汽车发动机冷却系统的智能控制

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1.概述
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。目前,传统的节温器、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。而且三者的动作互不联系,工作效率低,燃油浪费率高,不适应现代汽车技术的发展。针对上述提出的汽车发动机冷却系统的弊端,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、发动机冷却水温度的变化对冷却系统的冷却能力进行自动控制,以实现发动机快速预热,大量减少发动机的传热损失和功率损失。
2.冷却系统的智能控制
系统由于汽车运行过程中产生强烈的振动、热辐射和电磁干扰,因此对该系统电路有特殊要求:①电路要有较高的抗振动能力,以适应不同路况、车况的要求。提高系统整体的可靠性和稳定性。②电路应采取有效的防护隔离措施,以提高其抗干扰能力。
2.1系统组成
该系统由电控冷却风扇、电控节温器、电控导风板、微控制机构组成。电控冷却风扇由电动机驱动;电控节温器利用电加热引起双金属片变形,由双金属片变形带动节温阀旋转运动,来改变大小循环;电控导风板由双向电动机通过传动机构使之打开或关闭;微控制机构是利用89C51开发的单片机控制系统。
2.2单片机控制系统工作原理
由温度传感器感受发动机水温的变化,同时把温度信号转变为同其成反比关系的电压模拟信号。这些信号经过处理(电容器低通滤波、校正和电压跟随器耦合)送入A/D转换器(ADC0809)中INO信号通道。由A/D转换器把采集来的模拟电压信号转换为数字信号并读入单片机,89C510单片机89C51根据不同的输入信号分析处理去控制驱动电路,实现对节温器继电器、导风板继电器和风扇继电器的控制。即可实现对发动机冷却能力的智能控制。
2.3单片机智能控制系统电路设计
单片机智能控制系统电路原理图如图1所示,主要包括微控制器、电源电路、信号采样处理电路、A/D转换器、自动复位电路和控制驱动电路。

微控制器
采用inter公司生产的MCS-51系列单片机AT89C51,一种+5V供电、40脚封装、32根I/O线、HMOSI制造技术、布尔操作处理功能的单片机,可以对信号进行分析、处理计算和控制输出。它是本系统的核心。
电源电路
直流电源+12V经芯片CN7805转换,得到+5V稳定直流电压,与直流电源+12V构成一个二级输出电源。 此外外接有滤波作用的电容器和隔离作用的二极管,从而使输入电压稳定和输入信号可靠。如图2所示。
 

信号采样处理电路
采用负温度系数热敏电阻NTC,其温度值与模拟电压信号成反比。模拟电压信号经电容器滤波后送入ADC0809的INO模拟信号通道。如图3所示。
 

A/D转换器采用常见的ADC0809,二进制输出、逐次比较型转换器。本系统温度模拟量通过通道INO输入A/D转换器,再由A/D转换器输入单片机。
自动复位电路
当系统运行出现错误时,ADC0809的EOC(中断申请)信号经2个与非门和由运放器构成的电压跟随器的处理得到一高电平信号,此信号把三极管基极钳到高电位,三极管导通,由NE555组成的多谐振荡器开始向单片机发出复位脉冲,使单片机复位,此时系统会避开错误操作而返回到正常状态。系统恢复正常状态后,NE555在EOC信号的控制下便会停止工作。如图4所示。
 

控制驱动电路
单片机,输出的控制信号首先送入由电容器和电阻构成的延时电路,经过延时处理后,再送入继电器驱动三极管基极,最后由驱动三极管控制执行元件用继电器,从而控制执行元件。如图5所示。
 

3.系统控制工作过程
当发动机预热时(发动机水温(70℃),单片机根据检测来的温度数据处理分析向执行元件发出控制信号,使其完成如下操作。
a.电控冷却风扇不工作;
b.电控导风板关闭状态;
c.电控节温器处于小循环状态。
由于导风板关闭,冷却风扇不工作,以至冷却空气不能进入散热器;同时节温器处于小循环(加热电阻丝通电),发动机水温上升很快。当水温升至75℃,单片机根据检测来的温度数据处理分析向执行元件发出控制信号,使电控节温器的加热电阻丝断电(让其进入大循环控制状态)。当水温达到80℃时,单片机又发出指令,使电控导风板处于敞开状态。
此时可充分利用汽车行驶迎面风对散热器的冷却作用,尽量减少冷却风扇的工作时间。当水温高达95℃时,单片机经数据分析发出控制指令使电控冷却风扇工作,而让节温器仍处于大循环状态,导风板仍处于敞开状态。这时冷却系统的冷却能力最大,实现快速降温。当发动机水温降至89℃时,单片机根据采样数据分析处理发出控制指令,使执行元件完成以下操作。
a.电控冷却风扇不工作;
b.电控导风板处于敞开状态;
c.电控节温器处于大循环状态。
这样,直到发动机水温返升至95℃,电控冷却风扇又重新工作。

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