汽车发动机电控冷却系统的试验研究

第3期2006年6月内燃机

InternalCombustionEnginesNo.3Jun.2006

汽车发动机电控冷却系统的试验研究

郭新民1,高 平1,吴海荣2,傅旭光1,刘永进1

(1.山东农业大学机械电子学院,山东泰安271018;2.聊城大学汽车与交通工程学院,山东聊城252059)

摘要:针对当前汽车运输中普遍存在的预热缓慢和过热现象,在汽车发动机上进行了电控冷却水泵的改装试验,缩短了预热时间,避免了过热现象的发生。关键词:电控;水泵;试验

中图分类号:TK404.2 文献标识码:B 文章编号:1000-6494(2006)03-0028-03

ResearchontheElectric-controlCoolingSysteminAutomotiveEngines

GUOXin-min1,GAOPing1,WUHai-rong2,FUXu-guang1,LIUYong-jin1

(1.Mechanical&ElectronicEngineeringCollege,ShandongAgriculturalUniversity,Tai.an271018,China;

2.Car&TrafficEngineeringCollege,LiaochengUniversity,Liaocheng252059,China)

Abstract:Tosolvetheproblemofsuperheatandslowwarm-upinthetransportationofautomobiles,werefitstheenginewithelectriccontrolpump.Andtheresultofthetestindicatesthetimeofwarm-upiscutandthephenomenonofsuperheatisavoid-ed.

Keywords:electriccontrol;waterpump;test

1 概述

汽车发动机在工作中,受环境温度变化,使用维护状况、运行、负荷等因素的综合影响,易出现预热缓慢、过热等现象。1.1 预热缓慢

在春、秋季节,环境温度处于10e左右时,汽车启动后,要经过15~20min发动机冷却水温才能接近80e。当气温低于0e时,发动机的预热时间还会延长,主要原因是冷却风扇和水泵受驱动方式的限制,只能随发动机的运转而一起运行,在低温启动后的初始阶段,水泵运转,循环的冷却水迅速带走气缸周围的热量,并通过散热器经风扇冷却风和车辆行驶迎面风的吹送,释放到空气中,造成发动机预热时间延长。这样,风扇和水泵的运转不但白白浪费了发动机的有效功率,同时还增加了发动机的传热损失和低温摩擦损失。1.2 过热现象

在城市公共交通运输中,公交汽车易出现过热现象,市区的营运环境和公共客车自身的运行特点共同决定了公交汽车具有以下特点:

a.运行速度慢,冷却系统无法充分利用汽车行

作者简介:郭新民(1951-),男,山东泰安人,教授,主要从事车用发动机性能方面的教学与研究工作。

收稿日期:2006-01-04驶迎面风实施降温。

b.发动机经常在怠速工况下运行,在十字路口遇红灯、停靠车站时都会遇到这种情况。此时,冷却风扇和水泵的转速受到发动机怠速转速的限制,无法提高转速来增加冷却空气和冷却水的循环速度,使冷却效果变差。

c.许多公交汽车散热器前部的空气流道不畅(如后置发动机车辆),阻挡了行驶迎面风对散热器的冷却作用,进一步恶化了发动机的散热条件。上述三个因素共同决定了市内公交汽车的散热条件恶劣,气缸盖、排气门附近的热量不能在短时间内散发掉,热量积聚,最终导致发动机过热。

d.在货车运输中,也存在过热现象。汽车满载货物爬坡时的速度缓慢,行驶过程中迎面风的冷却作用很小,传统的冷却系统又因冷却风扇和水泵受发动机转速的限制,不能提高转速以增大风量和水量加强散热,结果此时会发生过热。采用电动风扇的汽车,因为能根据发动机水温而增加电动风扇转速,加大冷却风的吹送,可以避免爬坡过程中的过热现象,但是,当汽车爬过坡顶开始下坡时,会出现/后过热0现象。汽车爬过坡顶后,司机必然会减小油门,虽然发动机负荷急剧下降,但爬坡时发动机气缸盖和排气门等处集聚的大量热量不能迅速散发掉,急需冷却水快速循环带走热量,但此时水泵受发动机转速制约不能提高转速,结果使热量集中的局部区域出现后过热现象。 第3期郭新民等:汽车发动机电控冷却系统的试验研究# 29#

2 冷却水循环速度对散热量的影响分析

冷却水循环速度对散热量有一定的影响,下面是E.S.戴维斯提出的缸套流道冷却水的放热系数公式112:

Lfd2

Nuf=0.(1)

LXd1

式中,L为冷却水粘度,kg#s/m2;下角标f表示以冷却水的进出平均温度tf作定性温度;下角标X表示以缸套壁面的平均温度tX作定性温度;d1为气缸外径,m;d2为气缸内径,m;Pr为油的普朗特数。

管中流动的雷诺数的一般表达式:

vd󰀁Ref=(2)

v式中,󰀁v为水在流道中的平均流速,m/s;v为水

2

的动力粘度,m/s;d为流道的平均直径,m。

把(2)式代入(1)式,可得:

.

038Ref0.8#Pr\"

0.14

0.15

或者水泵,从而保证发动机水温的相对稳定。如果水泵、风扇在执行过程中出现异常现象:如停转,则通过反馈电路输送信号给单片机,单片机处理后发出直接接通风扇、水泵电源的指令;如能顺利执行,则系统继续运转。相反,如果问题继续存在,则发出报警信号,提醒驾驶人员注意。

图1 电控原理图

4 电控冷却系统的试验

4.1 预热时间和节油量的试验

笔者依据GB/T12545-905汽车燃油消耗量试验方法6,对装用电控冷却系统和使用原冷却系统的SY132C型汽车进行了预热时间和节油量的对比性道路试验(冬季-5e,车辆满载,在水平高速公路上匀速运行),试验数据如表1所示。从表1看出,低温预热时,电动水泵受单片机的控制而低速运转,随着冷却水流速降低而使发动机的温度迅速升高,发动机水温达到85e的预热时间减少了97.1%,汽车的百公里耗油量也随着水温的升高而减少了12.9%。法国的CouctouxH等在雷诺19轿车上改装电控冷却水泵系统后,与原冷却系统进行比较试验,当发动机水温在85e和115e电控冷却系统之间变化时,在40km/h的车速情况下,燃油消耗量可以减少10%122,这与实验结果相近。4.2 夏季散热能力的试验

为了检验电控冷却系统在高温条件下的散热能力,在夏季38e的气温下,安装电控冷却系统的SY132C型汽车满载进行山地爬坡的道路试验近300km,发动机无/开锅0现象出现,说明该冷却系统可以

耗油量/(L/100km)17.7217.3517.5415.2415.3115.2782(达到65e)108(达到85e)预热时间/s1231(达到65e)3602(达到85e)备注原冷却系统原冷却系统原冷却系统电控冷却系统电控冷却系统电控冷却系统Ld2󰀁vd0.8\"f

Nuf=0.038#Pr.(3)

vLd1X

由(3)式可以看出,放热系数NLf与流道中水的平均流速󰀁v的0.8次方成比例,即通过提高流速能增大放热系数,增强散热效果。

出现过热问题的根本原因是水泵风扇的驱动方式。我们在实现自控电动风扇的基础上,设计具有三种不同转速的自控电动水泵,进一步实现发动机冷却液温度的精确控制,发动机启动预热时,水泵低速运转,降低冷却液流速,缩短预热时间。发动机过热时,水泵进入高速工作模式,提高冷却液流速,迅速散去缸盖积累热量,避免/后过热0现象。发动机处于正常工况下,水泵采用中速运转,保证发动机在高效、节能前提下的正常工作。

0.140.15

3 冷却系统电动控制原理

如图1所示,冷却系统的水泵和风扇都改用电动机驱动,并由水温传感器感测发动机水温,经信号放大后,通过A/D转换把信号送给单片机处理,单片机根据预定的程序运算后发出指令,再由D/A转换经信号放大送给开关控制机构,最后打开、关闭风扇

序号行驶方向试验路段长度/km平均车速/(km/h)1212往返平均往返平均20202020202040.0839.5439.8140.1739.9740.07表1电控冷却系统和原冷却系统关于预热时间和耗油量的对比性道路试验数据

行驶时间/s179618211808179218011797 # 30#内燃机2006年6月

满足汽车发动机在高温大负荷工况下的散热要求。4.3 发动机负荷突变时散热能力的对比试验

针对汽车全负荷爬过坡顶后突然减小油门会出现后过热现象的问题,笔者对两种冷却系统进行了发动机由全负荷突然减至怠速时散热能力的对比试验,试验结果如图2所示。

采用原水泵加电风扇的冷却系统时,汽车发动机全负荷运转爬过坡顶后,突然减小油门开度会出现后过热现象的原因是:当发动机大油门全负荷运转时,水泵随发动机高速运转,可以及时带走发动机

产生的热量;突然减小油门开度后,发动机转速迅速下降至怠速,导致水泵转速也急剧下降,冷却水流量迅速降低,发动机缸盖过剩的热量不能及时散出,从而使水温急速上升,出现后过热现象。在安装了电动水泵后重复上述试验,由于水泵的转速不受发动机转速的制约,虽然发动机的转速下降至怠速,但水泵在电机的驱动下仍可以高速运转,使冷却水流量迅速增加,快速循环,及时散去缸盖、燃烧室和排气道等处的热量,所以不会出现后过热现象。

5 结论

发动机冷却系统在实现全面的电动控制后,风扇和水泵的转速都不受发动机的制约,可由单片机根据发动机水温的变化自动控制电动水泵和风扇的运转转速。既可缩短预热时间,又可避免发动机过热,实现了冷却能力的自动控制,使发动机始终保持在最佳温度范围内工作,发动机的燃油经济性能和使用性能都得到改善。

1参考文献2

112 陆瑞松,等.内燃机的传热与热负荷1M2.北京:国防工业出版社,1985.

122 CouctouxH,GentileD.汽车发动机冷却系统的控制

1J2.国外内燃机,1996,(5):21-27.

图2 发动机负荷突减时散热能力的对比试验

(上接第27页)

故障发生。F的取值范围在10,12之间。表4为神经网络测试结果,通过对学习后的BP网络进行检测,可以证明网络是成功的,可输出理想值,正确地反映故障。

网络测试结果说明实际输出与期望输出基本符合。模糊神经网络可解决诊断系统知识表示,获取和并行推理等问题,利用分级诊断和BP人工神经网络技术诊断多种柴油机燃油系统故障,从实例分析得知诊断效果较好。

表4神经网络测试结果

故障现象高压油管漏油喷油器喷孔部分堵塞各缸供油不均匀单缸正时不准确油阀磨损

样本输出

F10.80.20.10.080.1

F200.70.10.120.04

F30.10.070.6800.06

F40.0500.120.750

F50.050.030.10.050.8

F60.0300.120.030.45

4 结论

描述了基于模糊神经网络进行故障诊断的方法,并介绍了具体实现过程。通过对样本的模糊量化,能够比较完备地表达故障诊断系统知识,有利于提高系统推理能力。该方法尤其适合于存在大量事例却又难于用算法描述的应用领域。

1参考文献2

112 杨伦标,高英仪.模糊数学原理及应用1M2.广州:华南

理工大学出版社,1998.

122 KarayiannisNB,PaiP.-I.Fuzzyalgorithmsforlearning

vectorquantization.IEEETrans.onNeuralNetworks,Sep.1996,7(5):1196-1211.

132 杨行峻,郑君里.人工神经网络与盲信号处理1M2.北

京:清华大学出版社,2003.

142 邢文训,谢金星.现代优化计算方法1M2.北京:清华大

学出版社,1999.

152 VillersJde,etal.Backpropagationneuralnetswithoneand

twohiddenlayers.IEEETrans.onNeuralNetworks,Jan.1992,4:136-141.

162 TheMathWorksInc.TheMATLABEXPO:AIntroductionto

theMATLAB,SIMULINKandtheMATLABApplicationToo-l

boxes.TheMathWorksInc,1993.