發(fā)動機冷卻系的智能控制系統(tǒng)研究_圖文

1、大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文發(fā)動機冷卻系的智能控制系統(tǒng)研究姓名：徐繼濤申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：機械電子工程指導(dǎo)教師：李啟堂20061201大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要由于冷卻水溫與發(fā)動機的許多工作性能有著宣接或間接的關(guān)系，如果冷卻水溫保持在最佳的溫度范圍內(nèi)，不僅可以提高發(fā)動機的動力性、減少廢氣的產(chǎn)生、還可以減少燃料消耗量、增強發(fā)動機工作平穩(wěn)性。與此同時，隨著汽車電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子燃油噴射（針對燃燒系）、安全氣囊和系統(tǒng)（針對安全性）和各種電控自動部件（針對舒適性）的應(yīng)用技術(shù)日益成熟。電子技術(shù)已幾乎應(yīng)用到汽車的各個領(lǐng)域。因此，電子技術(shù)的發(fā)展為智能冷卻系統(tǒng)的發(fā)展提供了技術(shù)保證。傳統(tǒng)的發(fā)動機冷卻系由

2、冷卻風(fēng)扇、循環(huán)水泵和節(jié)溫器等組成。受驅(qū)動方式的限制，風(fēng)扇和水泵轉(zhuǎn)速依賴于發(fā)動機的曲軸轉(zhuǎn)速，不能根據(jù)發(fā)動機的不同工況自動調(diào)節(jié)。然而汽車的使用條件是千變?nèi)f化，這樣勢必造成發(fā)動機的冷卻不足或者過度冷卻，從而對發(fā)動機造成過早損害。與此同時，也會造成發(fā)動機功率下降，燃油消耗增加。正是在這種情況下，本文介紹了基于改進控制的一套發(fā)動機冷卻系智能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用單片機作為微處理芯片，通過負溫度系數(shù)傳感器進行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過單片機的內(nèi)部轉(zhuǎn)換、控制算法，最后通過的輸出信號實現(xiàn)對冷卻風(fēng)扇和循環(huán)水泵直流電動機的調(diào)速，并且具有實時溫度顯示和故障報警功能。本系統(tǒng)以硬件設(shè)計為基礎(chǔ)，以單片機的智能控制為核心，同時給出了系統(tǒng)的

3、控制原理圖和硬件的電路原理圖，對核心控制元件進行了探討。此外，本文重點闡述了基于單片機的雙脈寬調(diào)制原理、改進的原理和補償器原理，以及算法的軟件設(shè)計；此外，還詳細介紹了相關(guān)控制系統(tǒng)的仿真模型、參數(shù)整定和仿真結(jié)果分析。通過仿真實驗，得出該控制系統(tǒng)測溫準(zhǔn)確、反應(yīng)靈敏，控制精度高，達到了預(yù)期的效果。關(guān)鍵詞：發(fā)動機；冷卻系；發(fā)動機冷卻系的智能控制系統(tǒng)研究戤，他，堿，舔（）酗，、抽，甜；，）刪：；獨創(chuàng)性說明作者鄭重聲明：本碩士學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得大連理工大學(xué)或者其他

4、單位的學(xué)位或證書所使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。作者簽名：麴查盞日期：乏竺：?。撼蚀筮B理大學(xué)壩十目：究生學(xué)位嗆文大連理工大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者及指導(dǎo)教師完全了解“大連理丁大學(xué)碩士、博士學(xué)位論文版權(quán)使用規(guī)定”，同意大連理工大學(xué)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大連理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，也可采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編學(xué)位論文。作者簽名塹亟蔓導(dǎo)師簽名磁垃年月上日大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的功能當(dāng)一輛汽

5、車以的速度行駛時，發(fā)動機氣缸內(nèi)每個活塞每分鐘要上下運動次，各動動部件因摩擦?xí)a(chǎn)生熱量，燃燒室內(nèi)混合氣燃燒后會產(chǎn)生高溫高壓的燃氣（約為（），與高溫氣體接觸的機件（如缸蓋、缸套、活塞、氣門等）將受熱而溫升很高。所以必須對氣缸加以冷卻，否則其中的運動件受熱膨脹而破壞了正常配合間隙，導(dǎo)致機械強度降低而損壞、潤滑失效而卡死。當(dāng)然如果冷卻過度也會造成氣缸充氣量減少、燃燒不正常、功率下降、油耗增加及潤滑不良等影響。在汽車上建立冷卻系的目的是要使發(fā)動機保持在適當(dāng)?shù)臏囟认鹿ぷ?。目前汽車發(fā)動機多采用強制循環(huán)水冷系統(tǒng)。發(fā)動機氣缸蓋和氣缸體中都有水套。水泵將冷卻水從機外吸入加壓，使冷水在水套內(nèi)流動，帶走鄰近部件的熱量

6、。冷卻水吸熱后自身溫度升高，進入車前端的散熱器（水箱）內(nèi)。由于汽車前進和風(fēng)扇的抽吸，外界冷空氣通過散熱器，帶走散熱器內(nèi)冷卻水的熱量并送入大氣。當(dāng)散熱器中的冷卻水得到冷卻后，在水泵的作用下，再次進入水套。如此循環(huán)不斷地冷卻了發(fā)動機的高溫部件。發(fā)動機的功率損失為了保證與高溫燃氣接觸的零部件不至于因溫度過高而影響正常工作，必須及時將多余的熱量散發(fā)出去。汽車發(fā)動機在工作中，受季節(jié)變化、使用狀況、負荷等因素的影響，易出現(xiàn)冷卻水溫偏離正常工作范圍的異?，F(xiàn)象。在日常使用中，發(fā)動機常出現(xiàn)預(yù)熱緩慢、過熱等現(xiàn)象。在冬季，環(huán)境溫度一般低于，發(fā)動機啟動后，要經(jīng)過分鐘左右冷卻水溫才能接近。究其原因，冷卻風(fēng)扇和水泵受驅(qū)動

7、方式的限制，只能隨發(fā)動機的運轉(zhuǎn)一起運轉(zhuǎn)，在起動的開始階段，水泵工作，循環(huán)水迅速帶走氣缸周圍的熱量，并通過散熱器將熱量釋放到空氣中，造成發(fā)動機暖機時間延長。對于城市公交車來講，經(jīng)常怠速或低速運行，會使發(fā)動機易出現(xiàn)開鍋現(xiàn)象。同樣的現(xiàn)象也經(jīng)常出現(xiàn)在貨車下坡時。主要原因在于，發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低或停止運轉(zhuǎn)時，使得冷卻風(fēng)扇的速度降低或停止運行，從而使冷卻能力大大降低【。冷卻風(fēng)扇是由發(fā)動機直接驅(qū)動的。裝有風(fēng)扇的發(fā)動機與裝有風(fēng)罩的散熱器必須分別用彈性支座圃定在車架上，為了避免車輛在運行中因振動而引起風(fēng)扇與風(fēng)罩楣碰，風(fēng)扇葉片與風(fēng)罩的徑向間隙值至少為，這就極大地降低了風(fēng)扇的容積效率。再加上風(fēng)扇機械效率損失較大及液力效

8、率較低，使得風(fēng)扇總效率僅為左右】。由于風(fēng)扇發(fā)動機冷卻系的智能控制系統(tǒng)研究總效率較低，故風(fēng)扇消耗發(fā)動機大量的有效功率約以上。這一數(shù)值是十分可觀的，但大量試驗指出，水冷系只有的時間是需要風(fēng)扇工作的。而冬季風(fēng)扇的工作只有的時間是有意義的【】。也有人認為，發(fā)動機冷卻系統(tǒng)放出的熱量占其燃料燃燒總發(fā)熱量的，其數(shù)值與發(fā)動機的軸功率基本相同【】發(fā)動機的過冷和過熱汽車制造廠在設(shè)計某一具體車型的冷卻系時，是根據(jù)該車在某一常用工作狀況下而設(shè)計的，然而汽車的使用條件干變?nèi)f化。如在夏季高溫、發(fā)動機高負荷低轉(zhuǎn)速的條件下，需要加強冷卻，防止發(fā)動機過熱；在寒冷的冬季，機油的黏度明顯上升，阻力變大，引擎的冷啟動也就變得很困難，

9、這時發(fā)動機需要保溫；另外，發(fā)動機在低負荷高轉(zhuǎn)速的條件下，還需要降低冷卻效果。如果發(fā)動機得不到充分冷卻，即過熱，會產(chǎn)生很多不良后果。如：機械強度降低，甚至可能出現(xiàn)熱變形，破壞零件之間的配合間隙，引起零件強烈磨損，嚴(yán)重時，還可能發(fā)生零件斷裂事故。高溫也會引起氣缸壁機油變質(zhì)，使之失去潤滑性能，甚至結(jié)焦。高溫還會引起發(fā)動機充氣系數(shù)下降，使其功率降低。另外，氣缸套和活塞的最大熱負荷受潤滑條件的限制，溫度超過，就會因機油碳化，使活塞環(huán)膠結(jié)失去彈性并刮傷缸壁，磨損加??；輕金屬活塞的熱應(yīng)力是受溫度制約的，隨著溫度的增加，鋁合金的強度將很快降低，溫度達到以上，就不可能保證可靠運轉(zhuǎn)。反之，冷卻系統(tǒng)的冷卻能力過強，

10、也是非常有害的。發(fā)動機過冷，散熱損失的熱量多，發(fā)動機工作的熱效率低，功率下降而耗油增加：零件過冷，膨脹量不足，相互之間的配合間隙大，零件在運動過程中相互碰撞，運轉(zhuǎn)噪音增大且加快磨損速度；冷卻溫度低，會惡化混合氣的形成和燃燒，使發(fā)動機工作粗暴，增加機油粘度和摩擦功率“。由上述可知，發(fā)動機過熱和過冷都是不利的，理想的冷卻系統(tǒng)，可以使發(fā)動機在各種不同環(huán)境溫度和運轉(zhuǎn)工況下具有最佳的熱狀態(tài)，既不過冷，也不過熱；既有良好的動力性和經(jīng)濟性，又有良好的工作可靠性。但理想的永溫是多少？現(xiàn)在還沒有非常權(quán)威的資料。有的資料認為：許多車型的最適宜溫度是左右；如果采用閉式冷卻系統(tǒng)和采用防凍劑，則可逐步提高到。也有人通過

11、試驗分析得出：東風(fēng)牌機型，其最佳冷卻溫度大致在左右嘲。冷卻系統(tǒng)調(diào)節(jié)的必要性在冷卻系統(tǒng)的設(shè)計中，首先著眼于防止系統(tǒng)過熱。通常，冷卻系統(tǒng)的熱平衡設(shè)計點是選在發(fā)動機的額定功率點。當(dāng)進入部分負荷或進入冬季工作時，一定要有相應(yīng)的調(diào)節(jié)措施，以防止系統(tǒng)過冷。大連理大學(xué)碩士學(xué)位論文研究發(fā)動機的負荷特性可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)動機負荷增大時，會引起冷卻氣趣不足；反之，會引起冷卻氣量過剩。負荷增加與負荷減少所引起的空氣量變化范圍約為【。進入冬季后，環(huán)境溫度降壘一壘，發(fā)動機冷卻水與冷卻空氣的溫差加大，導(dǎo)致冷卻空氣量嚴(yán)重過翻。設(shè)發(fā)動機的出水溫度為。產(chǎn)，夏季環(huán)境溫度為。冬季環(huán)境氣溫為。那么，冷卻水與環(huán)境氣溫的溫差，夏季為，而冬季

12、則為（）。于是，夏季和冬季所需的冷卻風(fēng)量分別是：艫麗耘；麗蠹。麗麗西吼一：麗麗“）（）。兩者之比：！巫：盈×壘由氣體狀態(tài)方程町導(dǎo)得；絲：摯毋（式中；瓦：）（）所以，里芝弛×生望！±！墮吼。五如十“上式說明，如果散走相同的燕餐，夏季所需的冷卻氣置是冬季所需冷卻氣置的倍。由上所述，發(fā)動機負荷變化引起的冷卻卒氣量盼變化幅度大約為，季節(jié)變化引起的冷卻氣量的變化為，這兩種變化所引起的冷卻氣量的總變化將達勁。照此推算，當(dāng)保持散熱量不變時，若夏季需要的冷卻空氣為，而冬季時，僅需要左右。顯然，如盡采取措施，勢必造成冷卻系統(tǒng)的風(fēng)量嚴(yán)重蓬剩，導(dǎo)致系統(tǒng)過冷。冷卻系統(tǒng)調(diào)節(jié)的主要途徑現(xiàn)代汽

13、車一般都采崩改變通過散熱器的空氣量或改變冷卻水的流量來控制冷卻的效果。一是調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)量。冷卻風(fēng)扇豹轉(zhuǎn)速與風(fēng)量或正比；兩風(fēng)量與風(fēng)速威正比例關(guān)系。在發(fā)動機穩(wěn)定運行狀態(tài)。風(fēng)速與單位時間散熱量成正比；麗散熱量與冷卻液的溫度變化僮（即溫度差）成正比。因此，通過控制冷卻風(fēng)癆的轉(zhuǎn)速可以控制冷卻液的溫度。在發(fā)動機穩(wěn)定運行的狀態(tài)下，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速升高，甲位時間內(nèi)的散熱量增多，會降低冷卻液溫度；風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降低，單位時問內(nèi)的散熱量減少，會提高冷卻液溫度。發(fā)動機冷卻系的智能控制系統(tǒng)研究二是調(diào)節(jié)冷卻水流量。目前調(diào)節(jié)水溫流量主要通過節(jié)溫器來實現(xiàn)。節(jié)溫器通常安裝在發(fā)動機冷卻水出口與散熱器之間的管段上，其作用是根據(jù)冷卻水的溫度，改變

14、冷卻水在水系中的循環(huán)路線，控制通過散熱器冷卻水的流量，調(diào)節(jié)冷卻強度，以確保發(fā)動機在最佳溫度范圍內(nèi)工作。常用的節(jié)溫器有波紋筒型、注蠟型和雙金屬三種。目前，國內(nèi)外汽車、轎車廣泛應(yīng)用的是注蠟型節(jié)溫器，該產(chǎn)品雖屬傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，但技術(shù)非常成熟，簡單可靠。另外，通過改變水泵的轉(zhuǎn)速可以改變冷卻水的流速，即改變冷卻水的流量；而冷卻水的流量與散熱能力成例關(guān)系【。因此，可以通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)冷卻能力。目前風(fēng)扇和水泵的驅(qū)動方式及存在的問題受驅(qū)動方式的限制，冷卻風(fēng)扇只能安裝在散熱器與發(fā)動機之間的狹小空間內(nèi)，空氣流動阻力增大，即增大了風(fēng)扇壓力。另外，風(fēng)扇所消耗的功率又與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速高，消耗的發(fā)

15、動機功率越多【】。風(fēng)速是決定散熱器散熱能力的主要因素。散熱器前風(fēng)速主要取決于風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，亦即取決于發(fā)動機轉(zhuǎn)速。當(dāng)發(fā)動機大負荷工作時，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下降，散熱器冷卻能力降。水泵安裝在發(fā)動機上，發(fā)動機通過皮帶驅(qū)動水泵，其轉(zhuǎn)速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。當(dāng)發(fā)動機啟動時，水泵開始工作，循環(huán)水迅速帶走氣缸周圍的熱量，并釋放到周圍環(huán)境中，造成發(fā)動機暖機時間增長，同時消耗了發(fā)動機的有效功率。當(dāng)發(fā)動機低速重負荷或者夏季怠速運轉(zhuǎn)等情況下，由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速低，使得水泵的轉(zhuǎn)速也很低。冷卻水循環(huán)量小，會造成發(fā)動機因冷卻不足而過熱。歸根結(jié)底，這種驅(qū)動方式的主要缺點是：風(fēng)扇和水泵轉(zhuǎn)速依賴于發(fā)動機的曲軸轉(zhuǎn)速，不能根據(jù)發(fā)動機的不同工況自

16、動調(diào)節(jié)。一方面使得冷卻效果不好，同時還消耗發(fā)動機的有效功率。國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢國外冷卻風(fēng)扇技術(shù)研究現(xiàn)狀風(fēng)速的調(diào)節(jié)技術(shù)，有機械型、液壓液力型、離合型、電磁離合型和電機驅(qū)動型等多種技術(shù)方案。其中離合式風(fēng)扇最常用的是硅油離合式風(fēng)扇，該設(shè)計利用了粘性液體在傳動中，液體粘性剪切作用所能傳遞的力與受剪切油膜的動力粘度和剪切速度成正比，與油膜厚度成反比特性。即只要油膜的厚度足夠小，受剪切作用的油膜面積足夠大，就可以傳遞很大的力。它在工作過程中保持受剪切作用的油膜厚度不變，通過改變受剪切作用的油膜面積實現(xiàn)調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的作用【巧】。離合器風(fēng)扇可以將發(fā)動機工作溫度控制在大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文范圍內(nèi)，與傳統(tǒng)

17、風(fēng)扇相比具有明顯的節(jié)能效果，而且離合器體積小安裝方便，目前在車輛上得到廣泛的使用。硅油離合器在國內(nèi)外的汽車、轎車上的應(yīng)用十分普及。在世紀(jì)年代出現(xiàn)了電動冷卻風(fēng)扇。這種風(fēng)扇不再是由發(fā)動機通過型帶驅(qū)動風(fēng)扇，而是利用電機帶動風(fēng)扇，使風(fēng)扇可以根據(jù)發(fā)動機溫度和負荷情況的不同，實現(xiàn)運轉(zhuǎn)速度的變化，避免了發(fā)動機驅(qū)動冷卻風(fēng)扇的功率損失，縮短了發(fā)動機的預(yù)熱時間，減少傳熱損失【”。電機驅(qū)動型調(diào)節(jié)技術(shù)是近年來研究的熱點。最早的汽車電動冷卻風(fēng)扇出現(xiàn)在年月的美國專利文件中【】（專利號），該專利首次提出了用電動冷卻風(fēng)扇取代發(fā)動機曲軸通過型皮帶驅(qū)動的冷卻風(fēng)扇。當(dāng)汽車低速大負荷行駛時，由于迎面風(fēng)對散熱器的冷卻作用不強，發(fā)動機水

18、溫上升，當(dāng)溫度超過正常工作溫度時，電動冷卻風(fēng)扇運轉(zhuǎn)，消除了發(fā)動機的過熱。當(dāng)汽車高速行駛時，由于迎面風(fēng)對散熱器的冷卻作用足可以保持發(fā)動機的正常工作溫度，電動風(fēng)扇停止工作。在韓國現(xiàn)代汽車公司生產(chǎn)的現(xiàn)代（）牌轎車上，設(shè)計者就用兩個相對獨立而又相互聯(lián)系的電子控制的冷卻風(fēng)扇，這兩個風(fēng)扇分別用于冷卻發(fā)動機散熱器和冷凝器散熱器，利用對冷卻液溫度和空調(diào)冷凝器溫度進行多級聯(lián)合控制，該系統(tǒng)可以根據(jù)冷卻水溫度和空調(diào)系統(tǒng)的工作狀態(tài)不同對風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速進行分別的控制【”。美國年的發(fā)明專利【（專利號）中，首次提出在載重汽車上采用電動冷卻風(fēng)扇。美國年的發(fā)明專利“機動車發(fā)動機的通風(fēng)系統(tǒng)”。該專利將電動冷卻風(fēng)扇布置在散熱器前方。需

19、要散熱時，電動風(fēng)扇向散熱器吹風(fēng)，通過散熱器之后的空氣沿?zé)犸L(fēng)管繞流向發(fā)動機的下部排出，熱風(fēng)管將散熱器與發(fā)動機隔開。另外，世紀(jì)年代中期，美國、德國、日本及瑞典等國家開始進行發(fā)動機冷卻風(fēng)扇溫控液壓驅(qū)動系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。電液比例控制系統(tǒng)一般由冷卻液溫度傳感器、電控單元、比例閥、油泵、油箱、冷油器、油馬達及過濾器等組成。系統(tǒng)由冷卻液溫度傳感器將冷卻液溫度信號傳給電控單元，電控單元處理冷卻液溫度信號后，發(fā)出控制信號，通過比例閥調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)油壓，從而實現(xiàn)馬達及風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的無級調(diào)節(jié)】。豐田佳美型轎車上，使用了這種電液比例技術(shù)控制發(fā)動機的冷卻風(fēng)扇，它通過控制閥的流量來連續(xù)控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。這種控制方法的缺點是結(jié)構(gòu)

20、復(fù)雜，體積大，維護困難且價格高。目前國內(nèi)汽車上還沒有采用的先例。國外水泵調(diào)節(jié)技術(shù)研究現(xiàn)狀在水泵智能控制方面的研究起步稍晚。年，法雷奧（）公司提出了在發(fā)動機上配置名為（智能熟調(diào)節(jié)系統(tǒng)）的新型電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)】，來改善發(fā)動機的發(fā)動機冷卻系的智能控制系統(tǒng)研究冷卻性能。它實現(xiàn)了水泵和缸體的分離，泵的流量和通風(fēng)裝置都通過發(fā)動機的（微處理器）來進行調(diào)整和控制，便于水泵的安裝，而且遠離缸體這一熱源后，水泵可以用塑料制成，既降低了成本，又減輕了水泵的重量，達到了水泵的轉(zhuǎn)速隨水溫的變化而變化，進一步降低傳熱損失和機械損失，降低了污染和油耗的目的。年，臺灣裕隆汽車公司申請專利剛（專利號），提出了在冷卻系統(tǒng)中裝置可調(diào)轉(zhuǎn)

21、速電動水泵的設(shè)計。以反饋控制水泵冷卻液流量，其主要是根據(jù)水溫、節(jié)氣門位置、車速等的傳感器所傳給的信號，以反饋控制的方式，調(diào)整電動水泵的轉(zhuǎn)速，使得引擎水套中流動的冷卻液流量能隨著不同的駕駛狀況而作調(diào)整，保持發(fā)動機的正常溫度，以減少污染的排放。維斯通（）公司提出了精確冷卻系統(tǒng)的設(shè)計，用電控水泵和精確開閉的電磁閥取代傳統(tǒng)的水泵和節(jié)溫器，（微處理器）根據(jù)發(fā)動機的工況來控制電控風(fēng)扇、電控節(jié)溫器和電控水泵，使發(fā)動機的溫度始終保持在最佳范圍內(nèi)。據(jù)相關(guān)媒體報道，世界首發(fā)搭載電動水泵的寶馬系列新型轎車于年問世。該車率先使用電動式水泵，與引擎的轉(zhuǎn)速無關(guān)，獨立后的水泵在的控制下能在必要的時候向引擎輸送適當(dāng)?shù)乃?，?/p>

22、可以更有效的利用冷卻水，又可以實現(xiàn)降低燃燒費用【”。國內(nèi)研究的現(xiàn)狀國內(nèi)各汽車廠家正在消化、理解、吸收國外現(xiàn)有先進的冷卻系統(tǒng)設(shè)計方案的基礎(chǔ)上開發(fā)新型冷卻系統(tǒng)鯽?？蒲性盒Ｒ卜e極研究探索，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)一直在從事發(fā)動機冷卻控制方面的研究，在年研制出的新型電控節(jié)溫裂鍆，隨后又提出了以單片機控制發(fā)動機冷卻的理論，實現(xiàn)了風(fēng)扇兩級調(diào)速工【，即風(fēng)扇可以工作在靜止，低速、高速三個工作狀態(tài)。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)也進行過發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的智能控制研究，提出了在汽車上采用電機無級變速控制冷卻風(fēng)扇的冷卻控制系統(tǒng)，并在吉林輕型車廠的車用發(fā)動機進行了試驗研究，試驗表明冷卻系統(tǒng)采用的轉(zhuǎn)速可調(diào)電動風(fēng)扇，可以將溫度控制在理想

23、的范圍內(nèi)。青島大學(xué)也研制出了一種發(fā)動機風(fēng)扇溫度控制液壓驅(qū)動系統(tǒng)，屬于電液比例控制。目前處于試驗階段，未用于生產(chǎn)實際。本課題的主要工作目前，發(fā)動機工作的最佳溫度范圍到底是多少尚無定論；同時，某一具體冷卻水溫值對柴油機的零件磨損、功率、工作噪聲、排氣質(zhì)量、潤滑油質(zhì)量等性能的影響有多大，這些都無現(xiàn)成資料可查。另外，不同機型、不同功率發(fā)動機的最佳溫度范圍，同一型號柴油機在不同季節(jié)，不同工況下，它的最佳冷卻水溫范圍也不盡相剛。大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文上述的這些問題都有待進一步研究。本課題的研究目的是研制一套冷卻水溫自動控制器，該系統(tǒng)可以設(shè)定需要的冷卻水溫范圍，系統(tǒng)通過改變風(fēng)扇和水泵轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)發(fā)動機冷卻水

24、溫，使其始終保持在設(shè)定的溫度范圍。為以后進一步研究冷卻水溫對柴油機各個工作性能的影響打好基礎(chǔ)，創(chuàng)造實驗條件。本課題采用了電子控制技術(shù)，通過溫度傳感器采集冷卻水的溫度值，經(jīng)過微處理器將物理量轉(zhuǎn)換為電量；同時微處理器根據(jù)該測量值，經(jīng)過控制算法得到所需的風(fēng)扇和水泵的轉(zhuǎn)速值；微處理器根據(jù)計算結(jié)果發(fā)出信號控制直流電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)了水泵和冷卻風(fēng)扇協(xié)調(diào)工作，從而達到快速、準(zhǔn)確調(diào)節(jié)發(fā)動機冷卻水溫的目的。本課題的主要工作：）系統(tǒng)硬件設(shè)計由于本系統(tǒng)應(yīng)用在發(fā)動機上，故要求有良好的抗震、抗熱輻射和抗電磁干擾的性能，同時要求可靠性高、能耗少。本系統(tǒng)主要包括溫度采集、信號放大電路、轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動電路、溫度顯示和超溫報警等

25、。）系統(tǒng)軟件設(shè)計由于溫控對象（冷卻水溫）慣性比較大，過程反應(yīng)較慢，有時發(fā)動機的負荷變化較大，控制質(zhì)量要求又較高，因而用控制技術(shù)是比較理想的。編寫溫度采集、數(shù)字濾波、計算、）嗍出等子程序。）建立動態(tài)模型及仿真建立控制系統(tǒng)的仿真模型，可以有效的節(jié)省控制系統(tǒng)設(shè)計時間，及時驗證施加于系統(tǒng)的控制算法，觀察系統(tǒng)的控制輸出；利用該模型，進行了控制系統(tǒng)的仿真試驗，可進行各種控制策略和算法的驗證，加快了實際系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試的進程。發(fā)動機冷卻系的智能控制系統(tǒng)研究冷卻系智能控制系統(tǒng)的整體設(shè)計冷卻系統(tǒng)的原理和組成冷卻系統(tǒng)的原理冷卻系統(tǒng)以水泵為動力使冷卻液在機體內(nèi)進行強制性循環(huán)。安裝在缸體前端的水泵將散熱器內(nèi)的冷卻液泵入

26、缸體的各缸水套，然后進入缸蓋，最后從缸蓋的出水管經(jīng)節(jié)溫器流出，完成冷卻液循環(huán)。當(dāng)機體內(nèi)冷卻液溫度低于時，冷卻液由出水管經(jīng)水泵的水循環(huán)管返回水泵，再次泵入機體內(nèi)進行小循環(huán)。當(dāng)出水口溫度達到時，節(jié)溫器控制閥全開，機體內(nèi)的冷卻液經(jīng)節(jié)溫器流入散熱器進行散熱，即為大循環(huán)。圖是四缸柴油機的冷卻液循環(huán)示意圖：卑章皇圖四缸柴油機的冷卻液循環(huán)示意圖冷卻系統(tǒng)的組成根據(jù)上述可以看出，冷卻系由散熱器、風(fēng)扇、水泵和節(jié)溫器組成，由水管和缸體內(nèi)的流道組成封閉的系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)中，風(fēng)扇和水泵均有發(fā)動機的曲軸來驅(qū)動，因此其轉(zhuǎn)速是相對固定的。本課題將傳統(tǒng)的軸流式風(fēng)扇改為直流電機風(fēng)扇，將水泵改為直流電機驅(qū)動。除此之外，智能控

27、制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)還增加了微控制器和溫度傳感器，風(fēng)扇和水泵的電機轉(zhuǎn)速由微控制器根據(jù)冷卻液的溫度不同來控制。本課題的研究重點就是微控制器系統(tǒng)，又稱智能控制系統(tǒng)。大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文溫度控制系統(tǒng)的組成組成原理圖本系統(tǒng)主要由信號采集，時鐘電路、溫度設(shè)定、溫度顯示、電源電路、電機驅(qū)動、蜂鳴指示燈報警等部分組成。隧簍：卜震鬃一一一電壤廠一匝母一徽攤囂囂）鞫勰棚魄路一暖丑一隧恥設(shè)磐廠一圖系統(tǒng)的組成原理圖圖表明了本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、主要模塊間的邏輯關(guān)系和大致功能。其中，輸入模塊有溫度采集電路、溫度設(shè)定電路、時鐘電路、電源電路，輸出模塊有聲光指示電路、溫度顯示電路、電機驅(qū)動電路。溫度采集電路的核心部件是

28、負溫度系數(shù)溫度傳感器（），可將溫度信號轉(zhuǎn)化成電壓信號，實現(xiàn)從非電量到電量的轉(zhuǎn)換。微處理器（即，這里使用）中含有轉(zhuǎn)換模塊，可將電壓輸入的模擬量轉(zhuǎn)化成能夠識別的數(shù)字量，經(jīng)過處理后以方式輸出驅(qū)動電機工作，同時用于指示電路工作狀態(tài)、顯示檢測到的水溫。時鐘電路提供微處理器工作所需的時鐘信號，電源電路提供整個系統(tǒng)工作必須的直流電源，由于系統(tǒng)中存在感性負載元件，故在電源及輸出部分采用隔離處理。系統(tǒng)工作原理由低阻值傳感器組成的水溫檢測電路，將連續(xù)變化的電壓信號輸入單片機的口，經(jīng)過單片機的處理后轉(zhuǎn)變?yōu)槭M常溫度值，顯示在兩位數(shù)碼管上。按鍵用于輸入期望的溫度設(shè)定值，單片機根據(jù)此溫度值運用調(diào)節(jié)并輸出路信號，經(jīng)過隔離

29、與驅(qū)動后分另控制風(fēng)扇和水泵電動機工作。發(fā)動機冷卻系的智能控制系統(tǒng)研究在汽車運行、水溫逐漸升高（工況改變）的過程中，傳感器實時反饋發(fā)動機冷卻系內(nèi)的水溫，并隨著溫度的升高逐漸提高，智能調(diào)節(jié)風(fēng)扇及水泵的轉(zhuǎn)速，加強散熱及水路的循環(huán)，從而達到良好的冷卻效果。電路還設(shè)有工作指示電路與故障報警電路。電路工作正常時，紅色指示燈與綠色指示燈同時點亮當(dāng)冷卻水溫低于溫度下限時，報警系統(tǒng)發(fā)出提示性報警信號，紅色指示燈閃爍；當(dāng)冷卻水溫高于溫度上限時，報警系統(tǒng)發(fā)出聲光報警，電動機無條件全速運轉(zhuǎn)。此外，當(dāng)電路檢測到傳感器故障時，也可發(fā)出聲光報警。系統(tǒng)硬件的設(shè)計系統(tǒng)硬件電路主要包括：溫度采集、單片機與晶振設(shè)定、顯示與報警、輸

30、出與驅(qū)動、隔離電源，現(xiàn)將各部分電路分解。溫度采集電路熱敏電阻的基本電氣特性是它們隨其溫度變化而改變電阻。用于溫度傳感的熱敏電阻由結(jié)合的金屬氧化物組成，這些金屬氧化物既不是十分優(yōu)良的絕緣體又不是十分優(yōu)良的導(dǎo)體。實際上熱敏電阻的電阻范圍由于易受到多種溫度的影響可從數(shù)歐直至兆歐，當(dāng)溫度升高時電阻則減小。這種電阻性能被認為具有負斜率或負溫度系數(shù)，熱敏電阻常被稱為“”（負溫度系數(shù)）熱敏電阻【】。它們通常由或種金屬氧化物組成，混合在粘土中，并在高溫爐內(nèi)鍛燒成致密的燒結(jié)陶瓷，陶瓷通常是極好的絕緣體。但只有在理論上，當(dāng)溫度接近絕對零度時，熱敏電阻型陶瓷才是這種情況。但是，當(dāng)溫度增加至較常見的范圍對，熱會激發(fā)出

31、越來越多的自由電子。隨著許多電子載流通過陶瓷，有效阻值則降低【。電阻隨溫度的變化極為靈敏。典型變化為每攝氏度減少至。這時適合寬溫度范圍內(nèi)使用的任何傳感器來說是最靈敏的。當(dāng)電阻隨溫度增加而下降時，它遠離線性。從室溫開始，冷卻至乃至?xí)r電阻約加倍。但從上升至?xí)r電阻減小略超過一半從一。至（量程范圍內(nèi)，電阻產(chǎn)生的變化是至。將電阻值作為溫度的函數(shù)作圖則得出下列曲線（圖）注意曲線在冷端太陡、在熟端太平坦，使研究它很難。將同樣數(shù)據(jù)（只是指電阻）換算成對數(shù)作圖會產(chǎn)生較有用的曲線（圖）：大連理大學(xué)碩士學(xué)位論文、鬟賽置（）圖電阻隨溫度的變化曲線圖垴（）口則公式會很簡化：；加“”（）式中：勛指原始溫度時的電阻。指新溫

32、度時的未知電阻。指原始溫度，以開氏溫度計（在攝氏溫度上加）堪智溫度，§是根據(jù)點的電阻溫度數(shù)據(jù)用公式求得的常數(shù)汽車上冷卻水溫度一般為一至（，熟敏電阻被廣泛地采用¨汽車電子系統(tǒng)要求抗干擾能力強、溫度特性好，為了增強可弗性、提高檢測精度，這里選用形狀厚而圓的低阻值熱敏電阻作為溫度傳感器，增強毫漉強度，減小輸入誤差。測溫電限實際卜是分爪電路的一部分，電路供以電樂。在測溫電阻：鍘得的電樂隨溫度而變化。鍘景電壓輸入模一數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。在微處理器（中存儲了溫度傳感器的特性啦線，對應(yīng)每一個電阻值或電壓值，就對應(yīng)一個溫度值”。其應(yīng)用電路見圖：陶溫度采臭電路窯發(fā)動機冷卻系的智能控制系

33、統(tǒng)研究圖中參考電壓直接使用。由于阻值變化，引起節(jié)點處的電壓在。一之間變化，其分壓系數(shù)為：（，根據(jù)轉(zhuǎn)換器的采樣精度，轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量為：×（）。為測溫參考電阻，為保證系統(tǒng)的溫度特性，選用五環(huán)精密電阻和與（）可比的阻值，使整個測溫曲線均有效：為陶瓷濾波電容，濾除輸入端的高頻干擾。單片機單片機的選擇主要是考慮以下因素：）有內(nèi)部轉(zhuǎn)換；）雙輸出，以簡化外部電路：）能夠耐低溫和高溫；）經(jīng)濟節(jié)約，性價比高。經(jīng)過認真挑選，最后選定了這款單片機。赫黔酗螭，烈；埴，§：囂囂蠡；蚴鋝貿(mào)堪，氣酯！書凇”！平僦盯氈舒圖單片機與晶振電路，臺灣義隆微電子公司生產(chǎn)的是（）。它具有以下特點：先進的單片機結(jié)

34、構(gòu)將眾多功能集于一身，這其中包括叫、堆棧、中斷控制器、定時計數(shù)器、看門狗、電壓檢測器、復(fù)位電路、振蕩電路等。）優(yōu)越的數(shù)據(jù)處理性能采用指令集、總線結(jié)構(gòu)設(shè)計、單周期、單字節(jié)及流水線指令、八級堆棧，最短指令周期，程序頁面為。）強大的單片機控制功能集定時器中斷、變化喚醒中斷、外部信號輸入中斷、轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷、周期結(jié)束中斷、比較器輸出中斷，電壓檢測器，多功能雙向口，看門狗定時器，位轉(zhuǎn)換器，×位脈寬調(diào)制器設(shè)計于一體。）通俗易懂的指令系統(tǒng)采用一指令風(fēng)格設(shè)計，共計條指令，便于短時間內(nèi)掌握運用。大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文）完備的開發(fā)手段開發(fā)工具包括：軟件仿真器、硬件仿真器（版）、脫機燒寫器（寫入時間為片秒

35、）、編譯器（匯編和語言）等。在設(shè)計中，充分考慮各引腳的功能，最大化發(fā)揮了本單片機的優(yōu)點，全部利用了個引腳，恰好滿足了原始設(shè)計的功能要求，具體各引腳功能見表：表各引腳功能列表序號引腳號功能功能用途溫度采集（）（）（）（）（）（）輸入輸出珊一（）風(fēng)扇直流電機水泵直流電機蜂鳴器工作指示燈電源指示燈數(shù)碼管公共端數(shù)碼管公共端按鍵電源接地時鐘時鐘選用此款芯片作為系統(tǒng)的核心控制部件，不僅可以提高控制精度、縮減夕卜圍電路，還有效的抑制了成本上漲，使本系統(tǒng)成為通用性更強的智能溫度控制系統(tǒng)。同時該款三片機最低工作穩(wěn)定為，滿足汽車在高寒的環(huán)境工作。輸入與報警電路用只指示燈分別顯示電路的工作狀態(tài)和故障狀態(tài)。正常工作時

36、綠燈點亮，故障狀態(tài)時紅燈閃爍，與蜂鳴器配合形成聲音和燈光報警。發(fā)動機冷卻系的智能控制系統(tǒng)研究圖工作指示電路如圖，和分別由和獨立驅(qū)動，工作電流（）。蜂鳴器由輸出方波控制，如圖示。選擇低頻小功率三極管，使它工作在開關(guān)狀態(tài)（）、，由于不是全波輸出，實際電流比上述最大電流小很多，一方面滿足工作所需的方波信號，另方面保證在動作時有足夠的響度。圖蜂鳴器電路考慮到操作的簡便性，采用一只獨立的按鍵進行期望溫度的設(shè)定（程序的缺省值為），使用的外部中斷功能使程序進入溫度設(shè)定狀態(tài)，溫度值的調(diào)節(jié)和確認均由程序設(shè)置延時來判斷，具體電路如圖所示：圈。外部中斷電路】上拉電阻取，另一端接信號地，當(dāng)被按下時，節(jié)點電壓被拉低到地

37、，所產(chǎn)生的下降沿信號即可觸發(fā)外部中斷，此時應(yīng)將外部中斷屏蔽，程序進入溫度設(shè)定狀態(tài)，按鍵停止后延時退出中斷，直到下一次外部中斷產(chǎn)生。大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文溫度顯示由于冷卻水溫度一般控制在以內(nèi)（超過報警），選用兩位段共陰數(shù)碼管顯示水溫及故障代碼，顯示數(shù)字精確到度（采樣精度高于顯示精度）。目前集成度及引腳的驅(qū)動能力不斷增強，使外圍顯示電路及控制方式不斷簡化，綜合考慮片上資源、尺寸等因素，選用動態(tài)顯示方式為佳。所謂動態(tài)顯示，是指由定時對顯示器件掃描，在這種方法中，顯示器件分時工作，每次只能有一個器件顯示，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象，所以仍感覺到所有的器件同時顯示。與靜態(tài)顯示方式相比，動態(tài)顯示的優(yōu)點是使用

38、硬件少，因而價格低，但占用機時較多，只要不執(zhí)行顯示程序，就立刻停止顯示。圖動態(tài)顯示電路動態(tài)顯示的連接方式見圖，圖中只有位執(zhí)行顯示任務(wù)，合理的程序結(jié)構(gòu)可以提高程序的執(zhí)行速度，可以解決動態(tài)刷新占用機時較多的問題。為限流排阻，的經(jīng)排阻緩沖后直接連到輸入端，、作為共陰控制引腳，當(dāng)輸出高位顯示段碼時，程序設(shè)定選通，截止，當(dāng)輸出低位顯示段碼時，程序設(shè)定截止，選通，二者交替執(zhí)行即可顯示完整的數(shù)值或代碼。由于動態(tài)顯示時電壓值分時輸出，故阻值不宜選的太大，根據(jù)程序的執(zhí)行時間選擇昏之間為宜。驅(qū)動與隔離電路驅(qū)動電路是控制信號與執(zhí)行裝置的接口，經(jīng)單片機智能調(diào)節(jié)后輸出控制信號，需要進行隔離與放大，這部分任務(wù)由驅(qū)動電路來

39、完成。發(fā)動機冷卻系的智能控制系統(tǒng)研究圖聊驅(qū)動電路瘩隔離器選用芯片，內(nèi)含兩路獨立的光電隔離器，如圖所示。其工作原理是：當(dāng)輸入二極管的陽極對陰極施加高電平時，輸出三極管導(dǎo)通；當(dāng)輸入二極管的陽極對陰極施加低電平時，輸出三極管截止，以此等效傳遞輸入端的波形。驅(qū)動器與隔離器構(gòu)成簡單可靠的集電極開路的（）與功率場效應(yīng)晶體管（）連接，見圖。這種方式可以產(chǎn)生足夠高的柵極電壓使器件充分導(dǎo)通，并保證較高的關(guān)斷速度。由于驅(qū)動器的負載電阻須有一定大小，以限制低電平輸出晶體管的功率耗散，因而這種驅(qū)動方式的開通速度不夠高。不過，對于感性負載的開關(guān)電路來說，出于對動態(tài)損耗的考慮，關(guān)斷速度的重要性要強一些。為高頻小功率三極管

40、。與光電隔離器的輸出三極管構(gòu)成邏輯，作為前置驅(qū)動控制功率場效應(yīng)管通斷，為續(xù)流二極管，可以保護場效應(yīng)管免受高頻回流的損壞。由于該系統(tǒng)中電動機只做單方向轉(zhuǎn)動，相比橋驅(qū)動電路來說，該電路簡單可靠、價格低廉，加之一般功率場效應(yīng)管的最高柵源極電壓為左右，所以如果在應(yīng)用中需要保證柵源極電壓不能超過，會增加電路的復(fù)雜程度。但在或更低電壓的應(yīng)用中，電路就可以大大簡化。，隔離電源一個穩(wěn)定、可靠的系統(tǒng)，需要一個獨立、安全的供電網(wǎng)絡(luò)來支持，本系統(tǒng)不止一處用到了隔離措施，如：輸入端使用轉(zhuǎn)換器、輸出端使用光電隔離器、供電部分使用隔離穩(wěn)壓電源等（見圖）。大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖隔離電源電路由于采用了抗干擾措施，保證了控

41、制電路與驅(qū)動電路的獨立性，避免干擾傳入控制系統(tǒng)導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，為后續(xù)的軟件設(shè)計提供了平臺保障。本章小結(jié)）介紹了柴油發(fā)動機冷卻系的原理和組成。）介紹了本控制系統(tǒng)的控制原理和構(gòu)成。）重點分析了硬件電路的設(shè)計。發(fā)動機冷卻系的智能控制系統(tǒng)研究冷卻系智能控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的控制原理圖圖為本系統(tǒng)的控制原理圖。通過人為（或默認）方式輸入一個溫度值，此溫度值作為整個系統(tǒng)的設(shè)定值，溫度傳感器檢測到的實際溫度與設(shè)定值作比較，將比較結(jié)果輸入到溫度控制器中，控制器以消除二者間的偏差（糾偏）為目的，控制刪的輸出信號，通過改變風(fēng)扇、水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)整被控參數(shù)（水溫），使其始終向著設(shè)定值的方向變化。圖系統(tǒng)的控制原理圖由于

42、采用了溫度傳感器來實時監(jiān)測水溫的變化，并將檢測值反饋到控制器實時比較，使設(shè)定溫度與實際水溫能夠緊密地聯(lián)系在一起，因此本系統(tǒng)構(gòu)成的是帶有負反饋的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。此種控制方式不但能夠較俠的感應(yīng)到被控參數(shù)的變化并做出相應(yīng)調(diào)整，而且結(jié)合控制算法及吼輸出方式，使得控制精度上得以提高，是溫度控制系中使用較為廣泛的一種控制方式。調(diào)壓調(diào)速原理在各類機電系統(tǒng)中，由于直流電機具有良好的起動、制動和調(diào)速性能，直流調(diào)速技術(shù)已廣泛運用于工業(yè)、航天領(lǐng)域的各個方面。最常用的直流調(diào)速技術(shù)是脈寬調(diào)制（）直流調(diào)速技術(shù)，它具有調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬和耗損低等特點。通過脈寬調(diào)制刪來控制電動機電樞電壓，直流電動機轉(zhuǎn)速的表達式為：足中（）、：電樞端電壓；：每極磁通量；：電樞電流；：電樞電路總電阻：電動機結(jié)構(gòu)參數(shù)絕大多數(shù)直流電動機采用開關(guān)驅(qū)動方式。開關(guān)驅(qū)動方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制來控制電動機電樞電壓，實現(xiàn)調(diào)速。簟藏理霹伯贛入輸毫蕊城影主（）圖喇調(diào)速控制原理和電壓波形圖圖中，電動機的電樞繞組兩端的電壓平均值：籌爭，其中，為占空比，口蘭占空比表示在一個周期里，開關(guān)管導(dǎo)通的時間與周期的比值。的變化范圍為。由上式可知，當(dāng)電源電壓不變的情況下電樞的端電壓的平均值取決于占空比的大小，改變值就可以改變端電壓的平均值，從而達到調(diào)速的目的