汽车发动机冷却系统智能控制技术研究.doc

本科毕业论文（2010届）题目汽车冷却系统智能控制研究学院机械工程学院专业车辆工程班级学号学生姓名指导教师完成日期20010年6月摘要本课题是对传统汽车发动机冷却系统的一些弊端进行改造设计。由于汽车发动机传统冷却系统的风扇、水泵、节温器工作的协调性较差，传统控制模式限制了发动机在不同工况下的适应性，尤其是在恶劣的工况下过热导致的发动机工况异常。为改变这种状况，先对冷却风扇、水泵、节温器的受控因素进行一定研究，测量水温、空气流量、发动机转速等对冷却系统智能控制重要的传感参数。在此基础上，对冷却系统整体智能控制进一步进行研究。智能控制系统将根据发动机冷却水温、空气流量、发动机转速等参数，以单片机为智能控制核心元件，实现风扇转速、电控导风板和节温器的开闭随发动机工况变化自动调节的目的。该智能控制系统可缩短发动机预热的时间，提高热效率，增强了冷却系统在发动机不同工况下的适应能力，实现对冷却水温的精确控制，降低汽车的燃油消耗，达到提高发动机工作可靠性和使用寿命的目的。关键词：冷却系统；智能控制；单片机；节温器；传感器ABSTRACTThissubjectredesignstraditionalvehicleenginecoolingsystemtoavoidsomeabuses.Becauseofthebadworkingcoordinationamongfan，waterpumpandthermostatintraditionalvehicleenginecoolingsystem，traditionalcontrollingpattern1imitstheenginesadaptabilityindifferentworkingconditions，especiallyenginesworkingconditionanomalycausedbyoverheatbecauseofbadworkingconditions.Thenthepaperfurtherresearchesthewholeintelligentcontrolofcoolingsystem.Theintelligentcontrolsystemwithsingle-chipcomputerasitscoreelementwillachieveself-regu1ationoftheopeningandshuttingoffanrotationalspeed，electricallycontrolledbaffleplateandthermostatalongwiththeenginesoperatingcondition，accordingtotheparametersofenginescoolingtemperature，airflowandenginesrotationalspeed.Tochangethiscondition，thepaperfirstresearchesthecontrolledfactorsofcoolingfan,waterpump，thermostat，andsurveysthesensingparametersofwatertemperature，airflow，enginespeed，whichplayimportantrolesinintelligentcontrolofcoolingsystem.Thisintelligentcontrolsystemcanshortenenginespreheatingtime，enhancethermalefficiency，strengthenthecoolingsystemsadaptabilityunderenginesdifferentoperatingcondition，controlthecoolingtemperatureaccurately，reducetheautomobilesfuelconsumption，andhelptoenhancetheenginesoperationalreliabilityandservicelife.Keywords:Coolingsystem；intelligentcontrol；Single-chipcomputer；thermostat；sensor目录第一章绪论.11.1课题研究的背景及意义.11.1.1汽车冷却系统的重要性.11.1.2本课题提出的原因.11.1.3汽车发动机冷却系统智能控制的研究意义.21.2现代发动机冷却系统的发展趋势和国内外研究现状.31.3课题研究的主要内容.4第二章冷却系统对汽车性能的重要影响.62.1引言.62.2冷却系统水温对发动机经济性和动力性的影响.62.3冷却水温度对发动机可靠性和使用寿命的影响.11第三章车用传感器.143.1引言.143.2车用热线式空气流量传感器.143.2.1热线式空气流量传感器基本原理.153.2.2热线式空气流量传感器的温度补偿原理.153.2.3测试结果.173.2.4结论.183.3温度传感器.183.3.1进气温度传感器IATS.193.3.2水温传感器CTS.203.4发动机转速传感器.203.4.1引言.203.4.2霍尔传感器件.213.4.3检测原理.213.4.4车轮速度的测试与校准.223.4.5结论.22第四章智能冷却系统软硬件设计.234.1智能系统设计要求、组成及原理.234.1.1设计要求.234.1.2系统组成.234.1.3工作原理.234.2系统硬件设计.244.2.1单片机最小系统设计.244.2.2模数转换硬件设计.274.2.3单片机的监控及复位电路设计.304.2.4单片机的电源设计.324.2.5控制驱动电路.344.3系统软件设计.374.3.1主程序设计.374.3.2数据采集程序设计.384.3.3步进电机驱动控制程序.394.3.4直流电机转速控制程序.40第五章总结与展望.425.1总结.425.2展望.435.2.1课题展望.435.2.2冷却系统智能控制展望.43致谢.44参考文献.45杭州电子科技大学毕业设计1第一章绪论1.1课题研究的背景及意义1.1.1汽车冷却系统的重要性汽车发动机冷却系统是保障发动机正常稳定运行的重要辅助系统。作为汽车动力的核心的内燃机运转时，与高温燃气相接触的零件受到强烈的加热，气缸内气体温度可高达22002800K，如不加以适当的冷却，会使内燃机过热，充气系数下降，燃烧不正常(爆燃、早燃等)，机油变质和烧损，金属疲劳脆化，零件的摩擦和磨损加剧，引起内燃机的动力性、经济性、可靠性和耐久性全面恶化。汽车发动机的冷却必须适度。若发动机冷却不足，由于气缸充气量减少和燃烧不正常发动机功率下降，且发动机零件也会因为润滑不良而加速磨损。如果冷却过强，汽油机混合气形成不良，机油被燃油稀释，柴油机工作粗暴，散热损失和摩擦损失增加，零件的磨损加剧，也会使内燃机工作变坏。因此，冷却系统的任务就是使工作中的发动机得到适度冷却，从而保持在最适宜的温度范围内工作，选择设计适当的冷却型式并提高冷却的效率也成为发动机的关键1。1.1.2本课题提出的原因冷却系统作为汽车发动机的辅助系统在汽车运行过程中起着举足轻重的作用。冷却系统的主要作用便是保证发动机在正常的温度范围内工作，并且冷却系统的正常工作与否还关系着汽车的燃油经济性，发动机寿命及排放量等指标。目前影响汽车冷却系统的因素有：发动机内部摩擦损失，冷却系统消耗的功率，燃烧边界条件，如燃烧室温度、充量密度、充量温度。先进的冷却系统采用系统化、模块化设计方法，统筹考虑每项影响因素，使冷却系统既保证发动机正常工作，又提高发动机效率和减少排放。同时在改进传统冷却系统，进行智能化控制的过程中，发动机的工作温度极为重要，也是论文研究的重点之所在。汽车发动机在工作中，由于受季节变化、天气温度变化、使用维护状况、工作负荷的变化等因素的综合影响，很容易出现冷却水温度偏离正常工作范围的异常现象。所谓汽车发动机正常工作温度范围，对于不同的发动机冷却系统有不同的规定。老式的发动机冷却散热系统，因散热器强度和压力盖设计压力的限制，冷却系统内部压力和外部大气压力相差不大，在标准大气压下，水的沸点为10，认为80-90是发动机的正常工作温度:而研究表明，通常提高发动机的水温有利于提高热效用和机械效率，降低排放污染，增强冷却效果。新的冷却水强制循环杭州电子科技大学毕业设计2系统，就是采用压力盖提高系统压力，以提高冷却水的沸点。可将冷却水的沸点提高到110左右。这样，该系统的正常工作温度范围提高到95105。在日常使用中，传统的发动机也会常出现预热缓慢、过热等现象。1.1.3汽车发动机冷却系统智能控制的研究意义汽车电子化是现代汽车发展的重要标志。近十几年来，汽车工业最大的成绩就是汽车电子信息化的普及应用。汽车的技术性能已上了一个新的台阶，使其可靠性、动力性、经济性、安全性舒适性和环保性都有了很大提高。汽车发动机冷却系统智能化控制也是在这一背景下实现的。汽车工业的发展日益受到节能、环保、安全三方面越来越高的要求。各种越来越严格的法规迫使设计者开发新一代的汽车时，能使作为汽车“心脏”的发动机尽可能在最佳工况范围内工作，但是单纯在机械上的改进与完善似乎效果不太明显，这些改进使机构变得更复杂，而且再次改进收效甚微。电子控制元件具有结构紧凑、可靠性高、耗电量少、适应性好、成本较低等优点，用智能电控代替机械在控制上的改进成效显著。目前，汽车电子化智能控制已经成为不可逆转的潮流。汽车的动力传动总成、底盘、车身系统和信息通讯都在向智能化、可操作化方向发展。未来几十年汽车市场的竞争就其本质而言，是汽车电子化的竞争。汽车最终将成为集信息化、电子化和智能化的应用载体。由于传统的发动机冷却系统属于被动式的，结构简单且成本低。节温器、保温帘和冷却风扇仍广泛应用于国产汽车发动机的冷却系统。传统的节温器控制冷却液大小循环的路线，节流损失大，工作不可靠，工作效率低，不能根据发动机的散热要求准确地调节冷却系统的散热能力；传统的保温帘是人为控制散热器的通风量；传统的冷却风扇由发动机的曲轴驱动，其冷却能力只能随发动机的转速的变化而变化，不能满足实际散热要求。而且三者的动作互不联系，这样工作效率比较低，燃油浪费率高，不适应现代汽车技术的发展。智能控制式冷却系统可弥补目前冷却系统的不足。现在冷却系统的设计标准是解决满负荷时的散热问题，因而部分负荷时过大的散热能力将导致发动机功率浪费。这对轻型车辆来说尤为明显，这些车辆大多数时间都在市区内部分负荷下行驶，只利用部分发动机功率，引起冷却系统较高损耗。为解决发动机在特殊情况下过热的问题，现在的冷却系统体积较大，导致冷却效率降低，增大了冷却系统的功率需求，延长了发动机暖机时间。智能可控式发动机冷却系统一般包括传感器、执行器和电控模块。从灵敏性、可靠性、以及发动机的动力性和经济性考虑出发，应使节温器、保温帘和冷却风扇实现多元联合控制，即将传统的冷却风扇改为电控冷却风扇；将传统的节温器改为电控节温器；增设电控导风板；实现上述三者联合控制，即冷却系统的智能控制。它可以根据行车速度、大气环境温度、