1、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(jī)械工程學(xué)院專 業(yè)車輛工程班 級(jí)06010512學(xué) 號(hào)06015232學(xué)生姓名嚴(yán)友指導(dǎo)教師顏志剛完成日期20010年6月摘要本課題是對(duì)傳統(tǒng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的一些弊端進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)工況異常。為改變這種狀況，先對(duì)冷卻風(fēng)扇、水泵、節(jié)溫器的受控因素進(jìn)行一定研究，測量水溫、空氣流量、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等對(duì)冷卻系統(tǒng)智能控制重要的傳感參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)冷卻系統(tǒng)整體智能控制進(jìn)一步進(jìn)行研究。智能控制系統(tǒng)將根據(jù)發(fā)

2、動(dòng)機(jī)冷卻水溫、空氣流量、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)，以單片機(jī)為智能控制核心元件，實(shí)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(dòng)機(jī)工況變化自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。該智 能控制系統(tǒng)可縮短發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱的時(shí)間，提高熱效率，增強(qiáng)了冷卻系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下的適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻水溫的精確控制，降低汽車的燃油消耗，達(dá)到提高發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)；節(jié)溫器；傳感器ABSTRACTThis subject redesigns traditional vehicle engine cooling system to avoid some abuses. Because of the bad

3、 working coordination among fan，water pump and thermostat in traditional vehicle engine cooling system，traditional controlling pattern 1imits the engines adaptability in different working conditions，especially engines working condition anomaly caused by over heat because of bad working conditions. T

4、hen the paper further researches the whole intelligent control of cooling system. The intelligent control system with single-chip computer as its core element will achieve self-regu1ation of the opening and shutting of fan rotational speed，electrically controlled baffle plate and thermostat along wi

5、th the engines operating condition，according to the parameters of engines cooling temperature，air flow and engines rotational speed. To change this condition，the paper first researches the controlled factors of cooling fan, water pump，thermostat，and surveys the sensing parameters of water temperatur

6、e，airflow，engine speed，which play important roles in intelligent control of cooling system. This intelligent control system can shorten engines preheating time，enhance thermal efficiency，strengthen the cooling systems adaptability under engines different operating condition，control the cooling tempe

7、rature accurately，reduce the automobiles fuel consumption，and help to enhance the engines operational reliability and service life.Keywords: Cooling system; intelligent control; Single-chip computer; thermostat; sensor目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc263499947 第一章 緒論 PAGEREF _Toc263499947 h 1 HYPE

8、RLINK l _Toc263499948 1.1 課題研究的背景及意義 PAGEREF _Toc263499948 h 1 HYPERLINK l _Toc263499949 1.1.1 汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的重要性 PAGEREF _Toc263499949 h 1 HYPERLINK l _Toc263499950 1.1.2 本課題提出的原因 PAGEREF _Toc263499950 h 1 HYPERLINK l _Toc263499951 1.1.3 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)智能控制的研究意義 PAGEREF _Toc263499951 h 2 HYPERLINK l _Toc26349995

9、2 1.2 現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc263499952 h 3 HYPERLINK l _Toc263499953 1.3 課題研究的主要內(nèi)容 PAGEREF _Toc263499953 h 4 HYPERLINK l _Toc263499954 第二章 冷卻系統(tǒng)對(duì)汽車性能的重要影響 PAGEREF _Toc263499954 h 6 HYPERLINK l _Toc263499955 2.1 引言 PAGEREF _Toc263499955 h 6 HYPERLINK l _Toc263499956 冷卻系統(tǒng)水溫對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的影響 PA

10、GEREF _Toc263499956 h 6 HYPERLINK l _Toc263499957 2.3 冷卻水溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性和使用壽命的影響 PAGEREF _Toc263499957 h 11 HYPERLINK l _Toc263499958 第三章 車用傳感器 PAGEREF _Toc263499958 h 14 HYPERLINK l _Toc263499959 3.1 引言 PAGEREF _Toc263499959 h 14 HYPERLINK l _Toc263499960 3.2 車用熱線式空氣流量傳感器 PAGEREF _Toc263499960 h 14 HYPER

11、LINK l _Toc263499961 3.2.1 熱線式空氣流量傳感器基本原理 PAGEREF _Toc263499961 h 15 HYPERLINK l _Toc263499962 3.2.2 熱線式空氣流量傳感器的溫度補(bǔ)償原理 PAGEREF _Toc263499962 h 15 HYPERLINK l _Toc263499963 3.2.3 測試結(jié)果 PAGEREF _Toc263499963 h 17 HYPERLINK l _Toc263499964 3.2.4 結(jié)論 PAGEREF _Toc263499964 h 18 HYPERLINK l _Toc263499965 3.

12、3 溫度傳感器 PAGEREF _Toc263499965 h 18 HYPERLINK l _Toc263499966 3.3.1 進(jìn)氣溫度傳感器IATS PAGEREF _Toc263499966 h 19 HYPERLINK l _Toc263499967 3.3.2 水溫傳感器CTS PAGEREF _Toc263499967 h 20 HYPERLINK l _Toc263499968 3.4 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器 PAGEREF _Toc263499968 h 20 HYPERLINK l _Toc263499969 3.4.1 引言 PAGEREF _Toc263499969 h 2

13、0 HYPERLINK l _Toc263499970 3.4.2 霍爾傳感器件 PAGEREF _Toc263499970 h 21 HYPERLINK l _Toc263499971 3.4.3 檢測原理 PAGEREF _Toc263499971 h 21 HYPERLINK l _Toc263499972 3.4.4 車輪速度的測試與校準(zhǔn) PAGEREF _Toc263499972 h 22 HYPERLINK l _Toc263499973 3.4.5 結(jié)論 PAGEREF _Toc263499973 h 22 HYPERLINK l _Toc263499974 第四章 智能冷卻系統(tǒng)

14、軟硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc263499974 h 23 HYPERLINK l _Toc263499975 4.1 智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求、組成及原理 PAGEREF _Toc263499975 h 23 HYPERLINK l _Toc263499976 4.1.1 設(shè)計(jì)要求 PAGEREF _Toc263499976 h 23 HYPERLINK l _Toc263499977 4.1.2 系統(tǒng)組成 PAGEREF _Toc263499977 h 23 HYPERLINK l _Toc263499978 4.1.3 工作原理 PAGEREF _Toc263499978 h 23 HYP

15、ERLINK l _Toc263499979 4.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc263499979 h 24 HYPERLINK l _Toc263499980 4.2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc263499980 h 24 HYPERLINK l _Toc263499981 4.2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc263499981 h 27 HYPERLINK l _Toc263499982 4.2.3 單片機(jī)的監(jiān)控及復(fù)位電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc263499982 h 30 HYPERLINK l _Toc263499983 4.2

16、.4 單片機(jī)的電源設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc263499983 h 32 HYPERLINK l _Toc263499984 4.2.5 控制驅(qū)動(dòng)電路 PAGEREF _Toc263499984 h 34 HYPERLINK l _Toc263499985 4.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc263499985 h 37 HYPERLINK l _Toc263499986 4.3.1 主程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc263499986 h 37 HYPERLINK l _Toc263499987 4.3.2 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc263499987 h 3

17、8 HYPERLINK l _Toc263499988 4.3.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制程序 PAGEREF _Toc263499988 h 39 HYPERLINK l _Toc263499989 4.3.4 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制程序 PAGEREF _Toc263499989 h 40 HYPERLINK l _Toc263499990 第五章 總結(jié)與展望 PAGEREF _Toc263499990 h 42 HYPERLINK l _Toc263499991 總結(jié) PAGEREF _Toc263499991 h 42 HYPERLINK l _Toc263499992 5.2 展望 PAGERE

18、F _Toc263499992 h 43 HYPERLINK l _Toc263499993 5.2.1 課題展望 PAGEREF _Toc263499993 h 43 HYPERLINK l _Toc263499994 5.2.2 冷卻系統(tǒng)智能控制展望 PAGEREF _Toc263499994 h 43 HYPERLINK l _Toc263499995 致謝 PAGEREF _Toc263499995 h 44 HYPERLINK l _Toc263499996 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc263499996 h 45第一章 緒論 課題研究的背景及意義 汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的重要性汽車發(fā)動(dòng)

19、機(jī)冷卻系統(tǒng)是保障發(fā)動(dòng)機(jī)正常穩(wěn)定運(yùn)行的重要輔助系統(tǒng)。作為汽車動(dòng)力的核心的內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，與高溫燃?xì)庀嘟佑|的零件受到強(qiáng)烈的加熱，氣缸內(nèi)氣體溫度可高達(dá)22002800K，如不加以適當(dāng)?shù)睦鋮s，會(huì)使內(nèi)燃機(jī)過熱，充氣系數(shù)下降，燃燒不正常(爆燃、早燃等)，機(jī)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(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和耐久性全面惡化。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻必須適度。若發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻不足，由于氣缸充氣量減少和燃燒不正常發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，且發(fā)動(dòng)機(jī)零件也會(huì)因?yàn)闈櫥涣级铀倌p。如果冷卻過強(qiáng)，汽油機(jī)混合氣形成不良，機(jī)油被燃油稀釋，柴油機(jī)工作粗暴，散熱損失和摩擦損失增加，零件的磨損加劇，也會(huì)使內(nèi)燃機(jī)工作變

20、壞。因此，冷卻系統(tǒng)的任務(wù)就是使工作中的發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)適當(dāng)?shù)睦鋮s型式并提高冷卻的效率也成為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵1。 本課題提出的原因冷卻系統(tǒng)作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助系統(tǒng)在汽車運(yùn)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(dòng)機(jī)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(jì)性，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(jìn)的冷卻系統(tǒng)采用系統(tǒng)化、模塊化設(shè)計(jì)方法，統(tǒng)籌考慮每項(xiàng)影響因素，使冷卻系統(tǒng)既保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，又提高發(fā)動(dòng)機(jī)效

21、率和減少排放。同時(shí)在改進(jìn)傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)，進(jìn)行智能化控制的過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度極為重要，也是論文研究的重點(diǎn)之所在。 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在工作中，由于受季節(jié)變化、天氣溫度變化、使用維護(hù)狀況、工作負(fù)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?，F(xiàn)象。所謂汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作溫度范圍，對(duì)于不同的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)有不同的規(guī)定。老式的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻散熱系統(tǒng)，因散熱器強(qiáng)度和壓力蓋設(shè)計(jì)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(diǎn)為10，認(rèn)為80-90是發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作溫度:而研究表明，通常提高發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫有利于提高熱效用和機(jī)械效率，降低排放污染，增強(qiáng)冷卻效果。新的冷卻水

22、強(qiáng)制循環(huán)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(diǎn)?？蓪⒗鋮s水的沸點(diǎn)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(dòng)機(jī)也會(huì)常出現(xiàn)預(yù)熱緩慢、過熱等現(xiàn)象。 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)新的臺(tái)階，使其可靠性、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性舒適性和環(huán)保性都有了很大提高。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)智能化控制也是在這一背景下實(shí)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(jì)者開發(fā)新一代的汽車時(shí)，能使

23、作為汽車“心臟”的發(fā)動(dòng)機(jī)盡可能在最佳工況范圍內(nèi)工作，但是單純?cè)跈C(jī)械上的改進(jìn)與完善似乎效果不太明顯，這些改進(jìn)使機(jī)構(gòu)變得更復(fù)雜，而且再次改進(jìn)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(diǎn)，用智能電控代替機(jī)械在控制上的改進(jìn)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(dòng)力傳動(dòng)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(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)屬于被動(dòng)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(dòng)機(jī)的

24、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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的曲軸驅(qū)動(dòng)，其冷卻能力只能隨發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的變化而變化，不能滿足實(shí)際散熱要求。而且三者的動(dòng)作互不聯(lián)系，這樣工作效率比較低，燃油浪費(fèi)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(bǔ)目前冷卻系統(tǒng)的不足。現(xiàn)在冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是解決滿負(fù)荷時(shí)的散熱問題，因而部分負(fù)荷時(shí)過大的散熱能力將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率浪費(fèi)。這對(duì)輕型車輛來說尤為明顯，這些車輛大多數(shù)時(shí)間都在市區(qū)內(nèi)部分負(fù)荷下行駛，只利用部分發(fā)動(dòng)機(jī)功率，引起冷卻

25、系統(tǒng)較高損耗。為解決發(fā)動(dòng)機(jī)在特殊情況下過熱的問題，現(xiàn)在的冷卻系統(tǒng)體積較大，導(dǎo)致冷卻效率降低，增大了冷卻系統(tǒng)的功率需求，延長了發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)間。智能可控式發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)一般包括傳感器、執(zhí)行器和電控模塊。從靈敏性、可靠性、以及發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性考慮出發(fā)，應(yīng)使節(jié)溫器、保溫簾和冷卻風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)多元聯(lián)合控制，即將傳統(tǒng)的冷卻風(fēng)扇改為電控冷卻風(fēng)扇;將傳統(tǒng)的節(jié)溫器改為電控節(jié)溫器;增設(shè)電控導(dǎo)風(fēng)板；實(shí)現(xiàn)上述三者聯(lián)合控制，即冷卻系統(tǒng)的智能控制。它可以根據(jù)行車速度、大氣環(huán)境溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度的變化對(duì)冷卻系統(tǒng)的冷卻能力進(jìn)行自動(dòng)控制，以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)快速預(yù)熱，大量減少發(fā)動(dòng)機(jī)的傳熱損失和功率損失。在智能控制式冷卻系統(tǒng)中，執(zhí)行

26、器為冷卻水泵和節(jié)溫器，一般由電動(dòng)水泵和液流控制閥組成，可根據(jù)要求調(diào)整冷卻量。溫度傳感器為系統(tǒng)的一部分，可迅速把發(fā)動(dòng)機(jī)的熱狀態(tài)傳給控制器。智能控制式裝置中，如電動(dòng)水泵，可將冷卻系溫度設(shè)定點(diǎn)從90提高到110，可以節(jié)省2%5%的燃油，CO減少20%，HC減少10%。穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，金屬溫度比傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的高10，智能控制式冷卻系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)能力，可將冷卻溫度保持在設(shè)定點(diǎn)的2范圍。從110下降到100只需2s。發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)間可減少到200s，冷卻系統(tǒng)工作范圍更貼近工作極限區(qū)域，能夠縮小發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻溫度和金屬溫度的波動(dòng)范圍，減少循環(huán)熱負(fù)荷造成的金屬疲勞，延長部件壽命。作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)重要組成部分之一的冷卻

27、系統(tǒng)經(jīng)智能控制改造后，取得了良好的使用效果。發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度更加穩(wěn)定、可靠，預(yù)熱時(shí)間明顯縮短，風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間也減少，燃油消耗率降低，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益?？偨Y(jié)上述可知采用單片機(jī)控制汽車?yán)鋮s系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：各硬件協(xié)調(diào)工作，工作效率高；電子元器件具有體積小，耗能少，拆裝方便的特點(diǎn)；操作方便，各方面系能參數(shù)可調(diào)，能根據(jù)不同的工況對(duì)冷卻系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)，減少了人為調(diào)節(jié)的誤差；切合當(dāng)今世界節(jié)能、環(huán)保、安全的主題。1.2 現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀最近幾年，冷卻系統(tǒng)技術(shù)革新更是日新月異，新冷卻理論、新材料、新工藝、新控制方式的應(yīng)用，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的冷卻效率不斷提高，冷卻效果與實(shí)

28、際效果更加匹配。目前，大部分發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)仍屬于傳統(tǒng)的被動(dòng)系統(tǒng)，只能有限地調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車的熱分布狀態(tài)。但隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，電控零部件技術(shù)成熟，冷卻系統(tǒng)的智能化和自動(dòng)化成為可能。傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)中采用機(jī)械驅(qū)動(dòng)的冷卻水泵和冷卻風(fēng)扇，冷卻介質(zhì)流量取決予發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，而非發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行對(duì)冷卻量的需求，顯然無法實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫在全運(yùn)行工況內(nèi)的合理控制。此外，這些部件耗功嚴(yán)重，比如風(fēng)扇消耗的功率可以達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)總功率輸出的10。采用電子驅(qū)動(dòng)及控制的冷卻水泵、風(fēng)扇、節(jié)溫器等部件，可以通過傳感器和計(jì)算機(jī)芯片跟據(jù)實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度控制運(yùn)行，提供最佳的冷卻介質(zhì)流量，實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)部件的智能化和可控化，同

29、時(shí)降低能耗，提高效率。Elena Cortona等人開發(fā)出的電動(dòng)冷卻系統(tǒng)中2，除了用電動(dòng)冷卻水泵取代傳統(tǒng)機(jī)械冷卻水泵，同時(shí)還用電控智能節(jié)溫器取代傳統(tǒng)的節(jié)溫器，并開發(fā)出與這些電動(dòng)部件相應(yīng)的優(yōu)化控制策略。通過臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，在冷機(jī)起動(dòng)的情況下，新的冷卻系統(tǒng)能夠顯著縮短暖機(jī)時(shí)間，大大提高暖機(jī)溫度。另外，智能節(jié)溫器對(duì)冷卻液的良好控制允許冷卻系統(tǒng)有較高的出水溫度。在相同的配置和冷卻要求下，電動(dòng)水泵的能量消耗僅為機(jī)械水泵的16，即使考慮到電能的轉(zhuǎn)換效率只有機(jī)械能效率的一半，整個(gè)冷卻系統(tǒng)的能量消耗仍可降低23左右，優(yōu)勢十分明顯。Hoon Cho等人用電控冷卻水泵取代傳統(tǒng)機(jī)械零泵，利用試驗(yàn)和模擬對(duì)比分析

30、發(fā)現(xiàn)，通過控制水泵轉(zhuǎn)速并提高電控水泵效率，功率消耗降低量超過87，若將水泵轉(zhuǎn)速提高至最大值時(shí)，可降低散熱器尺寸超過27，對(duì)提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能和燃料經(jīng)濟(jì)性潛力很大3。Valeo Engine Cooling公司較早開發(fā)出了一種可變速冷卻風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)4，其風(fēng)扇速度能根據(jù)冷卻液溫度和空氣調(diào)節(jié)循環(huán)參數(shù)來調(diào)整，從而能夠降低噪聲和燃料消耗。國內(nèi)郭新民等人對(duì)汽車智能化可控式冷卻系統(tǒng)統(tǒng)進(jìn)行了研究，他們利用單片機(jī)開發(fā)出的智能冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)節(jié)溫器、保溫簾和冷卻風(fēng)扇的多元聯(lián)合智能控制，單片機(jī)控制電路是基于AT89C51單片機(jī)開發(fā)的。電控冷卻系統(tǒng)可以精確、自動(dòng)地調(diào)節(jié)冷卻液的溫度，把發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度控制在最佳范圍，從前延長

31、發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的故障率。另外，還可根據(jù)汽車的行駛速度、發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水溫來綜合控制冷卻系統(tǒng)，從而達(dá)到降低油耗和提噶破發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的效果。1.3 課題研究的主要內(nèi)容由單片機(jī)等智能控制元件組成的冷卻智能控制系統(tǒng)，是以當(dāng)前廣泛使用在汽車拖拉機(jī)上的傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)為研究模型，冷卻水溫、進(jìn)氣量、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為控制因素，對(duì)其進(jìn)行測量和控制。論文目標(biāo)是研究出以溫度測控為主的智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻水溫、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣量的自動(dòng)測量和自動(dòng)控制。課題研究的幾個(gè)關(guān)鍵性技術(shù)：信號(hào)的采集和處理：對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、進(jìn)氣量大小壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等信號(hào)參數(shù)的采集，非常重要，它們是智能控制實(shí)現(xiàn)的依據(jù)

32、。信號(hào)采集時(shí)，可用兩個(gè)同類型傳感器進(jìn)行多次測量，剔除最高值和最低值，取平均值作為該次測量的取樣值。用平均值作為測量值可以減少測量誤差，提高控制精度。（2） 模塊化設(shè)計(jì)：控制系統(tǒng)整體采用模塊化設(shè)計(jì)，如單片機(jī)智能控制模塊、自動(dòng)復(fù)位模塊、數(shù)據(jù)采集與信號(hào)調(diào)理模塊、習(xí)D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，這樣便于擴(kuò)展，適用性強(qiáng)。智能控制系統(tǒng)不僅可以控制節(jié)溫器的閥門，同時(shí)還可以用于控制電控冷卻風(fēng)扇、電控導(dǎo)風(fēng)板等，只要增加不同的控制裝置，就可以有不同的用途。本文的最后一章對(duì)全文作了總結(jié)，并分析了課題中的一些不足之處，對(duì)今后的研究進(jìn)行了展望。第二章 冷卻系統(tǒng)對(duì)汽車性能的重要影響2.1 引言汽車?yán)鋮s系統(tǒng)在維持發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作方面起著極

33、為重要的作用，現(xiàn)代汽車的冷卻系統(tǒng)絕大部分采用水作為冷卻介質(zhì)，有些再加入一些添加劑。通過水的循環(huán)運(yùn)動(dòng)和散熱器的對(duì)流換熱作用帶走發(fā)動(dòng)機(jī)工作中的熱量。散熱狀況的好壞直接影響水溫的高低，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況有很重要的影響。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中燃?xì)馔ㄟ^氣缸蓋壁、氣缸壁將熱量傳給冷卻水(圖所示)，從傳熱學(xué)原理可知，其傳熱計(jì)算公式為： （2-1） （2-2）式中：q熱流密度，K傳熱系數(shù)，、燃?xì)夂屠鋮s液溫度，材料導(dǎo)熱系數(shù)，壁厚，m、內(nèi)外壁面的溫度，圖 熱量傳遞示意圖由公式(2-1)可以看出，燃?xì)馔ㄟ^壁面?zhèn)鹘o冷卻水的熱量與燃?xì)夂屠鋮s水兩者的溫差成正比，即當(dāng)燃?xì)夂屠鋮s液的溫差不大時(shí)，那么通過壁面損失的熱量就會(huì)減少:相

34、反，則發(fā)動(dòng)機(jī)的熱能損失較大。在保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的前提下，為了減少該項(xiàng)損失提高燃油經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)盡量提高冷卻液的溫度。其次，由于冷卻水溫度提高，在同樣負(fù)荷下，燃燒室內(nèi)壁溫度將有所提高，從而使壓縮終了溫度有所提高。溫度提高將改善燃油的汽化條件，能明顯縮短滯燃期，改善燃燒過程。圖為某車試驗(yàn)結(jié)果。顯示出了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響。冷卻水出水溫度從50增加到85，可提高經(jīng)濟(jì)性約3%。圖 某車燃油經(jīng)濟(jì)性提高與出水溫度的關(guān)系冷卻水的溫度對(duì)氣缸壁面的溫度幾有很大影響，冷卻液溫度的變化將會(huì)導(dǎo)致氣缸壁面溫度成比例改變，錢蘭的研究表明壁面溫度對(duì)缸內(nèi)換熱特性具有影響，進(jìn)一步影響到混合氣的燃燒，因而提高冷卻介質(zhì)溫度

35、能減少工質(zhì)傳給氣缸壁的熱量。前蘇聯(lián)實(shí)驗(yàn)表明，冷卻水和潤滑油溫度每提高10，發(fā)動(dòng)機(jī)有效效率可以提高315410%。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，從節(jié)約燃油消耗來看，顯然冷卻水溫度提高有利于降低燃油消耗率。圖.3表示在L2O7E型單缸機(jī)上的試驗(yàn)結(jié)果，該發(fā)動(dòng)機(jī)采用機(jī)油冷卻活塞。在65、75、85時(shí)試驗(yàn)了冷卻水溫度改變時(shí)對(duì)其所帶走的總散熱量的影響。由圖可以明顯看出，隨著機(jī)油和冷卻水溫的提高，帶走的總熱量Qw逐漸減少。當(dāng)水溫和機(jī)油溫度同時(shí)由70提高到85和95時(shí)，燃油消耗率分別降g/kwh和g/kwh。圖 冷卻介質(zhì)溫度對(duì)熱傳量的影響10噸載重汽車用水冷柴油機(jī)的冷卻水溫度與燃油消耗率的關(guān)系實(shí)例見圖，可以看出，隨著

36、冷卻水溫的提高，消耗單位體積的燃油汽車所行駛的距離也隨之增加，即提高了燃油的經(jīng)濟(jì)性。圖 冷卻水溫度與燃油消耗率的關(guān)系由以上分析可以看出，較高的冷卻水溫使燃油的經(jīng)濟(jì)性提高，但冷卻水溫度過高，由于燃燒室和燃?xì)鉁囟壬?，使發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率下降，各缸進(jìn)氣量減少，因而使燃燒過程延長或惡化，反而會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，油耗增加，所以冷卻水要維持適宜的溫度以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。此外，冷卻水溫度直接影響機(jī)油的溫度，而潤滑油粘度對(duì)摩擦損失影響較大，將直接影響機(jī)械損失功率的大小，從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性帶來較大影響。粘度大則機(jī)油內(nèi)摩擦力大，流動(dòng)性差，使摩擦損失增加，但其承載能力強(qiáng)，易保持液體潤滑狀態(tài)；反之，機(jī)油粘度小，則

37、流動(dòng)性能好，消耗的摩擦功小，但承載能力差，油膜易破裂而失去潤滑。圖.5表示了機(jī)械損失功率Pm 與機(jī)油溫度之間的關(guān)系。從圖中可知，油溫在某一特定值tm時(shí)機(jī)械損失功率具有最小值Pm最小，高于tm時(shí)，由于機(jī)油粘度減小，油膜易破，導(dǎo)致潤滑不良，摩擦損失增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損傷發(fā)動(dòng)機(jī)零件。這種情況易在冷卻不足、發(fā)動(dòng)機(jī)過熱時(shí)產(chǎn)生；如果油溫過低，則機(jī)油粘度增大，Pm也增大，使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性下降。 圖機(jī)械損失功率Pm隨機(jī)油溫度的變化冷卻散失的熱量是熱效率降低的原因之一，同時(shí)熱效率同發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率之間具有一定的關(guān)系。應(yīng)用加拿大學(xué)者Curzon的有限時(shí)間熱力學(xué)理論分析發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性；以工質(zhì)的當(dāng)量溫度為Tcp的可逆等溫膨

38、脹過程和工質(zhì)與高溫?zé)嵩撮g的傳熱過程來代替循環(huán)中的定容放熱過程。由此可以得到在吸熱和放熱過程中，從高溫?zé)嵩次蘸蛡鹘o低溫?zé)嵩吹臒崃糠謩e為： （2-3） （2-4）式中：、分別為吸熱和放熱過程中的傳熱系數(shù)，在內(nèi)燃機(jī)循環(huán)分析中，常數(shù)=，分析中用h表示；、各為吸熱和放熱過程所經(jīng)歷的時(shí)間，若令一個(gè)循環(huán)的時(shí)間為t，則可認(rèn)為=at，=bt，其中a，b均為小于1的常數(shù)；， 分別為高低溫?zé)嵩礈囟炔⑶矣?由(2-3) 、(2-4) 及熱力學(xué)公式，根據(jù)輸出功率表達(dá)式: (2-5)和熱效率表達(dá)式: (2-6)可以導(dǎo)出發(fā)動(dòng)機(jī)理論循環(huán)輸出功率P和熱效率為: (2-7) (2-8)由(2-7)、(2-8)消去后，得到輸出功

39、率P與熱效率之間的函數(shù)關(guān)系式: (2-9)由式(2-9)可導(dǎo)出，當(dāng)a、b、h、為常數(shù)時(shí)，P有極大值 (2-10)此時(shí)由分析可以看出，熱效率增大能使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率增加，使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性提高；冷卻散熱會(huì)使熱效率降低，所以適當(dāng)提高冷卻液溫度可以增加發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率的輸出。綜上所述，冷卻水應(yīng)保持適宜的溫度，避免偏低的數(shù)值，既可減少散熱損失，改善燃燒過程，又有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。2.3 冷卻水溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性和使用壽命的影響適宜而穩(wěn)定的冷卻水溫度能保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常使用的可靠性，并能延長其使用壽命。相反，發(fā)動(dòng)機(jī)受熱不均勻，局部溫度異常升高，則會(huì)造成各種問題。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒產(chǎn)生的熱對(duì)圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室

40、的各種零部件加熱，在冷卻狀態(tài)差時(shí)，燃燒室部分的氣缸蓋、分開式燃燒室、活塞、排氣門等處過分地受熱(如圖所示)，會(huì)使材料強(qiáng)度下降很大，造成磨損加大，影響該部分零件及周圍結(jié)構(gòu)的可靠性及使用壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生故障，造成發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)廢。圖 零部件材料強(qiáng)度與溫度的關(guān)系冷卻不充分還對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)滑動(dòng)部分的潤滑油產(chǎn)生熱影響。潤滑油的粘度隨溫度變化的公式如下： （2-11）式中、 分別為潤滑油在壓力p與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1O1325Pa) 下溫度t與某標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)的動(dòng)力粘度，Pas；k、b分別為某種潤滑油所對(duì)應(yīng)的常數(shù)。一般取，k2；p潤滑油所承受的表壓力(或稱相對(duì)壓力)，Pa；、t潤滑油的某一標(biāo)準(zhǔn)溫度及在壓力p時(shí)的溫度，；

41、從該式中可以看出，潤滑油的動(dòng)力粘度與溫度t的二次方成反比，即隨著溫度的升高潤滑油的動(dòng)力粘度急劇下降。潤滑油動(dòng)力粘度降低會(huì)使?jié)櫥饔媒档停⑶矣捎跈C(jī)油變質(zhì)，發(fā)生異常磨損，粘結(jié)等故障。隨著溫度升高，腐蝕磨損也呈增大趨勢。冷卻系統(tǒng)水溫正常時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)良好，氣缸壁與活塞環(huán)之間總存在一層潤滑油膜。而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于異常工況時(shí)，氣缸與活塞環(huán)之間的潤滑油膜遭到破壞，兩者有微小部分金屬面直接接觸，摩擦造成局部高溫，使之熔融粘著、撕脫，并逐步擴(kuò)展造成粘著磨損。如果這時(shí)油膜得以及時(shí)恢復(fù)，能起到充分的清洗和冷卻作用，使溫度下降，微小熔著部分脫落而不會(huì)擴(kuò)展；如果油膜恢復(fù)遲緩，熔著擴(kuò)展將導(dǎo)致大范圍異常磨損，缸壁、活塞

42、及活塞環(huán)急速遭到嚴(yán)重?fù)p傷，在缸壁表面上會(huì)呈現(xiàn)熔融流動(dòng)狀況，顯出不均勻、不規(guī)則邊緣的溝痕和皺褶，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。如圖所示為潤滑油溫度與軸承磨損關(guān)系的實(shí)例。圖s)不但過高的溫度有損發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，溫度過低也影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。當(dāng)氣缸壁溫度低于零點(diǎn)時(shí)，氣缸壁發(fā)生化學(xué)腐蝕。發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒產(chǎn)物中含有、和水蒸氣等，酸性物和水蒸氣極易凝結(jié)在氣缸表面上。在缸壁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成化學(xué)腐蝕;在冷卻水溫低和低溫起動(dòng)時(shí)，缸壁溫度低，這時(shí)水蒸氣會(huì)在缸壁上凝聚成水、及部分，極易與水分形成酸性物，酸性物侵蝕油膜后，會(huì)與缸壁發(fā)生劇烈的電化學(xué)反應(yīng)，造成電化學(xué)腐蝕。腐蝕沿著缸孔材料組織中的石墨發(fā)生，在氣缸上部形成疏松

43、的細(xì)小洞穴，進(jìn)而在摩擦作用下造成缸壁金屬脫落。此外，溫度低，燃油霧化不良，燃油呈滴狀，沖刷氣缸壁，洗掉油膜，破壞了潤滑，加劇了磨損。實(shí)踐表明，冷卻水溫度愈低，磨損速度愈大。水冷發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水溫度與活塞環(huán)磨損、氣缸磨損的實(shí)例圖見圖、圖2.。圖 低溫活塞環(huán)磨損實(shí)例圖 低溫氣缸磨損實(shí)例發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，氣缸蓋和氣缸壁面內(nèi)外兩側(cè)存在較大的溫差，由于內(nèi)壁的溫度高，所以內(nèi)壁的膨脹必然大于外壁，但內(nèi)壁的膨脹受到外壁的限制，故內(nèi)壁產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，而外壁產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，即所謂的熱應(yīng)力，在此應(yīng)力的作用下，氣缸容易發(fā)生扭曲變形，會(huì)出現(xiàn)拉缸現(xiàn)象，造成發(fā)動(dòng)機(jī)的嚴(yán)重?fù)p壞。熱應(yīng)力的大小與溫差成正比。當(dāng)冷卻水溫度較高時(shí)，就減小，熱應(yīng)

44、力也隨之而減小。由此，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)應(yīng)保持適宜的溫度，在保證正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提下應(yīng)盡量提高發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫。第三章 車用傳感器3.1 引言隨著電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，越來越多的領(lǐng)域電子化、信息化的發(fā)展時(shí)代。將電子技術(shù)運(yùn)用到汽車?yán)鋮s系統(tǒng)當(dāng)中符合技術(shù)的要求和時(shí)代的要求。作為電子技術(shù)的一個(gè)分支，傳感器技術(shù)也被廣泛的運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域，如日常信息、通訊、汽車、醫(yī)療等外圍精密設(shè)備。其中又以汽車工業(yè)作為車用傳感器產(chǎn)品最為突出，一般使用在車上的傳感器是以行車計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為輸入裝置，它將汽車運(yùn)行中各種工作狀況信息，包括車速、車況及各種介質(zhì)的溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工作狀況及路面信息等，轉(zhuǎn)化成電訊號(hào)輸給計(jì)算機(jī)，以便發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳

45、工作狀態(tài)、排放廢氣污染為最小，及車身穩(wěn)定控制使行車最安全，是汽車電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，也是汽車電子技術(shù)領(lǐng)域研究的主要核心?，F(xiàn)在幾乎所有車體上的機(jī)械結(jié)構(gòu)及組件都已受到電子設(shè)備掌控，但因?yàn)檐圀w內(nèi)可應(yīng)用空間過于狹隘，構(gòu)件系統(tǒng)空間更是受到限制。因此，在一般的理想狀況下，電子控制單元應(yīng)該會(huì)與受到控制組件緊密結(jié)合，而逐漸形成一個(gè)整體。因此，電路及組件的微型化、模塊化是必然趨勢，從工程的角度來看，將傳感器組件微型化有其優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)代汽車上微機(jī)電技術(shù)發(fā)展的車用傳感器發(fā)展趨勢應(yīng)朝多功能化、模塊化、智能化、微型化技術(shù)方向發(fā)展。以本文研究的冷卻系統(tǒng)為例，為使發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳工作狀態(tài)，從運(yùn)用空氣流量傳感器量測冷卻汽缸體的

46、空氣流量、壓力傳感器量測進(jìn)氣壓力開始，再根據(jù)冷卻水溫、汽缸體周圍空氣溫度等工作環(huán)境參數(shù)(運(yùn)用溫度傳感器)計(jì)算出冷卻液的動(dòng)態(tài)流量，同時(shí)再通過節(jié)氣門位置傳感器檢測節(jié)氣門的開度，確定發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，進(jìn)而控制、調(diào)整冷卻系統(tǒng)大小循環(huán)，最后還需要通過曲軸的角速度傳感器監(jiān)測曲軸轉(zhuǎn)角和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，判斷發(fā)動(dòng)機(jī)車速訊號(hào)，最終計(jì)算出并發(fā)出最佳冷卻效果工作狀態(tài)的指令。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)和點(diǎn)火綜合控制系統(tǒng)還可以結(jié)合氣體濃度傳感器來監(jiān)控系統(tǒng)廢氣排放，并與起動(dòng)系統(tǒng)等組合，構(gòu)成可使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩最佳化，而同時(shí)姍油消耗和廢氣排放最低化的智能型系統(tǒng)?？偟膩碚f，車用電子系統(tǒng)系是由各個(gè)電子控制單元所組成，不但具有自我操

47、控能力，同時(shí)又有協(xié)調(diào)整合功能使車上各個(gè)子系統(tǒng)達(dá)到最佳工作效率。3.2 車用熱線式空氣流量傳感器空氣流量傳感器用于現(xiàn)代汽車汽油噴射系統(tǒng)中，安裝在空氣濾清器和節(jié)氣門體之間，用來測定吸入發(fā)動(dòng)機(jī)中的空氣量的多少，作為決定基本噴油量的參數(shù)。電子控制汽油噴射式發(fā)動(dòng)機(jī)為了在各種運(yùn)轉(zhuǎn)工況下都能獲得最佳濃度(空燃比)的混合氣，必須正確地測定每一瞬間吸入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣量，作為電控單元(ECU) 計(jì)算并控制噴油量的主要依據(jù).目前，應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量傳感器大致可分為熱線式和熱膜式兩大類，由于熱線(膜)式質(zhì)量型空氣流量傳感器能直接測出空氣質(zhì)量流量，具有測量準(zhǔn)確度高、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，因此，該兩種類型空氣流量傳感器

48、已在現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上廣泛應(yīng)用。由于熱線式和熱膜式的工作原理相同，本文僅對(duì)熱線式空氣流量計(jì)的工作原理、溫度補(bǔ)償和輸出特性進(jìn)行探討。 熱線式空氣流量傳感器基本原理熱線式空氣流量傳感器是建立在熱平衡原理基礎(chǔ)上的。其工作原理如圖所示。在空氣通道中放置熱線(鉑絲)RH ，當(dāng)空氣通過流量計(jì)時(shí)，熱線被冷卻，工作溫度下降，其電阻值隨之減小，電橋失去平衡。此時(shí)集成運(yùn)算放大器會(huì)自動(dòng)增加供給熱線的電流，使熱線恢復(fù)原來的工作溫度和電阻值，直至電橋恢復(fù)平衡。1、進(jìn)氣 2、集成運(yùn)算放大器 3、輸出信號(hào)(E)R1，R2，R3 電阻器 RC 補(bǔ)償電阻器 RH 熱線電阻器圖 熱線式空氣流量傳感器電路原理圖 熱線式空氣流量傳感器

49、的溫度補(bǔ)償原理盡管熱線式空氣流量傳感器的輸出信號(hào)(E)直接反映了空氣質(zhì)量流量，但由于空氣的熱傳導(dǎo)、密度、粘性以及空氣與熱線之間的溫差都和空氣的溫度緊密相關(guān)，因此，空氣溫度的改變必然會(huì)導(dǎo)致熱線式空氣流量傳感器的輸出信號(hào)的改變。由于在相同的空氣質(zhì)量流速下，環(huán)境溫度的變化會(huì)影響熱線的熱耗散率，進(jìn)而影響傳感器的輸出電壓，因而有必要對(duì)由于環(huán)境溫度變化而引起流量傳感器輸出信號(hào)變化的情況進(jìn)行修正，即溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償?shù)幕舅枷刖褪侨藶榈鼗蜃詣?dòng)地改變敏感元件的溫度，以便對(duì)相同的流體流量給出與溫度變化無關(guān)的相同輸出，或者說敏感元件的溫度總是被調(diào)整到使空氣流量傳感器的輸出與溫度無關(guān)的溫度上。對(duì)于熱線式空氣流量傳感

50、器來說，常用的溫度補(bǔ)償方法是將惠斯登電橋中與熱線斜對(duì)的電阻改成串聯(lián)并聯(lián)電路，如圖所示。其中，為具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻器，將其安放在與熱線相同的流場中。通過在不同環(huán)境溫度下熱線探頭熱耗散特性試驗(yàn)，確定使輸出電壓保持基本恒定的串聯(lián)電阻器和并聯(lián)電阻器。將經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)臒峋€空氣流量傳感器與未經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)臒峋€空氣流量傳感器作對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表所示。溫度補(bǔ)償試驗(yàn)結(jié)果表明:熱線式空氣流量傳感器經(jīng)溫度補(bǔ)償后，大大減少了環(huán)境溫度對(duì)其輸出產(chǎn)生的影響。圖3.2.2 溫度補(bǔ)償電路原理圖熱線式空氣流量傳感器由兩部分組成:一部分是傳感探頭恒溫控制電路(constant temperature control ci

51、rcuit)；另一部分是信號(hào)調(diào)節(jié)電路(signal conditioning circuit)，如圖所示。表 溫度補(bǔ)償試驗(yàn)結(jié)果溫度()有溫度補(bǔ)償輸出(V)無溫度補(bǔ)償輸出(V)20304050圖 熱線式空氣流量傳感器電路框圖恒溫控制電路主要是保持傳感探頭(熱線)溫度與環(huán)境溫度的溫差恒定:信號(hào)調(diào)節(jié)電路主要是對(duì)流量傳感器的檢測信號(hào)進(jìn)行放大和線性化處理。由于熱線式空氣流量傳感器的輸出與空氣質(zhì)量流量之間是非線性關(guān)系，從測量的角度來看，任何非線性關(guān)系都是不利的，因?yàn)檫@給使用和標(biāo)定帶來困難，因而有必要對(duì)熱線式空氣流量傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行線性化處理。針對(duì)熱線式空氣流量傳感器，采用了多項(xiàng)式近似線性法。原理框圖如

52、圖.4所示。圖 多項(xiàng)式近似線性化框圖通過對(duì)熱線式空氣流量傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行多項(xiàng)式線性化處理，利Matlab對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到熱線式空氣流量傳感器輸出線性擬合方程為: （3-1）式中為熱線式空氣流量傳感器輸出電壓，單位V。 測試結(jié)果將研制的熱線式空氣流量傳感器放在汽車上試驗(yàn)，使用故障閱讀器551和汽車系統(tǒng)測試儀對(duì)熱線式空氣流量傳感器進(jìn)行測試，將測試的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)的BOSCH熱膜式空氣流量傳感器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖所示。圖 熱線式空氣流量傳感器測試結(jié)果 結(jié)論(1)熱線式空氣流量傳感器可直接測量電噴發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣空氣質(zhì)量流量，但需要對(duì)空氣溫度的變化進(jìn)行修正；(2) 傳感器響應(yīng)時(shí)間對(duì)汽車運(yùn)行

53、性能有較大影響，其階躍響應(yīng)時(shí)間應(yīng)不大于100ms；(3)所研制的傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測量準(zhǔn)確度高、測量重復(fù)性好，應(yīng)用于汽車電噴系統(tǒng)中，其性能指標(biāo)完全滿足要求。3.3 溫度傳感器溫度是反映發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷狀態(tài)極為重要的參數(shù)。為了保證電子控制系統(tǒng)能夠精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)的工作參數(shù)，必須隨時(shí)監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液溫度、進(jìn)氣溫度、排氣溫度和燃油溫度等等，以便修正各種控制參數(shù)、計(jì)算吸入氣缸空氣的質(zhì)量流量以及進(jìn)行排氣凈化處理等等。眾所周知，空氣質(zhì)量大小與進(jìn)氣溫度和大氣(進(jìn)氣)壓力高低有關(guān)。當(dāng)進(jìn)氣溫度低時(shí)，空氣密度大，相同體積氣體的質(zhì)量增大；反之，當(dāng)進(jìn)氣溫度升高時(shí)，相同體積氣體的質(zhì)量將減小。在采用歧管壓力式、翼片式、卡爾曼

54、渦流式、量芯式空氣流量傳感器的燃油噴射系統(tǒng)中，由于空氣流量傳感器測定的空氣流量為體積流量，因此需要配裝進(jìn)氣溫度傳感器和大氣壓力傳感器來修正噴油量，使發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)適應(yīng)外部環(huán)境溫度(寒冷、高溫)和壓力(高原、平原)的變化。當(dāng)進(jìn)氣溫度低(空氣密度大)時(shí)，ECU將控制噴油器增加噴油量。反之， 當(dāng)進(jìn)氣溫度高(空氣密度小)時(shí)，ECU將控制噴油器減少噴油量。溫度傳感器的種類很多，按結(jié)構(gòu)不同可分為熱敏電阻式、金屬膜電阻式、金屬沫電阻式、碳沫電阻式、線繞電阻式、半導(dǎo)體晶體管式等等。由于熱敏電阻式溫度傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)特性好、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的突出優(yōu)點(diǎn)，因此在汽車電子控制系統(tǒng)中廣泛采用。熱敏電阻可分為正溫度

55、系數(shù)PTC型熱敏電阻、負(fù)溫度系數(shù)NTC型熱敏電阻、臨界溫度型熱敏電阻(CTR)和線性熱敏電阻四種。常用熱敏電阻有負(fù)溫度系數(shù)NTC型和正溫度系數(shù)PTC型兩種。汽車電子控制系統(tǒng)普遍采用AD590溫度傳感器，如冷卻液溫度傳感器CTS、進(jìn)氣溫度傳感器IATS、排氣溫度傳感器EATS、燃油溫度傳感器FTS等等。AD590是美國ANALOG DEVICES公司的單片集成兩端感溫電流源。其主要特性如下：(1) 流過器件的電流(A) 等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度(開爾文) 度數(shù)：Ir/T=1 式中，Ir流過器件(AD590) 的電流，單位為A；T熱力學(xué)溫度，單位為K；(2) AD590的測溫范圍為- 55+1

56、50；(3) AD590的電源電壓范圍為430 V，可以承受44 V正向電壓和20 V反向電壓，因而器件即使反接也不會(huì)被損壞；(4) 輸出電阻為710m；(5) 精度高，AD590在- 55+150范圍內(nèi)，非線性誤差僅為。溫度傳感器的特性圖如圖所示。圖 溫度傳感器的特性圖 進(jìn)氣溫度傳感器IATS進(jìn)氣溫度傳感器IATS，安裝在進(jìn)氣管路中，其功用是檢測進(jìn)氣溫度，并將溫度信號(hào)變換為電信號(hào)傳送給電控單元ECU。進(jìn)氣溫度信號(hào)是各種控制功能的修正信號(hào)。以便使ECU對(duì)噴油量進(jìn)行分析修正，從而獲得最佳的空燃比。如果進(jìn)氣溫度傳感器信號(hào)中斷，就會(huì)導(dǎo)致熱起動(dòng)困難、廢氣排放量增大。目前，電噴發(fā)動(dòng)機(jī)所安裝的進(jìn)氣溫度傳感

57、器，大多是采用熱敏電阻做元件的熱敏式溫度傳感器。傳感器中裝有用半導(dǎo)體材料做成的熱敏電阻。將傳感器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管道內(nèi)，熱敏電阻的阻值將隨進(jìn)氣溫度的變化而變化，控制電腦ECU通過檢測來自進(jìn)氣溫度傳感器內(nèi)熱敏電阻阻值變化而引起其測試電路電壓的波動(dòng)，進(jìn)而對(duì)進(jìn)氣溫度進(jìn)行檢測。在D型電噴系統(tǒng)中(是靠進(jìn)氣壓力的變化對(duì)進(jìn)氣量進(jìn)行檢測)，進(jìn)氣溫度傳感器無論安裝或信號(hào)輸出都是獨(dú)立的，它通常安裝在空氣濾清器的殼體或進(jìn)氣管內(nèi)，與控制電腦ECU 有兩個(gè)接線端子。其一是進(jìn)氣溫度信號(hào)線“THA”；其二是搭鐵接柱“E”。在采用葉板式或渦流式空氣流量傳感器的電控系統(tǒng)(L型電噴系統(tǒng))中，由于吸入空氣溫度的變化會(huì)引起空氣密度發(fā)

58、生變化，因此需要進(jìn)氣溫度傳感器和空氣流量傳感器配合使用，以便于進(jìn)氣量的準(zhǔn)確檢測。這時(shí)，通常將進(jìn)氣溫度傳感器作為空氣流量傳感器的一個(gè)零件置于其內(nèi)。因此，進(jìn)氣溫度的信號(hào)便從空氣流量傳感器接線端子“THA”處輸出。同時(shí)，還設(shè)有專門的進(jìn)氣溫度傳感器搭鐵端子“E”與控制電腦通過導(dǎo)線相連。 水溫傳感器CTS冷卻液溫度(水溫)傳感器CTS，又稱為水溫傳感器，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液出水管上，其功用是檢測發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的溫度，并將溫度信號(hào)變換為電信號(hào)傳送給ECU。通常采用負(fù)溫度系數(shù)NTC型熱敏電阻。ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度信號(hào)修正噴油時(shí)間和點(diǎn)火時(shí)間，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)工況處于最佳狀態(tài)運(yùn)行。尤其在發(fā)動(dòng)機(jī)低溫時(shí)給控制電腦ECU提

59、供低溫信號(hào)，以使噴油器噴出額外的供油量，使發(fā)動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)和將發(fā)動(dòng)機(jī)快速預(yù)熱完畢。水溫傳感器通常安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體(或缸蓋)的冷卻水通道上，以便準(zhǔn)確檢測水溫的變化。水溫傳感器不需外加電源，直接與冷卻水相接觸。水溫傳感器探頭上裝有非常敏感的負(fù)溫度系數(shù)NTC型熱敏電阻。該熱敏元件的電阻值，隨冷卻水的溫度變化而變化，冷卻水溫度越高，其阻值越低;反之冷卻水溫度越低，其電阻值越大。當(dāng)水溫低到一定值時(shí)，熱敏電阻值增大到某一特定值，控制電腦將檢測到的該電壓信號(hào)(ECU 內(nèi)有測試電阻與之相串聯(lián))進(jìn)行處理，并向噴油器發(fā)出增加噴油量的指令，用以改善冷機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能。反之，當(dāng)水溫升高到一定值時(shí)，ECU使噴油量減少。3.4

60、 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器 引言脈沖計(jì)數(shù)法是智能測速系統(tǒng)中常用的方法。只要轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生一個(gè)或固定的多個(gè)脈沖，并將脈沖送入微處理器中進(jìn)行計(jì)數(shù)，即可獲得轉(zhuǎn)速的信息?？梢杂卸喾N方式來獲得脈沖信號(hào)。將光電傳感器安裝在轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)扇葉經(jīng)過時(shí)，可產(chǎn)生脈沖信號(hào)。但是光電傳感器對(duì)灰塵、油污等比較敏感，因此不適宜安裝在車輪上。光電編碼器和霍爾傳感器都不怕灰塵和油污，且都廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。但是光電編碼器價(jià)格較昂貴，霍爾傳感器價(jià)格便宦且具有體積小、靈敏度高、響應(yīng)速度快、溫度性能好、精確度高、可靠性高等特點(diǎn)，能很好地滿足車輪測速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要。 霍爾傳感器件本設(shè)計(jì)選用的A3144EU型霍爾傳感器，是一種磁電信號(hào)轉(zhuǎn)換器