汽车水泵控制系统的研究

朱桂英

摘要：传统汽车发动机冷却系统存在响应慢、精读差等问题，针对这些问题，提出了一种电子水泵的控制系统，系统采用高精度传感器来采集水温、转速、流量信号，可编程硬件系统，用软件进行程序设计，电控单元进行计算并输出控制信号，可以在任何情况下都能提供足够的冷却水，可精确快速的控制水泵工作，使发动机机体温度保持在正常范围内。该电子控制系统具有增加发动机动力输出、输出扭矩，提高燃油效率，减少因不完全燃烧而产生的有害气体的排放等优点。

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.

关键词：汽车;水泵;冷却系统;控制系统

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

中图分类号：TP29                                    文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）04-0011-03

0  引言

汽车发动机冷却系统是汽车的主要组成系统之一。发动机工作时，汽缸内可燃气体的工作温度可高达2200-2800K，但若不对发动机进行必要的制冷措施，则将无法保持其正常运行[1-2]。冷却系统的主要功能，是将从汽车发动机中受热零部件所吸入的部分热能有效排放出去，使汽车发动机进行最合理的制冷，以便于将其维持在最合理的工作温度范围内正常工作。

1  研究意义

发动机的冷却水供应要合理，但如果冷却水供应不够，会使发动机过热，进而使得充气效果减弱，同时早燃和爆燃的可能性也增大，因而造成发动机产生工作输出功率减小，同时，运动机件之间通常的间隙也遭到了损坏，因而使零部件无法顺利地运动，以至卡死、磨损;零部件因力学性能下降而产生变型和损伤;因润滑剂黏度下降、润滑剂层破碎而增加零部件损坏。

如果制冷过量，会使发动机过冷，因而使得进汽缸的可燃混合气会因温度过低而使点火困难和燃烧时间推迟，从而使得发动机输出功率降低和油耗提高;润滑油黏度增大，致使润滑不好而加重零部件的损坏[3-4]。

实验结果证实，发动机工作时具有最适宜的温度范围，即最佳温度[5]。发动机在最高环境温度下工作时，发电机的运行状态包括汽油点燃、废气排出、润滑油的黏度、机件的强度与间隙大小、发电机的运行状况等均处在良好状态下，不但能够达到节油、减少空气污染与噪声，而且增加发动机输出功率，同时也会大幅延长发动机的使用寿命。

发动机冷却系统按制冷介质又可分成水冷和风冷，水冷系统通常由于制冷强度较大而应用在汽车发动机上[6-7]。在传统的冷却水系统中，冷却水在泵的驱动下，强制经过发动机气缸盖和汽缸统中的水套，以吸收热能，然后再流入散热器散热，以便于将发动机的工作温度维持在规定温度范围内。

目前，汽车的冷却系统仍大多使用传统的机械自动化水泵，冷却水泵通常使用皮带或齿轮与发动机的曲轴相连，转速受发动机转速控制。当发动机冷启动时，由于水泵受发动机驱动方式的限制而必须由发动机进行运行，其后果就是将汽缸周边的热能迅速带走，特别是在寒冬导致暖机的持续时间拉长，从而大大降低了热效能;在发电机低速大负载的状况下，由于发动机缸盖、排气道等周边的局部热能异常大，要求冷却水高速循环系统以尽快地排去过剩的热能，但此时冷却水泵因受到发动机速度的控制而无法增加转速，也就无法增加水流的循环速率，从而导致汽车发动机体工作溫度增加，从而大大地影响了热效率。现在一些汽车中使用节温器作为温控器的大小循环回路控制方式，虽然在一定程度上改善了发动机的冷却效果，但这种控制方式只是单设定点控制，响应慢，精度差[8-9]。

国家引导和鼓励发展节能环保型小排量汽车、各种节能和代用燃料汽车辆，根据2021年10月26日由国务院办公厅印发的关于《2030年碳达峰行动方案的通知》中明确表示，中国二氧化碳排放量将争取在2030年前达到峰值，为此国家在新能源汽车行业的发展政策中，将“积极推进电动车辆、混合动力汽车的研究和开发，加速代用燃油车辆的普及应用，推动汽车行业取得跨越式蓬勃发展”列为汽车行业结构性调整的重点[10]。并提出了“改善车辆燃油经济性，争取使所有车辆的百公里油耗均减少10%，当中，普通轿车和轻便车均减少5-10%，中重型汽车均减少10-15%[11]。增加代用燃油轿车所占的比重，优化中国轿车能源需求结构”的具体目标。因此冷却水泵、冷却风扇的电力驱动与控制有着很重要的节能环保、节能降耗、低碳排放的意义。

2  水泵控制系统设计

根据国家环保要求和电子技术的不断应用，自动化水平的不断提高，本文提出的汽车冷却水泵的改进方法是将冷却水泵的驱动方式由机械传动改为电力驱动，改进之后冷却水泵的转速不会再受汽车发动机工作状态的影响，可在任何情况下提供足够的冷却水，使发动机机体温度保持在正常范围内。由此带来一系列的好处，如增加发动机动力输出、增大输出扭矩，提高燃油效率、减少因不完全燃烧而产生的有害气体。

汽车水泵控制系统主要改进以下两个方面：

一是水泵的驱动方式为直流电动机驱动，通过对水泵叶轮形式、尺寸以及发电机输出功率的合理选取，并进行二者的优化与配套结合，以实现较高效率[12]。

二是通过自动化控制，以发动机机体的最高工作温度为反馈信号，通过电控计算直接控制电控水泵的工作，以冷却水温度为反馈信号配合对电动风机的运行温度控制，使发动机一直工作到最高工作温度，以减少传热损失和机械损失。发动机冷却系统示意图如图1所示。

拆卸了汽车发动机对冷却水泵的电机驱动皮带，改由电机直接驱動冷却水泵，在发动机的启动阶段控制冷却水泵自动停止工作，以测试此时的预热时间;在大负载状况下，可以改变电动机速度，测量电动水泵的流量、流速、温度、电机驱动功率，以及电动机的运行时间等数值，系统选用高精度数据采集传感器采集所需数据信号，实现快速、高精准的控制。

利用正交实验设计的方式，选用一台合适型号尺寸的水泵，与直流电机、冷却水泵相连接后安装，以保证一定的同心度，减少运行噪声，将冷却水泵接头与汽车发动机机身的下端进入口与水箱流出口相连接。在汽车散热器上安装电动风扇，使之保持稳定转速，以综合消除由风扇造成的热试验危害，并模拟车辆各种工作状况。计算直流电机所带动的水泵的流量、速率、温度、电机驱动输出功率等数值，从而测算出电动水泵的效能。再经过不断的测试、改良，最后选定了一个最优规格和理想形状的电动水泵。将水泵定型加工后，再换上不同功率的电动机，并计算电机驱动功率、工作电压等数值，从而计算出电动机的效能，经反复测试、改良后选定了最优化功率的电动机，从而完成了水泵、电动机的优化组织。

3  电子水泵的设计

电子水泵系统分为硬件设计、软件设计和抗干扰设计三部分。

3.1 硬件设计

通过总体设计方法，确定了硬件的总体设计及其功能模块，主要涉及对发动机温度、转速等信息的收集，以及直流电机的控制系统。

针对本系统特点，还配备了AD转换设备、信号采集与放大模块和输入输出驱动模块。系统采用基于英飞凌单片机的直流电机控制器系统作为核心控制单元，单片机通过采集各组信号包括：转速、温度和流量信号，采用先进控制算法实时调节PWM信号脉宽，由PWM信号控制电机转速，硬件系统集成了一系列高精度传感器、PWM输出驱动、电机控制桥电路等元器件，组成了系统的主要硬件部分。其中电控及数据采集处理原理图如图2所示。

温度传感器实时监测发动机冷却液的温度，当温度超过正常范围时，通过A/D转换向控制单元输送数字信号，控制单元根据程序设定进行信号处理发出指令，控制风扇及水泵工作，使发动机冷却水的温度回归正常工作范围内。采用的温度传感器为数字温度传感器，带SPI接口，信号精度高，能达到0.1摄氏度的分辨率，响应速度快。

流量传感器用于监测发动机冷却液的流量，来判断冷却液回路是否通畅，以及冷却水的多少。

转速传感器用来监测水泵的转速，输出脉冲信号，单片机系统通过数脉冲信号来实时计算转速信号，以此来判断水泵的工作状况是否正常，进而判断及控制冷却水量的多少。

数据信息采集完毕将信号通过A/D转换传送到控制单元，系统全部控制动作以及逻辑判断由单片机控制单元自动完成。单片机控制单元根据输入的电信号进行判断处理，调节PWM脉宽，输出控制水泵转速以及风扇的驱动指令。最终通过循环控制的方式控制水泵的转速和风扇的转速，快速的将水温控制在发动机最佳工作范围内。

3.2 软件设计

结合了硬件设计，并按照系统功能特点实现了模块化设计，主要包括主程序、驱动程序、数据采集程序等。主程序软件流程图如图3所示，汽车发动机一通电工作，电子水泵控制系统首先进行自检，并且复位，然后采集水温、转速、流速信号，并通过转换将数据传给控制单元进行计算判断，如果温度在正常水温范围内，循环进行温度监控，保证水温始终在最佳温度范围，如果温度异常，驱动水泵和风扇在合适的状态下工作，得到合适的流速和转速，再次进行电控分析是否在正常温度范围，如果不再继续进行电控驱动操作，直到温度正常为止。

3.3 抗干扰设计

本系统主要使用于汽车上，由于受到的各种干扰比较严重，所以为了保证系统正常高效安全工作，在电源抗干扰、功能模块抗干扰、信息传送、接地线布置和印制电路板设计等方面还作出了综合考虑，并选择了不同的抗干扰措施[8-9]。

电源干扰采用大小电容并接方式，去除高低频信号干扰，保证电源输出稳定，同时增加了电压低压报警功能，提前预警供电不足的问题。信息传输的过程软件上采用了多次握手的对接信号，保证数据传输的正确性，硬件上采用接线屏蔽、EMC抗干扰等方法。

对改装后的电控水泵风扇运转时间、运转次数与改装进行对比试验。将选择出的最优水泵、电机组合安装固定在台架上，连接电机与智能控制回路，然后连接发动机、水泵、水箱各处接口，进行发动机运转的对比试验。发动机在不同工况和负荷下，测定电机转速、发动机转速、发动机的出水温度和进水温度，水泵配合电控风扇每次运转的时间，以及电动水泵、电动风扇的间隔时间、电动水泵、电动风扇运转的次数、发动机的机油温度和机油压力，发动机的耗油量、蓄电池电压等数据。与改装前测试的相应数据作比较分析，得出改装后的试验效果发现，制冷效果更高效，节能低耗，各项数据满足标准要求。

4  结语

本文提出水泵控制系统将冷却水泵的驱动方式由传统的机械传动改为电力驱动后，通过水泵叶轮形状、大小和电动机功率的选择，实现两者的优化配套组合，达到较高效率。采用了自动控制技术，以发动机机体温度为反馈信号，控制电子水泵的运行，以冷却水的温度作为反馈信号配合对电动风扇的运转控制，冷却水泵的转速不再受汽车发动机工作狀态的影响，使发动机始终工作在最佳工作温度，降低传热损失和机械损失。改善了传统冷却系统响应慢，精度差的不足的缺点，改进后的系统不但增加了发动机动力输出、输出扭矩，还提高了燃油效率、减少了因不完全燃烧而产生的有害气体的排放，对节能环保以及实现碳达峰碳中和上有一定的实践意义和应用价值。

参考文献：

[1]蔡思，张楚云.车用冷却水泵的分析与优化[J].北京汽车，2016，2：8-11.

[2]任家潮.关于汽车发动机冷却水泵研究进展分析[J].内燃机与配件，2018，17（49）：107-108.

[3]朱小明，朱小峰.基于汽车发动机冷却水泵的探讨[J].内燃机与配件，2021（10）：92-93.

[4]张姚，赵立宏.汽车发动机水泵通用化设计优势与方法[J].内燃机与配件，2019（5）：1-2.

[5]袁寿其，张婷婷，张金凤，等.汽车冷却水泵优化设计及试验研究[J].排灌机械工程学报，2014，32（2）：93-97.

[6]马西沛，何郑，张琳，等.基于国产MCU电子水泵控制器的设计[J].现代电子技术，2021，44（14）：18-22.

[7]杨佩琦，张颖，文凯，等.模糊PID控制在汽车发动机冷却水泵系统中的应用[J].机电工程技术，2020，49（12）：120-122.

[8]文凯，张颖，朱昊，等.基于MC9S12单片机的汽车发动机智能冷却泵控制系统设计[J].机电工程技术，2020，49（09）：96-98.

[9]王华生，朱昊，花群，等.自适应自诊断发动机电子冷却泵控制器设计[J].机械设计与制造工程，2019，48（2）：29-32.

[10]王波，王民慧.汽车发动机电控冷却系统的设计[J].农业装备与车辆工程，2018（3）：48-50.

[11]陈爱文.基于AVR单片机的消防水泵系统的设计[J].机电工程技术，2019（4）：13-15.

[12]李维强，李伟，施卫东，等.汽车发动机冷却水泵的研究进展[J].排灌机械工程学报，2016，34（1）：9-17.