矿用车发动机冷却系统的优化设计

李 维，李质彬，王孔波，徐元坤

（西京学院 机械工程学院，陕西 西安 710123）

矿用车发动机冷却系统的优化设计

李 维，李质彬，王孔波，徐元坤

（西京学院 机械工程学院，陕西 西安 710123）

文章以某型号矿用车发动机冷却系统为研究对象，针对矿用车辆在矿区恶劣环境下工作时，现行的发动机冷却系统无法保证发动机在最佳工况条件下运行的问题。通过设计电动水泵实时控制系统对该冷却系统进行优化设计，经过测试，能够解决矿用车发动机冷却系统存在的问题，为矿用车辆发动机冷却系统的优化设计提供一种有效合理的途径。

矿用车；发动机；冷却系统；电动水泵控制系统

矿用车发动机采用更加紧凑的设计和更大的单位体积功率，强化程度越来越高，发动机产生的热流量也随之明显增大，而在矿山区内矿用车辆由于工作环境恶劣、负荷变化大，发动机更容易产生过热现象，进而会导致机油变质和烧损，燃油消耗偏高，易于出现发动机开锅，引起发动机的动力性、经济性、可靠性全面恶化，降低整车燃油经济性，影响矿用车寿命，而传统的冷却系统无法满足矿用车发动机保持在最佳工作温度条件下运行。

本文针对上述问题，设计一种电动水泵控制系统，通过设置温度传感器对冷却系统水温进行实时监控反馈给ECU，ECU对所反馈的水温信号进行循环采集、判断、处理，而后对电动水泵下达相应的调节指令，从而达到实时响应调节冷却水供给量大小，满足发动机在变工况情况下良好地工作运行，有效地改善了冷却系统。

1 矿用车发动机冷却系统

发动机冷却系统是为了将发动机工作时高温零件所吸收的热量及时带走，使它们保持在适当温度范围内工作的循环系统。国内车用发动机大多采用传统的强制循环冷却系统。某矿用车发动机水循环冷却系统主要包含发动机、散热器、风扇、冷却水泵、冷却水泵进水管、节温器及发动机内外管路等[1]，具体如图1所示。散热器出水口的冷却液在冷却水泵的加压下进入发动机中，带走发热零件吸收的多余热量，并通过节温器流向散热器。在水泵作用下，冷却液形成循环流动，达到持续冷却作用。而发动机曲轴通过带传动直接驱动冷却风扇对流经散热器的高温液体强制散热。该系统是按发动机最大热负荷工况进行设计的，不能满足发动机的散热需要而自动调节，同时也会使油耗增加、整机的噪音增大，严重影响发动机的动力性和经济性，影响驾驶员的舒适性[2]。

2 冷却系统结构优化设计方案

目前国外在重型矿用车发动机冷却系统方面一般采用全封闭环式冷却系统[3]。国内在冷却系统方面的研究是根据冷却水循环量的大小直接影响冷却循环系统效果的好坏而展开的。通常负荷较大时能满足冷却需求，负荷较小时，冷却量过大，影响发动机运行。本文针对上述问题，设计了一款电动水泵控制系统，如图2所示。整个系统在传统冷却系统基础上，设置了温度传感器，并用电动水泵替代机械水泵。水温传感器安装在发动机出水管处采集温度值，ECU对温度信号进行循环采集、判断、处理，系统对电动水泵发出工作指令调节电动水泵转速，从而达到控制冷却液流量的目的，实现对发动机冷却系统水温的实时调节控制，满足了发动机在复杂多变的工况下的正常需求，提高冷却系统的效率，节省了能源消耗。

图1 某矿用车发动机冷却系统示意

图2 冷却系统结构优化设计示意

3 电动水泵控制系统设计

此电动水泵控制系统设计，主要包括硬件设计、软件设计、电源电路设计等。硬件是指控制器本身及其外围设备，是控制系统的基础。其结构的合理、可靠与否，将直接影响整个系统的性能[4]。设计的电动水泵控制系统的硬件主要由温度测量装置、ECU、驱动电路、电动水泵等组成，如图3所示。

ECU是将CPU，RAM，ROM，I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通信接口等部件制作在一块集成芯片上构成一个完整的电子控制器[5]，其原理如图4所示。

图3 电控水泵控制装置原理

图4 电控辅助系统控制系统硬件ECU示意

此微处理器是ST C公司生产的高档8位单片机STC89C51。其能向下完全兼容 51 全部字系列产品，采用CMOS 制造工艺，功耗低；可以按照常规方法进行编程。在片外设有内部时钟电路、复位电路、驱动模块、D/A转换模块、A/D转换模块等。此设计测量的对象为冷却液温度，温度测量装置（主要是温度传感器）是构成控制系统最重要的元件之一，选用MSTT型一体化温度转换装置。温度传感器采集发动机冷却液温度信号，温度转换装置直接把温度传感器输出的信号进行放大和线性化处理，将温度信号转换为电压模拟信号，转变后的电压信号直接送到A/D转换模块通过ADC0809进行A/D转换，由单片机对转换后的结果处理。经D/A转换模块通过DAC0832进行D/A转换，根据指令转换数字量转换为电流，然后驱动电动水泵以不同的转速为冷却循环系统提供合理的冷却液量。

此系统的单片机控制系统接口电路，具体如图5所示。系统的元件主要包括STC89C51，ADC0809，DAC0832，MSTT，DS18B20，LM324，74LS04等元器件。

图5 单片机控制系统接口电路

控制系统软件将整个程序按功能划分为独立的模块，各模块可以单独设计、编程和调试，然后再联调，最终使之成为一个有实用价值的程序。电控系统软件主要完成对冷却液温度信号的循环采样、运算处理、驱动电机等功能。主程序流程如图6所示。

图6 电控辅助系统控制系统主程序流程

4 结语

在同一转速下，原系统和新系统的油耗对比（此处列出了两组转速，分别为1 300 r/min，1 900 r/min）如图7所示。方块线条代表原车冷却系统的油耗，圆点线条代表带有此冷却系统的油耗。经测试，对比改进前后在不同转速下的油耗，结果表明带有此冷却系统的油耗明显低。冷却系统的性能得到了明显改善，并且可更有效地降低燃油消耗量、减少噪声，提高了整车的燃油性与经济性。不足之处是由于系统工作环境的特殊性，还应进一步加强系统的抗干扰能力，以达到与重型矿用车更好地匹配。

图7 改进前后的油耗对比

[1]严永华.工程机械用柴油机冷却系统匹配技术研究[J].柴油机设计与制造，2014（3）：21-37.

[2]周军.丰田电控液力马达冷却风扇系统的检查[J].汽车诊所，2010（2）：16-17.

[3]KERN J，AMBROS P. Concepts for a controlled optimized vehicle engine cooling system[J]. SAE Technical Paper，1997（6）：971816-971822.

[4]王福瑞.单片微机测控系统设计大全[M].北京：北京航空航天大学出版社，1999.

[5]胡汗才.单片机原理系统设计[M].北京：清华大学出版社，2002.

Optimization design of cooling system for mine truck engine

Li Wei, Li Zhibin, Wang Kongbo, Xu Yuankun
（Mechanical Engineering Department of Xijing University, Xi’an 710123, China）

In this paper, the cooling system of a certain type of mine truck engine is taken as the research object. Aiming at the problem that the current engine cooling system can not guarantee the engine running in the best condition when the mine truck working in the mining area under the bad environment. The optimal design of the cooling system is realized by designing the real-time control system of the electric water pump. It can solve the problems that existed in the cooling system of mine truck engine, and provide an effective and reasonable way for the optimization design of engine cooling system.

mine truck; engine; cooling system; electric water pump control system

李维（1965— ），男，陕西西安人，博士，副教授，硕士研究生导师；研究方向：活塞式发动机性能测试与优化。