基于發(fā)動機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)的研究_第1頁
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文檔簡介

1、基于發(fā)動機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)的研究1. 引言1.1汽車業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及汽車的有害排放隨著汽車業(yè)的迅猛發(fā)展,我國從2009年開始連續(xù)兩年超過美國,成為全球第一大汽車產(chǎn)銷國,據(jù)統(tǒng)計(jì),全國機(jī)動車保有量達(dá)到2.19億輛。其中,摩托車占54.12%,約為1.19億輛。汽車保有量占機(jī)動車總量的45.88%,剛剛超過1億輛。然而,在這個龐大的數(shù)據(jù)后面,汽車給我們帶來的負(fù)面影響也是非常震驚的,尤其是汽車排放出大量尾氣,這些排放物流動性大,數(shù)量多,集中在居民稠密區(qū),而且是低空排放,對人體的危害非常大。由此造成的環(huán)境污染也日益嚴(yán)重,汽車排放污染物己經(jīng)成為城市大氣污染的主要來源。有資料表明,國內(nèi)一些大城市的汽車排放

2、污染物對多項(xiàng)大氣污染的指標(biāo)貢獻(xiàn)率己經(jīng)超過60%,直接危害城市居民的身體健康??刂茩C(jī)動車有害物的排放問題已刻不容緩。在汽車排氣中主要有害物質(zhì)包括:一氧化碳(CO)、未燃碳?xì)浠衔?HC)、醛類化合物、氮氧化物(Nox)及微粒物(PM)等多種有害成分??諝庵蠧O的含量超過0.1%,就會導(dǎo)致人體中毒;微粒吸入人的肺葉會造成肺組織的摩擦損傷,微粒碳核上吸收的其它有毒物質(zhì)也會對人體造成傷害。氮氧化物包括No、No2、N2o3、N2o5等,總稱NOx。Nox可刺激肺部,使人較難抵抗感冒之類的呼吸系統(tǒng)疾病。研究指出長期吸入氮氧化物可能會導(dǎo)致肺部構(gòu)造改變。而且,以一氧化氮和二氧化氮為主的氮氧化物是形成光化學(xué)煙

3、霧和酸雨的一個重要原因,光化學(xué)煙霧具有特殊氣味,刺激眼睛,傷害植物,并能使大氣能見度降低,另外,氮氧化物與空氣中的水反應(yīng)生成的硝酸和亞硝酸是酸雨的成分,大氣中的氮氧化物主要源于石油燃料的燃燒和植物體的焚燒,以及農(nóng)田土壤和動物排泄物中含氮化合物的轉(zhuǎn)化。為了有效地控制汽車尾氣的排放,減少汽車尾氣排放所造成的危害,世界許多國家和地區(qū)都先后制定了限制汽車廢氣排放的限量值,從60年代開始,美國、日本、西歐等工業(yè)化國家對汽車排氣的有害排放物以法令的形式規(guī)定了排放標(biāo)準(zhǔn),并逐漸形成三個排放法規(guī)體系,從而直接促進(jìn)了對低污染車用發(fā)動機(jī)和排氣凈化措施的研究。1.2國外廢氣再循環(huán)技術(shù)的研究與使用情況廢氣再循環(huán)在國外的

4、汽油車上己經(jīng)作為成熟技術(shù)而廣泛使用,己經(jīng)形成了一套比較系統(tǒng)的理論,并成功研制出了一系列廢氣再循環(huán)裝置。廢氣再循環(huán)控制閥最初只是純氣動式,且不帶冷卻循環(huán),后來發(fā)展了帶冷卻循環(huán)的廢氣再循環(huán),再后來與電控技術(shù)相結(jié)合,轉(zhuǎn)而開發(fā)出帶閉環(huán)控制的氣電式或電磁式廢氣再循環(huán)系統(tǒng)。國外為了增大廢氣再循環(huán)得以實(shí)現(xiàn)的可能范圍,人們采取了種種辦法,如在進(jìn)排氣管裝節(jié)流閥使排氣壓力高于進(jìn)氣壓力;在進(jìn)氣管設(shè)置一個文曲利管(Venturi pipe)利用它的局部壓差吸引廢氣,而吸入喉管后擴(kuò)壓部分可以使壓力適當(dāng)恢復(fù),保證高負(fù)荷時(shí)所需要的壓力差。這些方法擴(kuò)大了廢氣再循環(huán)的工作范圍,而后者優(yōu)于前者。荷蘭TNO研究所提出的廢氣再循環(huán)系

5、統(tǒng)是文曲利管與進(jìn)氣管串聯(lián)方式,廢氣再循環(huán)率的調(diào)節(jié)依靠廢氣再循環(huán)管路的流量控制閥。如圖文曲管結(jié)構(gòu)圖1-1,荷蘭TNO設(shè)計(jì)的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)圖1-2,為了便于調(diào)節(jié)不同工況時(shí)的廢氣再循環(huán)率和兼顧高低工況的流動性。AVL研究所研究出文曲利管與進(jìn)氣管并聯(lián)的廢氣再循環(huán)系統(tǒng),在進(jìn)氣管上裝有一個蝶形閥,可以用于調(diào)節(jié)流經(jīng)文曲利管的流量,從而調(diào)節(jié)廢氣再循環(huán)率。文曲利管的并聯(lián)布置有利于兼顧高低工況的流動特性,高工況流量大時(shí),可開大蝶閥,讓大部分氣體流經(jīng)進(jìn)氣管;少部分氣體流經(jīng)文曲利管;低工況小流量時(shí),可關(guān)小蝶閥,讓大部分氣體流經(jīng)文曲利管。AVL研究所的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)如圖1-3所示如圖文曲管結(jié)構(gòu)圖1-1 荷蘭TNO設(shè)計(jì)的

6、廢氣再循環(huán)系統(tǒng)圖1-2AVL研究所的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)如圖1-3所示1.3我國廢氣再循環(huán)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀我國汽車的發(fā)展起步晚,遲于發(fā)達(dá)國家將近有半個多世紀(jì),對此項(xiàng)技術(shù)的研究及產(chǎn)品開發(fā)更加落后,自己的技術(shù)生產(chǎn)能力不高。尤其是在冷卻的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的研究上,對其精確控制,使廢氣再循環(huán)與內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行合理匹配大多是在理論上的探討,也有不少科研單位正在進(jìn)行研究,但是沒有抵得上國外的成熟產(chǎn)品,需要我們進(jìn)一步的進(jìn)行研究和實(shí)踐,不斷促進(jìn)廢氣再循環(huán)冷卻控制技術(shù)的發(fā)展,目前我國車用柴油機(jī)排放控制技術(shù)大致借鑒于國外的水平,國外的核心技術(shù)不能仿照,不能復(fù)制,只能購買他們的產(chǎn)品,自己國內(nèi)的技術(shù)還需要相當(dāng)長的時(shí)間進(jìn)行研究。1.4

7、課題研究的目的和意義本課題旨在研制開發(fā)一種能根據(jù)發(fā)動機(jī)具體工況調(diào)節(jié)外部廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng),使廢氣再循環(huán)廢氣溫度在發(fā)動機(jī)的每種工況下都能自動調(diào)節(jié)到既有較低的Nox、排放又具有良好的綜合性能的溫度值。從而更好地實(shí)現(xiàn)冷卻廢氣再循環(huán)的智能控制和精確控制打好基礎(chǔ)。減少汽車尾氣中Nox的含量,從而減少汽車排放污染。1.5課題內(nèi)容及研究方法1.5.1課題任務(wù):論述了降低發(fā)動機(jī)排放的冷卻廢氣再循環(huán)(廢氣再循環(huán))技術(shù)。由于發(fā)動機(jī)在不同的工況下既能有較好的動力性又能有較好的排放所要求的廢氣再循環(huán)溫度不同,所以有必要對實(shí)際運(yùn)行時(shí)的廢氣再循環(huán)溫度進(jìn)行控制,以滿足發(fā)動機(jī)不同工況的要求,使其在動力性、Nox和其它有害

8、氣體的排放上達(dá)到最佳的綜合效果。1.5.2重點(diǎn)研究內(nèi)容:1、在選定型號的發(fā)動機(jī)上做各種工況的廢氣再循環(huán)試驗(yàn),通過比較找出各工況廢氣再循環(huán)冷卻溫度與降低NO、排放的規(guī)律,也就是找出在各種工況下,既能有效降低NO、的排放又能使廢氣再循環(huán)對發(fā)動機(jī)負(fù)面影響最小的廢氣再循環(huán)溫度范圍。設(shè)計(jì)廢氣再循環(huán)總體布局和廢氣再循環(huán)冷卻器,設(shè)計(jì)廢氣再循環(huán)冷卻的實(shí)現(xiàn)方式。2、根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的功能和理論分析確定傳感器(溫度、轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等)類型和單片機(jī)的型號,選擇廢氣再循環(huán)閥的類型和電動水泵的型號。3、合理設(shè)計(jì)廢氣再循環(huán)冷卻系統(tǒng)的控制電路,設(shè)計(jì)電路的軟件程序。1.5.3實(shí)現(xiàn)途徑:1、通過進(jìn)一步理論聯(lián)系實(shí)踐,通過實(shí)踐確定最終方案。

9、2、利用現(xiàn)有條件,在選用的汽油機(jī)上安裝廢氣再循環(huán)線路進(jìn)行實(shí)驗(yàn),改變發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速與負(fù)荷,使用五組份排氣分析儀測試廢氣再循環(huán)廢氣溫度不同時(shí)NOx的排放量,找出廢氣再循環(huán)冷卻溫度與降低發(fā)動機(jī)NOx、排放的規(guī)律,完成數(shù)據(jù)搜集。3、根據(jù)找出的廢氣再循環(huán)冷卻溫度與降低Nox排放的規(guī)律,利用單片機(jī)和輔助電路通過控制廢氣再循環(huán)冷卻系電動水泵的轉(zhuǎn)速,進(jìn)而控制冷卻水流量,調(diào)節(jié)冷卻溫度,初步實(shí)現(xiàn)對廢氣再循環(huán)冷卻系統(tǒng)的自動控制。2.廢氣再循環(huán)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 2.1廢氣再循環(huán)的冷卻系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)該廢氣再循環(huán)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是把廢氣再循環(huán)冷卻系作為發(fā)動機(jī)的一個分支,介質(zhì)水由水泵驅(qū)動,進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)流動。并采用電控單元EC

10、U自動控制水泵轉(zhuǎn)速,從而通過調(diào)整冷卻水循環(huán)量的方法來控制廢氣再循環(huán)廢氣的溫度。冷卻系統(tǒng)原理圖冷卻系統(tǒng)原理圖2-21電控單元2文曲利管3旁通閥4發(fā)動機(jī)5控制閥6冷卻器7廢氣溫度傳感器8伺服電動機(jī)9單向閥10散熱器 圖中廢氣再循環(huán)冷卻系統(tǒng)利用廢氣再循環(huán)閥5后面的冷卻器6對廢氣進(jìn)行單獨(dú)冷卻。廢氣再循環(huán)冷卻水引自發(fā)動機(jī)散熱器10的出水口,冷卻水經(jīng)過廢氣再循環(huán)冷卻器再流回發(fā)動機(jī)散熱器,由于從發(fā)動機(jī)散熱器流出的水是冷卻系統(tǒng)中溫度最低的,可以提高冷卻效率。直流伺服電動水泵8裝配在廢氣再循環(huán)冷卻器冷卻水入口管路上,用來控制水的循環(huán)。單向閥9用來減少因冷卻液回流而對廢氣再循環(huán)冷卻帶來的不利影響。這種布局對原冷卻

11、系統(tǒng)改動小,結(jié)構(gòu)比較簡單,易于設(shè)計(jì)研究。2.2冷卻系的選型與設(shè)計(jì) 2.2.1冷卻系的選型廢氣再循環(huán)冷卻器是一種熱交換器,選型的標(biāo)準(zhǔn)很多,最基本的涉及待處理流體的類型、操作壓力、溫度、熱負(fù)荷和費(fèi)用等。用于對廢氣進(jìn)行冷卻的廢氣再循環(huán)冷卻器不僅要滿足熱交換器的基本要求,還要滿足它自身冷卻溫度不能過低的特殊要求。由于廢氣再循環(huán)冷卻器的冷卻對象是溫度較高的再循環(huán)廢氣,要求冷卻器在較小的換熱面積下實(shí)現(xiàn)大的熱量傳遞,而且必須盡可能提高廢氣再循環(huán)冷卻器的冷卻效率,同時(shí)還要適應(yīng)發(fā)動機(jī)振動大的特點(diǎn)。此種工作條件下對冷卻器的要求是:(1)冷卻器要耐高溫、耐腐蝕;(2)體積小、散熱效率高、壓力損失小、能防堵塞。廢氣再

12、循環(huán)冷卻器換熱的對象是粘度比較低的水和廢氣,對于低粘度流體-低粘度流體,高溫高壓場合用管殼式(STHE)換熱器。而且管殼式冷卻器結(jié)構(gòu)簡單,體積小,造價(jià)低,散熱效率高,可以設(shè)計(jì)成各種尺寸及型式,對其操作溫度和壓力也沒有太多限制,可用任何能抗腐蝕的材料制造,所以它成為廢氣再循環(huán)冷卻器的基本形式,必要時(shí)可以在殼體內(nèi)加裝紊流裝置以提高熱交換效率。為滿足耐高溫、耐腐蝕要求,全部零部件均選用304, 304L, 306, 306L及316L不銹鋼精密鑄件及型材。國外公司制造的兩種廢氣再循環(huán)冷卻器圖德國2-2管殼式冷卻器, 圖2-3是日本五十鈴載貨汽車?yán)鋮s器。 圖2-2德國管殼式冷卻器 圖2-3日本五十鈴載

13、貨冷卻器2.2.1.1根據(jù)規(guī)格尺寸初選冷卻器(1)熱交換管熱交換直徑:廢氣再循環(huán)冷卻器中使用大量橫截面呈圓形的小直徑、薄壁管。從傳熱的角度來看,小管徑的管子能獲得較高的傳熱系數(shù),從而換熱器也較緊湊,但是管徑愈小的換熱器的壓降將愈大,幾乎所有的換熱器的管子外徑在1/4in(6.35mm)與2in(50.8mm)之間。這里管子外徑選擇1Omm,壁厚lmm。管長:由于無相變換熱時(shí),管子較長則傳熱系數(shù)也增加,在相同的傳熱面積情況下,采用長管則流動截面積小,流速大,管程數(shù)小,而且采用長管時(shí)每平方米傳熱面的比價(jià)也低,所以對于一定的換熱面積,最經(jīng)濟(jì)的換熱器是用殼體直徑盡可能小,管子盡可能長,并與制造或使用現(xiàn)

14、場的空間相符合的原則制造,這里預(yù)選250mm長的換熱管。管子根數(shù):管子根數(shù)取決于流體流量和允許的壓降,通常要使得管側(cè)水或類似流體的流速為3-8ft/s(0.9-2.4m/s),殼側(cè)流速為2-5ft/s(0.6-1.5m/s)。最低流速是為了防止結(jié)垢,最高流速是為了避免管側(cè)腐蝕、對殼側(cè)的撞擊和流動誘發(fā)振動。由經(jīng)驗(yàn),換熱管數(shù)初選19根。(2)管子排列方式管子布局:管子在管板上的排列型式主要有正方形、三角形和同心圓排列。同心圓排列較緊湊,主要用于小直徑的換熱器,在換熱直徑較小時(shí),可安排的換熱管數(shù)也最多,而且在靠近殼體的地方布管均勻,介質(zhì)不易走短路,所以選用了同心圓排列法。換熱管排列方式如圖2-4所示

15、。無論哪種排列方法,通常其最外圈換熱管的外壁與殼體內(nèi)壁間的距離不應(yīng)小于換熱管外徑1/4,且不小于8-1Omm。這里初步選8mm。如圖2-4換熱管排列方式管心距:管心距的確定要兼顧提高殼側(cè)傳熱的傳熱面的緊湊性,較大的管心距可以降低殼側(cè)壓降,并能減少結(jié)垢,易于清洗。大部分的管殼式換熱器中,管心距至少為管外徑的1.25倍。由前面所選參數(shù),這里管心距為12.5mm。(3)冷卻器的流動方式采用冷熱流體逆流的方式,如圖2-5(a),即在換熱器中,兩股流體平行流動,但方向相反。理想情況下,單流道的這種流動方式的換熱器在相同參數(shù)時(shí)效率最高。在同一個熱流體狀態(tài)和同一個初溫的冷流體下,采用逆流可比順流加熱到更高的

16、終溫,交換相同的熱量時(shí),采用逆流的換熱器所需要的換熱面積就較小,而使換熱器緊湊輕便。如圖2-5(a)流體在管中的流動方式(a)逆流式(b)順流式(c)差流式以選型的標(biāo)準(zhǔn)是如何確定的2.2.2冷卻系的設(shè)計(jì)計(jì)算采用平均-溫差法, 在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)需要的參數(shù)主要是冷熱流體的進(jìn)、出口溫度。確定換熱器達(dá)到所要求的冷卻需要多大的傳熱面積,并計(jì)算阻力損失。2.2.2.1廢氣最大需冷卻量的確定汽油機(jī)排氣溫度變化范圍很大,從怠速時(shí)的300-400到全負(fù)荷時(shí)的900,常用工況的排氣溫度為400-600。對于試驗(yàn)用的卡羅拉1-ZR發(fā)動機(jī),廢氣再循環(huán)熱流量最大點(diǎn)出現(xiàn)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速2500r/min工況下,廢氣再循環(huán)流量為0.

17、039kg/s、溫度為403、熱流量為7000W.2.2.2.2確定冷卻器的平均溫差首先確定廢氣再循環(huán)氣體冷卻后的溫度。國外某公司對廢氣再循環(huán)流量為20-8Okg/h的發(fā)動機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻后溫度要求為160-200。對整個傳熱面積上的平均溫差tm,可用下式計(jì)算:(2-1)(2-2)注意,校正因子F通常選用一個估算值,單管程純逆流換熱器F=1.0。最后計(jì)算得整個傳熱面積上的平均溫差tm=103.4。2.2.2.3管程傳熱系數(shù)的確定為了能夠及時(shí)清洗以減少排氣對冷卻器的污染,應(yīng)布置管程流體為廢氣再循環(huán)氣體。廢氣再循環(huán)氣體在換熱管中流動的雷諾數(shù)為: Ref=Vedipe/nf(2-3)式中Ve-廢氣再

18、循環(huán)氣體在換熱管中的流速; di-換熱管內(nèi)徑; Pe-廢氣再循環(huán)氣體在平均溫度,平均壓力下的密度; nf-廢氣再循環(huán)氣體在平均溫度,平均壓力下的動力粘度。當(dāng)Re<2200時(shí),流體始終處于層流狀態(tài);當(dāng)Re>10000時(shí),出現(xiàn)穩(wěn)定的湍流:當(dāng)2200<Re<10000時(shí),流體處于過渡狀態(tài)。計(jì)算過渡狀態(tài)換熱系數(shù)Nuf:(2-4)計(jì)算湍流狀態(tài)換熱系數(shù)Nuf:(2-5)對于短管,由上式算得的換熱系數(shù)需再乘以管長修正系數(shù)l:l=1+(di/L)2/3 (2-6) 式中Nuf-努賽爾數(shù); Pr普朗特?cái)?shù); L換熱管管長; nf和nw平均穩(wěn)定的動力粘度和壁溫下的動力粘度;由于管內(nèi)流體為氣體

19、,(nf/nw)0。140.0。由公式Nu=hidi/得出管內(nèi)換熱系數(shù)hi(為廢氣再循環(huán)氣體的導(dǎo)熱系數(shù))。2.2.2.4殼程傳熱系數(shù)的確定冷卻器殼程采用單程,無折流板的流通換熱形式。冷卻水沿管束縱向流過,流道分為兩個區(qū)域:管束包絡(luò)線內(nèi)為管束間流道,管束包絡(luò)線與殼體內(nèi)壁間為間隙流道。殼程的傳熱系數(shù)可由下式計(jì)算得出:(2-7)2.2.2.5總傳熱系數(shù)和換熱面積的確定初步計(jì)算中由于K很難確定。 Bell給出了不同種類的流體的大概的傳熱膜系數(shù)。這樣,K可以通過管側(cè)和殼側(cè)的傳熱膜系數(shù)由以下公式算出:(2-8)對發(fā)動機(jī)排氣和發(fā)動機(jī)循環(huán)水,取Ri=Ro=0.0002。由于換熱管的導(dǎo)熱熱阻與其他兩項(xiàng)熱阻相比非

20、常小,計(jì)算時(shí)可忽略不計(jì)。由方程式:(2-9)計(jì)算出傳熱面積,再由此計(jì)算出殼體尺寸和換熱管的長度進(jìn)行校核。2.2.2.6管程、殼程的壓力損失計(jì)算對于無折流板的光管管束,流體順管束流動,管側(cè)流體壓力損失PT:(2-10)式中PT流體在管內(nèi)流過產(chǎn)生摩擦而造成的壓力損失:(2-11):流體進(jìn)出管子及管程間轉(zhuǎn)彎而產(chǎn)生的局部壓力損失;(2-12):流體進(jìn)出冷卻器箱體引起的壓力損失;(2-13)Gt為管內(nèi)廢氣再循環(huán)氣體的質(zhì)量流速;Z為管程數(shù);( Gf/Gw)項(xiàng)是考慮流體為非等溫流動,若為等溫流動,則該項(xiàng)為1;GN為廢氣再循環(huán)進(jìn)出接管中的質(zhì)量流速; 為管內(nèi)結(jié)垢修正系數(shù)。由于管內(nèi)廢氣再循環(huán)氣體Ref>20

21、00,對于控制光管,摩擦阻力系數(shù)ft=0.0014+0.125Re-0.32f。按理說上述設(shè)計(jì)和反復(fù)計(jì)算校核,得出冷卻器的尺寸。另外在冷卻器的兩個氣體入口處分別設(shè)置了過渡錐形管,使流過靠外面的換熱管廢氣量增多,改善廢氣流動狀態(tài)。表2-1卡羅拉1GR發(fā)動機(jī)冷卻器基本結(jié)構(gòu)參數(shù),及冷卻器的結(jié)構(gòu)圖(2-7、8):表2-1卡羅拉1GR發(fā)動機(jī)冷卻器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)內(nèi)容參數(shù)名稱參數(shù)內(nèi)容結(jié)構(gòu)形式管殼式最大換熱量6500W殼程流體冷卻水傳熱面積0153平方米管程流體高溫氣體換熱管長度250mm殼程流動形式單程管程阻力1500Pa管程流動形式單程殼程阻力7 Pa熱管(外徑×壁厚)10mm

22、5;1mm換熱管排列形式圓形錯排殼體(外徑×壁厚)70mm×1mm管根數(shù)19圖2-7冷卻器的結(jié)構(gòu)1冷卻水入口2冷卻水出口3換熱管4錐形管5廢氣入口6排水閥7廢氣出口圖2-8冷卻器實(shí)物2.3冷卻系的水泵的選型計(jì)算2.3.1冷卻水循環(huán)量的計(jì)算先要確定廢氣再循環(huán)對冷卻系統(tǒng)所要求的散熱量。根據(jù)熱平衡的熱量分配,散冷卻系統(tǒng)中的熱量應(yīng)當(dāng)冷卻系介質(zhì)散走。因此可以由廢氣再循環(huán)廢氣散入冷卻系統(tǒng)中熱量來確定所需要的循環(huán)量。由散入廢氣再循環(huán)冷卻系統(tǒng)中的熱量Qw,可以算出所需冷卻水的循環(huán)量Vw:(2-14)式中-一冷卻水在發(fā)動機(jī)中循環(huán)時(shí)的容許溫升,對強(qiáng)制循環(huán)冷卻系統(tǒng),可取tw=6-120,這里取t

23、w為10;-水的比重,近似取=1 OOOkg/m3;-水的比熱,近似取 =4.187KJ/Kg冷卻水循環(huán)量:;水泵的泵水量Vb可根據(jù)冷卻水循環(huán)量Vw按下式計(jì)算;(2-15)式中 Vw-冷卻水循環(huán)量nvs-水泵的容積效率,主要考慮水泵中冷卻水的泄漏,一般nvs=0.80.9。這里需選用制選精度較高的水泵,nvs取為0.9,所以水泵的泵水量Vb=0.000167/0.9=1.85×10-4m3/s。2.3.2水泵電機(jī)消耗功率計(jì)算水泵消耗功率的計(jì)算公式如下:(2-16)式中Pp-水泵的泵水壓力,根據(jù)離心式水泵結(jié)構(gòu)取值3.0×105Pa;vb-水泵的泵水量(m3/s);nh-液力效

24、率,根據(jù)結(jié)構(gòu)取0.75;nm-水泵的機(jī)械效率,根據(jù)結(jié)構(gòu)取0.95;nv-水泵的容積效率,取0.75;得水泵消耗功率:3.實(shí)驗(yàn)研究與分析3.1實(shí)驗(yàn)原理針對實(shí)驗(yàn)室里的發(fā)動機(jī),測試發(fā)動機(jī)不同工況下Nox排放量隨廢氣再循環(huán)溫度變化的變化規(guī)律。通過比較找出各種工況下廢氣再循環(huán)廢氣的最佳溫度范圍,為發(fā)動機(jī)工作電控單元實(shí)時(shí)控制廢氣再循環(huán)溫度提供依據(jù)。為了進(jìn)行廢氣再循環(huán)溫度對汽油機(jī)性能和排放影響的研究,在一臺4缸16氣門四沖程汽油機(jī)上加裝了廢氣再循環(huán)裝置。試驗(yàn)裝置布置如圖3-1所示。試驗(yàn)裝置布置如圖3-1所示冷卻廢氣再循環(huán)系統(tǒng)從發(fā)動機(jī)排氣管消音器前方取氣。從排氣管中引出的廢氣經(jīng)過專門的冷卻器和廢氣再循環(huán)閥后從

25、節(jié)氣門的后方導(dǎo)入進(jìn)氣管,利用發(fā)動機(jī)活塞排氣過程泵氣作用,將廢氣泵入發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管。然后與節(jié)氣門后的空氣混合,在進(jìn)氣口附近與噴入的油霧進(jìn)一步混合后形成可燃混合氣進(jìn)入氣缸。系統(tǒng)中廢氣再循環(huán)閥安裝在冷卻器后方,一方面廢氣經(jīng)過冷卻后溫度大大降低,減少了高溫對廢氣再循環(huán)閥的影響;另一方面控制閥距離排氣管較遠(yuǎn),減少振動和排氣脈沖對廢氣再循環(huán)閥的影響,使廢氣較平穩(wěn)地進(jìn)入進(jìn)氣通道。廢氣再循環(huán)量采用手動調(diào)節(jié)閥來控制,以便于在各工況點(diǎn)進(jìn)行測試。在再循環(huán)廢氣通路上設(shè)置一個冷卻水套,為降低流動阻力,采用廢氣再循環(huán)冷卻器管內(nèi)走廢氣再循環(huán)氣體,管外走冷卻液的方案。冷卻介質(zhì)采用水,冷卻水與廢氣再循環(huán)氣體流向相反以提高冷卻能力

26、。3.2實(shí)驗(yàn)用發(fā)動機(jī)及測試設(shè)備3.2.1實(shí)驗(yàn)用發(fā)動機(jī)該試驗(yàn)采用的發(fā)動機(jī)是一汽制造廠生產(chǎn)的卡羅拉1ZR型電噴式汽油機(jī),該汽油機(jī)的主要性能參數(shù)如表3-1所示。如表3-1所示燃油箱容積55L燃料類型汽油 93#供油方式多點(diǎn)電噴型號1ZRFE排量1598mL最大功率-功率值90kW最大功率-轉(zhuǎn)速6000r/min(rpm)最大扭矩-扭矩值154Nm 最大扭矩轉(zhuǎn)速5200r/min(rpm)氣缸排列型式L型發(fā)動機(jī)位置前置進(jìn)氣型式自然吸氣凸輪軸雙頂置凸輪(DOHC)特有技術(shù)Dual VVTi汽缸數(shù)4個每缸氣門數(shù)4個缸徑80.5mm行程78.5mm壓縮比10.2:1缸體材料鋁合金環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)國4最大馬力122P

27、s3.2.2實(shí)驗(yàn)用測試設(shè)備3.2.2.1采用尾氣分析儀 采用FGA-4000系列五組份汽車排氣分析儀。它的測量原理是:采用不分光紅外吸收法,簡稱("NDIR")測定CO及CO2的排放濃度。氧及氮氧化物分析采用電化學(xué)原理。HC采用加熱型火焰離子檢測法(HFID)來檢測。其它技術(shù)參數(shù)如表3-2所示。技術(shù)參數(shù)如表3-2所示3.2.2.2轉(zhuǎn)速表使用上海轉(zhuǎn)速儀表廠生產(chǎn)的機(jī)械式轉(zhuǎn)速表。3.2.2.3廢氣溫度計(jì)數(shù)字溫度計(jì),測量范圍-500C-1300。用來測試廢氣再循環(huán)冷卻器前后的溫度。3.2.2.4水溫表熱敏電阻式水溫表3.2.2.5壓力表安裝在廢氣再循環(huán)廢氣入口處。測量范圍00.25

28、MPa,生產(chǎn)廠家青島華青集團(tuán)有限公司。3.2.2.6空氣流量計(jì)熱膜式空氣流量計(jì)。3.2.3對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析3.2.3.1試驗(yàn)過程在1ZR型汽油機(jī)上進(jìn)行冷卻廢氣再循環(huán)試驗(yàn),鑒于廢氣再循環(huán)技術(shù)特點(diǎn)和使用要求以及試驗(yàn)的條件因素,試驗(yàn)測試選擇在不加負(fù)荷的1000r/min,1500r/min, 2000r/min,2500r/min, 3000r/min和部分負(fù)荷的1500r/min,2500r/min轉(zhuǎn)速工況下進(jìn)行。試驗(yàn)中也參考了一般汽油機(jī)廢氣再循環(huán)量的引入原則:1)怠速及低負(fù)荷時(shí),混合氣較濃,廢氣中惰性氣體含量高,引入廢氣將會造成燃燒不穩(wěn)定,發(fā)動機(jī)很容易熄火,采用廢氣再循環(huán)的意義不大。2)隨著負(fù)荷的

29、增加,在保證動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上,使廢氣再循環(huán)率增加至允許限度。3)大負(fù)荷,高速及油門全開時(shí),為了保證功率輸出,對廢氣再循環(huán)的使用應(yīng)有一定限制?;驹瓌t是在保證動力性和經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上,盡可能采用較大比率的廢氣再循環(huán)最大限度地降低NOx排放。試驗(yàn)采用恒轉(zhuǎn)速控制,節(jié)氣門位置保持不變,在測量原機(jī)NOx、排放時(shí)手動廢氣再循環(huán)閥門關(guān)閉,其它工況廢氣再循環(huán)閥開度至最大。汽油機(jī)總是以化學(xué)當(dāng)量比附近或接近化學(xué)當(dāng)量比的方式運(yùn)行,因此廢氣中CO2和H2O的比例是比較高的,廢氣的熱容量也遠(yuǎn)比空氣要高。因此,一般汽油機(jī)廢氣再循環(huán)量占總進(jìn)氣量的520%,分層燃燒系統(tǒng)廢氣再循環(huán)率可以超過20%。過量的廢氣再循環(huán)會導(dǎo)

30、致點(diǎn)火困難,循環(huán)變動增加。經(jīng)測試計(jì)算,該系統(tǒng)廢氣再循環(huán)閥開到最大時(shí)廢氣再循環(huán)率能達(dá)到11%。試驗(yàn)時(shí)廢氣分析儀的取氣管插入發(fā)動機(jī)排氣管40cm處,廢氣分析儀盡量遠(yuǎn)離排氣管,避免排氣管的振動和溫度對測量的影響。為了提高效率,縮短測量數(shù)據(jù)的獲取時(shí)間,廢氣再循環(huán)冷卻水直接取自自來水,從冷卻器出口流出的水直接排掉。人為改變廢氣再循環(huán)冷卻器冷卻水的循環(huán)量,從而改變廢氣再循環(huán)廢氣的溫度,測試該轉(zhuǎn)速由高到低溫度下NOx、的排放情況。試驗(yàn)中廢氣再循環(huán)廢氣冷卻后的最低溫度控制在100以上,防止廢氣中的含硫化合物與因溫度降低而凝結(jié)的水蒸氣反應(yīng)造成對設(shè)備的腐蝕。試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度是20,相對濕度為35%。發(fā)動機(jī)運(yùn)行10分

31、鐘后開始測試。由于汽油燃燒時(shí) NO2生成量在NOx中占的比例很小,NOx/NO只有2%5%,所以試驗(yàn)中NOx的排放濃度僅以測量NO的排放濃度來代表。3.2.3.2試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)動機(jī)空載時(shí)不同轉(zhuǎn)速下具體的測試數(shù)據(jù)圖3-914圖3-9 1000r/min不同廢氣再循環(huán)溫度下發(fā)動機(jī)的排放圖3-10 1000r/min不同廢氣再循環(huán)溫度下發(fā)動機(jī)的排放圖3-11 1500r/min不同廢氣再循環(huán)溫度下發(fā)動機(jī)的排放圖3-12 2000r/min不同廢氣再循環(huán)溫度下發(fā)動機(jī)的排放圖3-13 2500r/min不同廢氣再循環(huán)溫度下發(fā)動機(jī)的排放圖3-14 3000r/min不同廢氣再循環(huán)溫度下發(fā)動機(jī)的排放柱狀圖中

32、最后一項(xiàng)是發(fā)動機(jī)不加廢氣再循環(huán)時(shí)的測試結(jié)果,由圖可以看出,在加裝廢氣再循環(huán)后每種轉(zhuǎn)速下的NO排放量都有所降低,由于未加負(fù)荷,發(fā)動機(jī)廢氣再循環(huán)廢氣冷卻前的溫度不是太高,隨著廢氣再循環(huán)溫度的降低,在發(fā)動機(jī)1000r/min時(shí)NO排放量有所波動,冷卻與否對NO的排放沒有太大的影響。CO的排放量反而有所上升,HC量排放也略有上升。這時(shí)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較低,廢氣再循環(huán)系統(tǒng)有可能影響到了燃燒的穩(wěn)定性。在1500r/min時(shí),隨溫度變化,NO的排放也出現(xiàn)微小波動,廢氣再循環(huán)溫度最低110時(shí),NO的排放并不是最低。轉(zhuǎn)速從2000r/min到3000r/min時(shí),整個排放過程N(yùn)O的排放量基本上是隨廢氣溫度的降低而呈降

33、低趨勢,而且都要比未加廢氣再循環(huán)時(shí)的排放量少。CO的排放量呈現(xiàn)先增后降的趨勢,但是較原機(jī)卻都不同程度的有所增加。各個轉(zhuǎn)速對HC排放的影響比較小,但加了廢氣再循環(huán),排放量較原機(jī)有微弱的增加。圖3-15圖3-16給出了該發(fā)動機(jī)在部分負(fù)荷,2500r/min和3000r/min時(shí)NO, CO, HC隨廢氣再循環(huán)溫度變化的排放情況。在部分負(fù)荷下,廢氣再循環(huán)冷卻后NO的排放量較未加廢氣再循環(huán)的原機(jī)有了更顯著的減少,1500r/min時(shí)NO排放量在廢氣再循環(huán)溫度120時(shí)較160有月顯降低;在2500r/min時(shí)低溫120與160相比NO排放差別很小。兩種轉(zhuǎn)速下CO的排放變化不大,廢氣再循環(huán)溫度較低時(shí)略有增

34、加。HC的排放總體與前面一致,廢氣再循環(huán)溫度低時(shí)HC的排放量反而要高一些。綜合試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn),得到1ZR汽油機(jī)廢氣再循環(huán)溫度控制的初步規(guī)律。如表3-3所示。圖3-15 2500r/min不同廢氣再循環(huán)溫度下發(fā)動機(jī)的排放圖3-16 3000r/min不同廢氣再循環(huán)溫度下發(fā)動機(jī)的排放表3-3 1ZR汽油機(jī)部分工況廢氣再循環(huán)冷卻規(guī)律在發(fā)動機(jī)冷卻水溫小于50、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速小于550r/min,及怠速工況(節(jié)氣門踏板未踏下)時(shí)不對廢氣再循環(huán)廢氣進(jìn)行冷卻。4.廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1冷卻系統(tǒng)的控制方法對于廢氣再循環(huán)的控制,理論上有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種方式。開環(huán)控制是基于MAP(前饋控制)的控制方法,需

35、事先測得各工況下的最佳廢氣再循環(huán)率和廢氣再循環(huán)溫度,在瞬態(tài)時(shí)效果比較好。閉環(huán)屬于反饋控制,它在實(shí)時(shí)控制方面要優(yōu)于開環(huán)控制,但控制電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)起來難度也加大。隨著現(xiàn)代控制理論發(fā)展的成熟,也有學(xué)者提出基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對廢氣再循環(huán)流量控制進(jìn)行訓(xùn)練和優(yōu)化,有效克服傳統(tǒng)使用查表的方法對廢氣再循環(huán)開環(huán)控制的缺點(diǎn)。本文在宏觀上的控制策略是采用開環(huán)控制,而對具體執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制采用PID(比例-積分-微分Proportional Int廢氣再循環(huán)al Derivative)控制。開環(huán)是主要控制方法,PID控制是輔助控制方法。1)開環(huán)控制通過試驗(yàn)確定發(fā)動機(jī)不同工況下的廢氣再循環(huán)廢氣溫度

36、,作為參考,發(fā)動機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)由電控單元ECU根據(jù)各傳感器的信號判斷發(fā)動機(jī)的工況與狀態(tài),即根據(jù)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門位置等信號,ECU判斷屬于哪一種具體工況,然后ECU根據(jù)該工況的實(shí)測參數(shù)輸出控制信號控制廢氣再循環(huán)冷卻系伺服水泵轉(zhuǎn)速,從而控制冷卻水流量,達(dá)到控制廢氣再循環(huán)溫度的目的。它的作用是判斷發(fā)動機(jī)工況及設(shè)定該工況的廢氣再循環(huán)溫度,是主要控制方法。2)PID控制PID控制作為輔助控制主要完成對伺服水泵的實(shí)時(shí)控制。它的具體任務(wù)是根據(jù)ECU所設(shè)定的溫度值來控制水泵高速、低速旋轉(zhuǎn)或停止,改變冷卻水循環(huán)量,以達(dá)到所需的廢氣再循環(huán)廢氣溫度。4.2控制系統(tǒng)硬件組成4.2.1控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)廢氣再循環(huán)冷

37、卻控制系統(tǒng)原理如圖所示。主要由控制單元ECU、傳感器和執(zhí)行部件組成。所有傳感器中曲軸位置傳感器輸出的信號經(jīng)整形后送給單片機(jī)的是脈沖量,采用定時(shí)計(jì)數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)測頻,利用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器在由軟件確定的時(shí)間內(nèi)對脈沖信號計(jì)數(shù),其頻率等于計(jì)數(shù)量除以計(jì)數(shù)時(shí)間。其它傳感器輸出的是模似電壓信號,單片機(jī)系統(tǒng)通過由它控制的多路開關(guān)分時(shí)選通各路傳感器模擬信號,程控放大器在單片機(jī)系統(tǒng)的控制下調(diào)節(jié)增益,使強(qiáng)弱不同的檢測信號在幅度上均滿足A了D轉(zhuǎn)換的要求,然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換變成二進(jìn)制數(shù)字量信號并輸入單片機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)處理后,把經(jīng)過光電隔離去除了電磁干擾的數(shù)字信號送給D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換,由于轉(zhuǎn)換后的電壓信號不足以直接

38、驅(qū)動水泵,所以對其進(jìn)行功率驅(qū)動,最后再驅(qū)動水泵運(yùn)轉(zhuǎn)。4.2.2傳感器的選擇控制系統(tǒng)中需要由傳感器來測試發(fā)動機(jī)各種參量,為ECU提供各種參量信號,主要傳感器包括曲軸位置傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、發(fā)動機(jī)冷卻液溫度傳感器、廢氣再循環(huán)溫度傳感器等。4.2.2.1曲軸位置傳感器曲軸位置傳感器測得的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖信號經(jīng)過整形后提供給ECU它是控制系統(tǒng)中非常重要的傳感器。曲軸位置傳感器分為磁脈沖式、光電式和霍爾式三大類。試驗(yàn)選用磁脈沖式曲軸位置傳感器,安裝在發(fā)動機(jī)后端的飛輪旁。該傳感器由信號發(fā)生器、濾波電路、放大電路、整形電路和線束插頭等組成,如圖4-1所示。感應(yīng)線圈在永磁鐵上帶有一個磁頭,磁頭與磁扼(導(dǎo)磁

39、板)連接而構(gòu)成導(dǎo)磁回路。電容器C1, C2構(gòu)成濾波電路,反相器F、集成運(yùn)算放大器A和電阻R構(gòu)成比例運(yùn)算放大電路,P為信號處理電路。具體工作過程為:信號線圈產(chǎn)生的交變信號電壓經(jīng)濾波電路和比例放大電路放大后,再經(jīng)信號處理電路P進(jìn)行整形處理,傳感器便可直接向電控單元輸入矩形脈沖信號。根據(jù)此信號ECU的微處理器可以計(jì)算出發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速。磁感應(yīng)式曲軸位置傳感器的示意圖如圖4-1所示,轉(zhuǎn)速信號處理過程如圖4-2所示。圖4-1 磁感應(yīng)式曲軸位置傳感器的示意圖如圖4-2 轉(zhuǎn)速信號處理過程4.2.2.2節(jié)氣門位置傳感器節(jié)門位置傳感器提供發(fā)動機(jī)怠速信號與發(fā)動機(jī)負(fù)荷信號。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于怠速工況不適宜進(jìn)行廢氣再循環(huán)時(shí),E

40、CU輸出控制信號,水泵停止轉(zhuǎn)動。ECU根據(jù)節(jié)氣門位置判斷發(fā)動機(jī)所處的負(fù)荷工況,為控制水泵轉(zhuǎn)速提供依據(jù)。節(jié)氣門位置傳感器裝在節(jié)氣門體上,并與節(jié)氣門軸連動,用來檢測節(jié)氣門開度的變化,將節(jié)氣門開啟的角度轉(zhuǎn)換成電壓信號。試驗(yàn)中選用的是線性輸出型節(jié)氣門開度傳感器,具有較高的精度,供電電壓為5V,輸出電壓范圍是0+5 V。其內(nèi)部是一個高性能的可變電阻的變阻器,輸出信號電壓隨節(jié)氣門開度的增加線性增大。它的特點(diǎn)是檢測及處理角度很方便;耐環(huán)境能力強(qiáng);其內(nèi)設(shè)有回位彈簧,與被測定部件容易連接。節(jié)氣門位置傳感器的特性與信號處理過程如圖4-3、圖4-4所示圖4-3 節(jié)氣門位置傳感器的特性 圖4-4 節(jié)氣門開度信號處理過

41、程4.2.2.3溫度傳感器(1)發(fā)動機(jī)冷卻液溫度傳感器發(fā)動機(jī)冷卻液溫度傳感器提供發(fā)動機(jī)溫度信號,在發(fā)動機(jī)溫度低于50時(shí),發(fā)動機(jī)處于暖機(jī)狀態(tài),不進(jìn)行廢氣再循環(huán),廢氣再循環(huán)冷卻水泵停止轉(zhuǎn)動。這里用于測水溫的傳感器采用的是負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻(NTC),安裝在發(fā)動機(jī)的汽缸體上,插在汽缸的冷卻水套中。它的工作溫度范圍為-20+130。它把溫度的變化以電阻值變化的方式檢測出來,隨溫度的不同,電阻值發(fā)生很大變-化。當(dāng)水溫較低時(shí)電阻值較大,隨著水溫的升高,電阻值逐漸降低。圖4-4 水溫傳感器的溫度-電阻特性 圖4-5水溫傳感器的連接線路傳感器阻值水溫變化圖4-4,連接線路如圖4-5所示。發(fā)動機(jī)工作時(shí),控制系

42、統(tǒng)內(nèi)部給傳感器一個5V電壓,當(dāng)傳感器熱敏電阻的阻值變化時(shí),傳感器向ECU輸送的信號電壓隨之變化,輸出電壓在0.1V一4.8V之間(2)廢氣再循環(huán)廢氣溫度傳感器分為兩個傳感器分別設(shè)置在廢氣再循環(huán)冷卻器的前后,為ECU控制電動水泵調(diào)節(jié)冷卻水流量提供反饋信號。一般工況下,廢氣再循環(huán)閥附近的廢氣溫度為100 -200;高速、重負(fù)荷為300-400;不工作時(shí)為50左右。而廢氣再循環(huán)冷卻器后的廢氣溫度最多可降至約100-,所以廢氣再循環(huán)冷卻器前后可選用相同測量范圍的溫度傳感器。全部采用熱敏電阻式溫度傳感器。廢氣溫度傳感器電阻與溫度變化關(guān)系如表4-1所示。表4-1傳感器電阻與溫度變化關(guān)系4.2.3 ECU電

43、控單元ECU主要由輸入信號處理電路、微處理器、輸出處理電路、電源回路以及控制程序等幾部分組成。4.2.3.1輸入信號處理電路輸入信號處理電路有模擬信號的輸入處理和數(shù)字信號的輸入處理,當(dāng)輸入信號為模擬量時(shí),如空氣流量計(jì)信號、溫度傳感器信號、節(jié)氣門開度傳感器信號、壓力傳感器信號等的模擬信號,先要對它進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,變成微處理器能處理的數(shù)字信號。如果輸入的模擬信號弱時(shí),還需經(jīng)過放大。模擬信號處理的走向如圖4-6如圖4-6 模擬信號處理的走向4.2.3.2單片機(jī)的選型 單片機(jī)是控制系統(tǒng)的心臟,其機(jī)型是否合適,對系統(tǒng)的性能憂劣、構(gòu)成繁簡、開發(fā)工作難易,推廣應(yīng)用和交流范圍的寬窄等方面均有較大的影響。選擇單

44、片機(jī)首先應(yīng)考慮的是單片機(jī)的功能和性能要能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求,同時(shí)應(yīng)該追求系擴(kuò)展的最小化,單片機(jī)硬件資源亦應(yīng)得到較充分的利用。可以按以下原則作進(jìn)一步的選擇; 1)優(yōu)先選擇熟悉的機(jī)型,同時(shí)兼顧單片機(jī)技術(shù)和市場的發(fā)展。_ 2)優(yōu)先選擇具有較好開發(fā)環(huán)境的單片機(jī),降低開發(fā)工作的難度。 3)優(yōu)先選擇社會應(yīng)用廣泛的主流機(jī)型,以便于推廣、交流和移植。 4)優(yōu)先選擇指令功能強(qiáng)、編程方便的機(jī)型MCS-51單片機(jī)是美國INTEL公司于1980年推出的產(chǎn)品,典型產(chǎn)品有8031, 8051(芯片采用HMQS,功耗是630mW,是89C51的5倍,)和8751等通用產(chǎn)品。一直到現(xiàn)在,MCS-51內(nèi)核系列兼容的單片機(jī)仍是應(yīng)

45、用的主流產(chǎn)品。MCS-51系列單片機(jī)具有豐富的硬件資源、優(yōu)越的的開發(fā)環(huán)境、強(qiáng)大的指令功能和廣泛的相關(guān)支持,成為國內(nèi)單片機(jī)市場的主流機(jī)型和眾多單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的首選機(jī)型。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中,ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器,為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案1) AT89C51主要特性AT89C51與MCS-15兼容,壽命是寫/擦循環(huán)1000次,數(shù)據(jù)保留時(shí)間10年,全靜態(tài)工作頻率是OHZ24HZ,可以三級程序存儲器鎖定,有128×8位內(nèi)部RAM,不擴(kuò)展存貯器即可滿足系統(tǒng)需要,可降低成本且提高系統(tǒng)抗干擾能力。32條可編程I/

46、O線、兩個16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、5個中斷源,可編程串行通道,低功耗的閑置和掉電模式,含有片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。2)管腳說明:雙列直插式封裝方式的AT89C51管腳排列如圖4-7所示(1)并行I/O口線P0口:P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口,每腳可吸收8個TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫“1”時(shí)被定義為高阻輸入。PO能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器,可作為通用陽口,它又可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位輸出,由于是分時(shí)輸出,故應(yīng)在外部加鎖存器將此地址數(shù)據(jù)鎖存,地址鎖存信號用ALE。在FLASH編程時(shí),PO口作為原碼輸入口,當(dāng)FLASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí),PO輸出原碼,此時(shí)PO外部必須被拉高。P1口:Pl

47、口作為通用I/O口使用,是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙I/O口,Pl口緩沖器能接收輸出4個TTL 圖4-7 AT89C51管腳排列門電流。P1口管腳寫入1后,被內(nèi)部上拉為高電平,可用作輸入,IP口被外部下拉為低電平時(shí),將輸出電流,這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí),P1口作為低八位地址接收。P2口:P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,P2口緩沖器可接收、輸出4個TTl門電流,當(dāng)P2口被寫1時(shí),其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高,且作為輸入。并因此作為輸入時(shí),P2口的管腳被外部拉低,將輸出電流。當(dāng)用于外部程序存儲器或61位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時(shí),P2口輸出地址的高八位。在給出地

48、址1時(shí),它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢,當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時(shí),P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號和控制信號。P3口:P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/0口,可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入1后,它們被內(nèi)部上拉為高電平,并用作輸入。作為輸入,由于外部下拉為低電平,P3口將輸出電流。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口,如下4-2表所示:如下4-2表P3口一些特殊功能口(2)控制口線ALE/PROG:地址鎖存信號輸出端。當(dāng)訪問外部存儲器時(shí),地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在P0口輸出地址后,它便能和片外存儲器之

49、間傳送指令和數(shù)據(jù)信息。在FLASH編程期間,此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí),ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號,此頻率為振蕩器頻率的1/6,因此它可用作系統(tǒng)中其它芯片的時(shí)鐘源。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí),ALE只有在執(zhí)行MOVX,MOVX指令時(shí)AEL才起作用。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止,置位無效。PSEN:外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間,每個機(jī)器周期五PSEN兩次有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí),這兩次有效的PSEN號將不出現(xiàn)。在訪問內(nèi)部程序時(shí)PSEN無效。· /Vpp內(nèi)部和外部程序存儲器選擇線。當(dāng)保持低電平時(shí),則在此期間訪

50、問外部程序存儲器(0O0H一FFFFH),而不管是否有內(nèi)部程序存儲器。當(dāng)保持高電平時(shí),當(dāng)?shù)刂沸∮?KB時(shí)訪問內(nèi)部程序存儲器,當(dāng)?shù)刂反笥?KB時(shí)訪問外部程序存儲器。在FLASH編程期間,此引腳也用于施加12V編程電源(Vpp)。RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位期間時(shí),要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時(shí)間。(3)電源和時(shí)鐘線XTAL1:接外部晶體的一個引腳。在單片機(jī)內(nèi)部,它是一個反相放大器的輸入端,腳作為驅(qū)動端這個放大器構(gòu)成了內(nèi)部振蕩器。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí),此引驅(qū)動端。XATL2:接外部晶體的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部,接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時(shí),此引腳應(yīng)懸浮。Vc:供電電壓,

51、+5V GND:接地端。AT89C51的極限參數(shù)如表4-3。3)振蕩器特性采用石晶振蕩外部時(shí)鐘源驅(qū)動器件,XTAL2不接。由于輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器,因此對外部時(shí)鐘信號的脈寬無任何要求,但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。系統(tǒng)單片機(jī)的時(shí)鐘電路如圖4-8a所示,在XATL1、XTAL2引腳上外接石英晶體和微調(diào)電容組成并聯(lián)諧振回路,選用6MHz的晶振,對于32Hkz以上的晶體振蕩器,當(dāng)工作電壓大于4.5V時(shí),相位調(diào)節(jié)電容C1與增益調(diào)節(jié)電容C2應(yīng)該都取為3OPf,C1=C230Pf。圖4-8(a)時(shí)鐘電路 圖4-8 (b)復(fù)位電路4)復(fù)位電路89C15通常采用上電自動復(fù)位和開關(guān)復(fù)位

52、兩種方式,本系統(tǒng)選用上電復(fù)位電路,復(fù)位電路路如圖4-8(b)所示,在RC電路的充電過程中,RST端出現(xiàn)正脈沖,RST端保持10ms以上的高電平,單片機(jī)可有效復(fù)位。4.2.3.3模擬多路開關(guān)的選型由于單片機(jī)的工作速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于被測參數(shù)的變化,因此一個單片機(jī)系統(tǒng)可供多個檢測回路使用。由于系統(tǒng)中有5個被測參量,而單片機(jī)在某一時(shí)刻只能接收一個回路的信號,所以,必須通過多路模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)多選1的操作,將多路輸入信號依次地切換到后級。單片機(jī)系統(tǒng)通過由它控制的多路開關(guān)分時(shí)選通各路傳感器信號。目前,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)使用的多路開關(guān)種類很多,并具有不同的功能和用途。這里選用8路雙向、單端模擬開關(guān)集成電路芯片CD4051

53、,所謂雙向,就是該芯片既可以實(shí)現(xiàn)多到一的切換,也可以完成一到多的切換;而單向則只能完成多到一的切換。CD4501的結(jié)構(gòu)原理如圖4-9所示。它由電平轉(zhuǎn)換、譯碼驅(qū)動及開關(guān)電路三部分組成。當(dāng)禁止端為“1”時(shí),前后級通道斷開,即S0S7端與Sm端不可能接通;當(dāng)為“0”,時(shí),則通道可以被接通,通過改變控制輸入端C、B、A的數(shù)值,就可選通8個通道S0S7中的一路。如表4-3真值表所示。圖4-9 CD4501的結(jié)構(gòu)原理表4-3真值表所示多路開關(guān)中往往有多余的通道,由于多路開關(guān)的內(nèi)部電路相互聯(lián)系,所以多余的通道可能產(chǎn)生干擾信號,必要時(shí)應(yīng)作適當(dāng)處理??梢园阉卸嘤嗤ǖ赖妮斎攵硕冀拥亍?.2.3.4可編程增益放大

54、器的選型為便于輸入通道中A/D轉(zhuǎn)換所需電平,要對模擬傳感器輸出的弱信號加以放大,并把信號中的干擾噪聲抑制在最低限度,因而用低噪聲、低漂移、高增益、高輸入阻抗以及具有很高共模抑制比的直流放大器。這類放大器常用的有測量放大器、可編程放大器和隔離放大器。在多輸入通道中,有時(shí)輸入同一個放大器的信號的電平不同,但都要放大到A/D變換器輸入要求的標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓。因此,對應(yīng)于各路不同大小的輸入信號,測量放大器的增益也應(yīng)不同。所以需要選用可編程放大器。這里選擇具有典型三運(yùn)放結(jié)構(gòu)的AD612/614,它的片內(nèi)有精確的電阻網(wǎng)絡(luò),使其增益可控。圖4-10為其結(jié)構(gòu)原理圖圖4-10 AD612/614可編程增益放大器當(dāng)3

55、-10端分別與1端相連時(shí),增益范圍為“2-28”當(dāng)要求增益為29時(shí),10、11短接并與1端相連;當(dāng)要求增益為210時(shí),10、11、12短接并與1端相連;當(dāng)要求增益為1時(shí),電阻網(wǎng)絡(luò)引出端3-12端均不與此同時(shí)相連。因此,只要在1端和212端之間加一多路開關(guān),就可以方便地進(jìn)行增益控制。此外,在1、2端之間連接電阻RG也可改變增益。4.2.3.5采樣保持電路設(shè)計(jì)由于被測的模擬信號變化很快,在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換前,需要進(jìn)行采樣保持工作。采樣保持器(S/H)采用LF398集成芯片。它是采用BI-FET(雙極型一場效應(yīng)管)工藝制成的采樣保持器。整個電路可在士5V-士18V之間工作。其主要作用是保證A/D轉(zhuǎn)換器

56、進(jìn)行轉(zhuǎn)換期間輸入電壓保持不變,以免引起A/D的轉(zhuǎn)換誤差。它有兩個工作模式,一是采樣,一是保持。根據(jù)采樣定理,只要最低采樣頻率高于信號最高頻率分量的2倍,即可得到不失真采樣。在采樣狀態(tài)時(shí),其輸出能跟隨輸入電壓變化;而當(dāng)處于保持狀態(tài)時(shí),其輸出將保持在進(jìn)入保持狀態(tài)瞬間的輸入電壓值。在保持時(shí)間內(nèi),A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。連接如圖4-11。當(dāng)邏輯參考端(7)接地,邏控制電壓(8)高于1.4V時(shí),LF398處于采樣模式,邏輯控制端接地時(shí),處于保持狀態(tài)。如圖4-11 LF398連接圖4.2.3.6 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的AID轉(zhuǎn)換器選用了ADC0809,ADC4809是逐位逼近式CMOS型A/D轉(zhuǎn)換器,通常都是以二進(jìn)制數(shù)字量輸出的。ADC0809為28引腳雙列直插式封裝芯片。該芯片內(nèi)部由8位模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、電阻網(wǎng)絡(luò)、樹狀電子開關(guān)、逐次逼近寄存器、控制與時(shí)序電路、三態(tài)輸出鎖存器等組成。下面是ADC0809的的主要性能技術(shù)指標(biāo)和硬件接口電路設(shè)計(jì)1)主要性能和引腳功能分辨率為8位2進(jìn)制數(shù);輸入電壓范圍是0-5V,對應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換值為OOH一FFH;每路A/D轉(zhuǎn)換完成時(shí)間為10us:允許輸入8路模擬電壓,通過具有鎖存功能的8路模擬開關(guān),可分時(shí)進(jìn)行8路A/D轉(zhuǎn)換;輸入時(shí)鐘脈沖頻率為500

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