统的开发和维护成本。 虚拟仪器系统一般由硬件与软件组成。硬件部分是虚拟仪器工作的基础，它的主要任 务是完成信号的采集、传输和显示结果。信号传输总线一般有i s a 、p c i 、p x i 及u s b 等 总线。软件部分在虚拟仪器的地位非常重要，它肩负着对硬件进行控制，对数据进行分析 处理的重任。软件部分可分为三个层次：仪器底层驱动程序、用户应用程序和人机图形界 面。图3 1 为虚拟仪器的系统框图。 图3 - 1 虚拟仪器系统框图 3 1 2n i 测控硬件介绍 n i 测控硬件是指与本课题相关的n i 硬件，包括工控机、数据采集卡、显示器及键盘 等部分组成。 ( 1 ) 、工控机 工控机由p x i 1 0 5 0 机箱及p x 一8 1 9 6 主控制器组成，p x i - 1 0 5 0 机箱具有8 个p 总线 槽和4 个内部信号调理s c x i 总线槽，采用工业级标准尺寸，可靠性高，抗干扰能力强。 p x i 8 1 9 6 是工控机的核心部分，其功能类似于一块普通p c 机上的主板，其接口有四个 u s b 、一个g p i b 接口、两个r s 2 3 2 口、一个网口等常用接口，内部为p 4 2 , 4 g h z 的处理 器、5 1 2 md d r 内存、4 0 g 的硬盘空间、w i n d o w sx p 正版操作系统、l a b v i e w 8 0f d s 正版软件及数据采集卡驱动程序。 ( 2 ) 、数据采集卡 本课题中所使用的数据采集卡为n i 公司的p x i m 6 2 5 1 多功能数据采集卡。 p x i m 6 2 5 1 支持p x i 总线，该卡具有1 6 个单端输入或8 个差分输入的a d 转换通道以及 2 个d a 转换通道，a d 和a 均为1 6 位。总采样率达到1 2 5 m s s ，2 4 个数字量i o 口，均为t t l 电平。 ( 3 ) 、其他部分 其他部分是指键盘、鼠标、显示器及工控机柜等附件设施，在此不再一一介绍。 3 l3l a b v i e w 介绍f 4 9 f 瑚 l a b v i e w 是“l a b o r a t o r y 、i r t u a | i n s t r u m e n t se n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ”的缩写，是v i ( 即v i r t u a li n s t r u m e n t s ，虚拟仪器) 应用最为成功的软件开发平台之一。从1 9 8 6 年l o 月n i 公司正式发布l a b v i e w l 0f o rm a c i n t o s h 到2 0 0 6 年推出的l a b v i e w 8 0 ，在不到2 0 年的时日j 里，n i 已发布近l o 个版本。在美国，l a b v i e w 已作为许多工科院校的课堂或 试验课程。l a b v i e w 的应用也是十分广泛，包括航天、通信、汽车，半导体、生物医学 等众多领域。l a b v i e w 正在影响实验室的变革，提高研究开发人员的工作效率。在本研 究系统中，使用的是l a b v i e w 8 0 版本，与以往的l a b v i e w 版本相比，g 0 版增加了工 程的概念，并支持分布式测控系统。其自带的，共享变量