汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)智能控制技術(shù)研究.doc

本科畢業(yè)論文（2010屆）題目汽車?yán)鋮s系統(tǒng)智能控制研究學(xué)院機械工程學(xué)院專業(yè)車輛工程班級學(xué)號學(xué)生姓名指導(dǎo)教師完成日期20010年6月摘要本課題是對傳統(tǒng)汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的一些弊端進行改造設(shè)計。由于汽車發(fā)動機傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的風(fēng)扇、水泵、節(jié)溫器工作的協(xié)調(diào)性較差，傳統(tǒng)控制模式限制了發(fā)動機在不同工況下的適應(yīng)性，尤其是在惡劣的工況下過熱導(dǎo)致的發(fā)動機工況異常。為改變這種狀況，先對冷卻風(fēng)扇、水泵、節(jié)溫器的受控因素進行一定研究，測量水溫、空氣流量、發(fā)動機轉(zhuǎn)速等對冷卻系統(tǒng)智能控制重要的傳感參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，對冷卻系統(tǒng)整體智能控制進一步進行研究。智能控制系統(tǒng)將根據(jù)發(fā)動機冷卻水溫、空氣流量、發(fā)動機轉(zhuǎn)速等參數(shù)，以單片機為智能控制核心元件，實現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、電控導(dǎo)風(fēng)板和節(jié)溫器的開閉隨發(fā)動機工況變化自動調(diào)節(jié)的目的。該智能控制系統(tǒng)可縮短發(fā)動機預(yù)熱的時間，提高熱效率，增強了冷卻系統(tǒng)在發(fā)動機不同工況下的適應(yīng)能力，實現(xiàn)對冷卻水溫的精確控制，降低汽車的燃油消耗，達到提高發(fā)動機工作可靠性和使用壽命的目的。關(guān)鍵詞：冷卻系統(tǒng)；智能控制；單片機；節(jié)溫器；傳感器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目錄第一章緒論.11.1課題研究的背景及意義.11.1.1汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的重要性.11.1.2本課題提出的原因.11.1.3汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)智能控制的研究意義.21.2現(xiàn)代發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.31.3課題研究的主要內(nèi)容.4第二章冷卻系統(tǒng)對汽車性能的重要影響.62.1引言.62.2冷卻系統(tǒng)水溫對發(fā)動機經(jīng)濟性和動力性的影響.62.3冷卻水溫度對發(fā)動機可靠性和使用壽命的影響.11第三章車用傳感器.143.1引言.143.2車用熱線式空氣流量傳感器.143.2.1熱線式空氣流量傳感器基本原理.153.2.2熱線式空氣流量傳感器的溫度補償原理.153.2.3測試結(jié)果.173.2.4結(jié)論.183.3溫度傳感器.183.3.1進氣溫度傳感器IATS.193.3.2水溫傳感器CTS.203.4發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器.203.4.1引言.203.4.2霍爾傳感器件.213.4.3檢測原理.213.4.4車輪速度的測試與校準(zhǔn).223.4.5結(jié)論.22第四章智能冷卻系統(tǒng)軟硬件設(shè)計.234.1智能系統(tǒng)設(shè)計要求、組成及原理.234.1.1設(shè)計要求.234.1.2系統(tǒng)組成.234.1.3工作原理.234.2系統(tǒng)硬件設(shè)計.244.2.1單片機最小系統(tǒng)設(shè)計.244.2.2模數(shù)轉(zhuǎn)換硬件設(shè)計.274.2.3單片機的監(jiān)控及復(fù)位電路設(shè)計.304.2.4單片機的電源設(shè)計.324.2.5控制驅(qū)動電路.344.3系統(tǒng)軟件設(shè)計.374.3.1主程序設(shè)計.374.3.2數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計.384.3.3步進電機驅(qū)動控制程序.394.3.4直流電機轉(zhuǎn)速控制程序.40第五章總結(jié)與展望.425.1總結(jié).425.2展望.435.2.1課題展望.435.2.2冷卻系統(tǒng)智能控制展望.43致謝.44參考文獻.45杭州電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計1第一章緒論1.1課題研究的背景及意義1.1.1汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的重要性汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)是保障發(fā)動機正常穩(wěn)定運行的重要輔助系統(tǒng)。作為汽車動力的核心的內(nèi)燃機運轉(zhuǎn)時，與高溫燃氣相接觸的零件受到強烈的加熱，氣缸內(nèi)氣體溫度可高達22002800K，如不加以適當(dāng)?shù)睦鋮s，會使內(nèi)燃機過熱，充氣系數(shù)下降，燃燒不正常(爆燃、早燃等)，機油變質(zhì)和燒損，金屬疲勞脆化，零件的摩擦和磨損加劇，引起內(nèi)燃機的動力性、經(jīng)濟性、可靠性和耐久性全面惡化。汽車發(fā)動機的冷卻必須適度。若發(fā)動機冷卻不足，由于氣缸充氣量減少和燃燒不正常發(fā)動機功率下降，且發(fā)動機零件也會因為潤滑不良而加速磨損。如果冷卻過強，汽油機混合氣形成不良，機油被燃油稀釋，柴油機工作粗暴，散熱損失和摩擦損失增加，零件的磨損加劇，也會使內(nèi)燃機工作變壞。因此，冷卻系統(tǒng)的任務(wù)就是使工作中的發(fā)動機得到適度冷卻，從而保持在最適宜的溫度范圍內(nèi)工作，選擇設(shè)計適當(dāng)?shù)睦鋮s型式并提高冷卻的效率也成為發(fā)動機的關(guān)鍵1。1.1.2本課題提出的原因冷卻系統(tǒng)作為汽車發(fā)動機的輔助系統(tǒng)在汽車運行過程中起著舉足輕重的作用。冷卻系統(tǒng)的主要作用便是保證發(fā)動機在正常的溫度范圍內(nèi)工作，并且冷卻系統(tǒng)的正常工作與否還關(guān)系著汽車的燃油經(jīng)濟性，發(fā)動機壽命及排放量等指標(biāo)。目前影響汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的因素有：發(fā)動機內(nèi)部摩擦損失，冷卻系統(tǒng)消耗的功率，燃燒邊界條件，如燃燒室溫度、充量密度、充量溫度。先進的冷卻系統(tǒng)采用系統(tǒng)化、模塊化設(shè)計方法，統(tǒng)籌考慮每項影響因素，使冷卻系統(tǒng)既保證發(fā)動機正常工作，又提高發(fā)動機效率和減少排放。同時在改進傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)，進行智能化控制的過程中，發(fā)動機的工作溫度極為重要，也是論文研究的重點之所在。汽車發(fā)動機在工作中，由于受季節(jié)變化、天氣溫度變化、使用維護狀況、工作負荷的變化等因素的綜合影響，很容易出現(xiàn)冷卻水溫度偏離正常工作范圍的異常現(xiàn)象。所謂汽車發(fā)動機正常工作溫度范圍，對于不同的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)有不同的規(guī)定。老式的發(fā)動機冷卻散熱系統(tǒng)，因散熱器強度和壓力蓋設(shè)計壓力的限制，冷卻系統(tǒng)內(nèi)部壓力和外部大氣壓力相差不大，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的沸點為10，認為80-90是發(fā)動機的正常工作溫度:而研究表明，通常提高發(fā)動機的水溫有利于提高熱效用和機械效率，降低排放污染，增強冷卻效果。新的冷卻水強制循環(huán)杭州電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計2系統(tǒng)，就是采用壓力蓋提高系統(tǒng)壓力，以提高冷卻水的沸點?？蓪⒗鋮s水的沸點提高到110左右。這樣，該系統(tǒng)的正常工作溫度范圍提高到95105。在日常使用中，傳統(tǒng)的發(fā)動機也會常出現(xiàn)預(yù)熱緩慢、過熱等現(xiàn)象。1.1.3汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)智能控制的研究意義汽車電子化是現(xiàn)代汽車發(fā)展的重要標(biāo)志。近十幾年來，汽車工業(yè)最大的成績就是汽車電子信息化的普及應(yīng)用。汽車的技術(shù)性能已上了一個新的臺階，使其可靠性、動力性、經(jīng)濟性、安全性舒適性和環(huán)保性都有了很大提高。汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)智能化控制也是在這一背景下實現(xiàn)的。汽車工業(yè)的發(fā)展日益受到節(jié)能、環(huán)保、安全三方面越來越高的要求。各種越來越嚴(yán)格的法規(guī)迫使設(shè)計者開發(fā)新一代的汽車時，能使作為汽車“心臟”的發(fā)動機盡可能在最佳工況范圍內(nèi)工作，但是單純在機械上的改進與完善似乎效果不太明顯，這些改進使機構(gòu)變得更復(fù)雜，而且再次改進收效甚微。電子控制元件具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、耗電量少、適應(yīng)性好、成本較低等優(yōu)點，用智能電控代替機械在控制上的改進成效顯著。目前，汽車電子化智能控制已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的潮流。汽車的動力傳動總成、底盤、車身系統(tǒng)和信息通訊都在向智能化、可操作化方向發(fā)展。未來幾十年汽車市場的競爭就其本質(zhì)而言，是汽車電子化的競爭。汽車最終將成為集信息化、電子化和智能化的應(yīng)用載體。由于傳統(tǒng)的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)屬于被動式的，結(jié)構(gòu)簡單且成本低。節(jié)溫器、保溫簾和冷卻風(fēng)扇仍廣泛應(yīng)用于國產(chǎn)汽車發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)。傳統(tǒng)的節(jié)溫器控制冷卻液大小循環(huán)的路線，節(jié)流損失大，工作不可靠，工作效率低，不能根據(jù)發(fā)動機的散熱要求準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的散熱能力；傳統(tǒng)的保溫簾是人為控制散熱器的通風(fēng)量；傳統(tǒng)的冷卻風(fēng)扇由發(fā)動機的曲軸驅(qū)動，其冷卻能力只能隨發(fā)動機的轉(zhuǎn)速的變化而變化，不能滿足實際散熱要求。而且三者的動作互不聯(lián)系，這樣工作效率比較低，燃油浪費率高，不適應(yīng)現(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展。智能控制式冷卻系統(tǒng)可彌補目前冷卻系統(tǒng)的不足?，F(xiàn)在冷卻系統(tǒng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是解決滿負荷時的散熱問題，因而部分負荷時過大的散熱能力將導(dǎo)致發(fā)動機功率浪費。這對輕型車輛來說尤為明顯，這些車輛大多數(shù)時間都在市區(qū)內(nèi)部分負荷下行駛，只利用部分發(fā)動機功率，引