客车发动机冷却风扇智能控制系统的研发

摘要

随着我国经济的快速发展，人们生活水平的提高，汽车的作用越来越不可替代，尤其是客车的发展为人们的出行提供了极大的方便。但是传统客车冷却系统有很多不完善的地方，给空气造成了很大的污染，影响了人们的生活。因此，客车的发展在满足自身冷却要求的同时符合国家的排放标准是今后客车发展的必经之路。
　　目前，国内大多数客车公司生产的客车配备的冷却系统由水箱、水泵、散热器及冷却风扇等组成。传统的客车发动机冷却系统虽然也能满足客车散热的需求，但是其工作效率低、效果不理想，风扇及水泵的转速对发动机的转速有很大的依赖性，不能根据客车发动机的工况变化做相应的调整，发动机低速高负荷工作时，冷却不足，发动机高速低负荷工作时，冷却过度。因此，为了使客车发动机的冷却系统与发动机的工况相匹配，需要冷却风扇和水泵与发动机完全解耦。本次设计采用电子风扇代替原来的机械式风扇，把原来的传统水泵替代成电动式的，为了实现系统的自动控制还需用到温度传感器及单片机。
　　本次课题研究的内容是客车发动机智能冷却系统，该系统的工作原理是安装在散热水箱进出口管及安装在中冷器出气管的温度传感器检测进出散热器的冷却液温度及发动机进气温度，把检测到的温度信号转化成电信号后送入PIC单片机。PIC单片机接收到温度信号转化成的电信号后分析计算，并根据计算结果输出相应的PWM控制信号，控制信号经过放大电路放大以后分别驱动散热器风扇、中冷器风扇和水泵转速。冷却风扇产生的冷却风将散热器及中冷器周围的多余热量带走，水泵转速的不同就会改变冷却管路中的冷却液的流量，冷却液流量的改变就会改变吸收的发动机热量，从而保证发动机正常的工作。
　　控制信号的输出形式是PWM脉冲，由于PWM脉冲的特性，可以实现水泵电机及风扇电机的无级变速，从而可以使水泵及风扇根据冷却液温度及进气温度的变化实现无极变速。然后，可以根据发动机的工况自动调节冷却液流量及冷却风扇转速，保证发动机多余的热量及时散到空气中，从而使发动机工作在正常的温度范围内。
　　另外，为了实现系统控制的可靠性及平顺性，采用基于前馈的PID控制方法。引入基于前馈的PID控制可以根据发动机工况的变化对冷却系统的散热量进行预测，同时根据环境温度和车速的变化调节执行器，可有效的解决冷却系统控制的迟滞问题。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 本课题的国内外研究现状

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．3 本论文的研究内容和主要工作

第2章 发动机冷却风扇智能控制的总体设计

2．1 传统的冷却系统

2．1．1 传统冷却系统的组成及原理

2．1．2 传统冷却系统的驱动形式及其弊端

2．2 智能控制的冷却系统

2．2．1 智能控制冷却系统的特点

2．2．2 智能控制冷却系统的组成及原理

2．3 智能控制系统的控制方案

2．3．1 控制方案一

2．3．2 控制方案二

2．3．3 两种方案的对比

第3章 发动机冷却风扇智能控制系统的相关计算

3．1 冷却风扇的选型设计

3．1．1 冷却系设计的己知条件

3．1．2 计算冷却系的散热量

3．1．3 估算选配散热器

3．1．4 风扇的选型及散热器前空气流速Vr的计算

3．1．5 冷却空气进出散热器的温差△ta的计算

3．1．6 冷却液在冷却管道中循环时的容许温升△tw

3．1．7 设计工况下液气平均温差△t的计算

3．1．8 散热器换热系数Kr的选配

3．1．9 验算散热器的散热面积

3．2 中冷器的选型设计

3．2．1 中冷器的作用

3．2．2 中冷器的型式

3．2．3 中冷器的结构

3．2．4 中冷器的设计计算

3．3 水泵的选型设计

3．3．1 冷却水的循环量计算

3．3．2 水泵消耗的功率计算

3．3．3 水泵的转矩计算

第4章 系统的硬件设计

4．1 硬件组成

4．2 微控制器的选型及设计

4．2．1 微控制器的选型

4．2．2 微控制器的最小系统

4．3 温度采集电路

4．4 系统的输出模块

4．4．1 驱动信号放大电路

4．4．2 风扇控制驱动电路

4．4．3 水泵控制驱动电路

4．4．4 节温器控制驱动电路

4．4．5 中冷器风扇的驱动电路

4．5 通信电路

4．6 报警电路

第5章 系统的软件设计

5．1 PWM的工作原理

5．2 PID控制系统

5．2．1 PID控制系统的原理

5．2．2 数字PID控制算法

5．2．3 积分分离PID的原理

5．2．4 基于前馈的PID反馈控制

5．3 冷却风扇智能控制系统的控制策略

5．3．1 系统控制的总体策略

5．3．2 暖机控制

5．3．3 行驶控制

5．3．4 后冷却控制

5．4 系统的程序设计

5．4．1 主程序

5．4．2 温度控制模块

5．4．3 PID调节模块

5．4．4 与发动机通信模块

第6章 系统的抗干扰设计

6．1 硬件抗干扰设计

6．1．1 电源及接地电路设计

6．1．2 进入系统I／O口通道的抗干扰

6．2 软件抗干扰设计

6．2．1 数据采集系统抗干扰

6．2．2 程序运行失控的软件对策

第7章 总结与展望

7．1 课题成果

7．2 课题不足

7．3 课题展望

参考文献

后记

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况

附录