专利名称：一种智能化的汽车发动机冷却系统的制作方法
一种智能化的汽车发动机冷却系统
技术领域：
本发明涉及机电一体化、电子控制技术领域，特别是一种智能化的汽车发动机冷 却系统，具有降低燃油消耗和提高发动机的经济性，减少磨损和延长使用寿命的特点。
背景技术：
据CCID统计，2006年全国汽车产销量突破720万辆，一举上升到世界前三位。2007 年中国汽车总产量达到近840万部，与2006年相比，产量的增长速度高达17%。从绝对量 看，2006、2007相比，汽车产量增长超过120万辆，这个数字是相当惊人的。相对于发达国 家，中国汽车产业正处于一个起步阶段，和国外的汽车保有量相比，中国仍具有一定的发展 空间。2006年，推动汽车产业发展的直接动力是轿车的增产，轿车产量的比重首次超过汽车 总产量的50%。根据汽车行业预计分析和测算，2007市场对汽车的需求为130万辆，预计 在今后五年内平均增长率约5% 10%，新型内燃机水冷却系统的开发成功，将会大大提 高对水冷却控制装置的需求，因此市场的前景十分广阔。目前国内新型汽车内燃机水冷却系统的研制尚无相关报道，而国外汽车行业已经 有相关的技术，并应用于汽车内燃机上，但采用的技术仍处于保密阶段，无法查询。对于内 燃机水冷却控制装置的运行，目前国内汽车行业均采用节温器装置控制内燃机的水循环， 对于水流流量的大小控制无法实现全工况控制，因此能耗较大，新型汽车内燃机水冷却系 统的提出，就是从发动机的水冷循环系统进行原理上的创新，改变内燃机的水循环控制方 式，在正机上采用变量水泵和调速风机，通过智能控制适时采集内燃机动态参数，适时有效 控制，达到节能目的。开发研制水冷却控制装置属机电一体化、电子控制技术领域专项产品，它是数字 信号处理器控制技术的软、硬结合的产品，是新型汽车内燃机水冷却系统的主要研制方向 之一。由于汽车内燃机的转速、扭矩和水温在汽车的运行中是一个变量，因此准确采集相 关的信号，正确进行信号处理是控制系统计算机程序计算的重要部分。由于汽车内燃机在 温度相同的条件下，内燃机的工况参数与发动机的功耗参数不是成正比关系，此系统控制 产品的软件识别采样的三个变量输入信号的差异性大，因此需要通过仿真技术计算出内燃 机的从水温变化的最佳控制参数，来对比采集的转速、扭矩和水温，通过计算机内部参数对 比，发出控制指令。形成热源能耗处于最佳状态。
发明内容本发明的目的在于克服现有汽车发动机冷却控制系统的不足，提供了一种新的汽 车发动机智能化冷却控制系统，具有降低燃油消耗和提高发动机的经济性，减少磨损和延 长使用寿命的特点。本发明的一种智能化的汽车发动机冷却系统在冷却控制装置中，水冷却控制装置 根据汽车内燃机内部水循环系统的水温、内燃机转速、扭矩等变量指标，通过信号采集处 理、对比由CPU给出控制指令，调节变量水泵和调速风机。
本发明的一种智能化的汽车发动机冷却系统采用单片机为核心的电子控制装置 根据传感器反馈的信息进行工况判别，通过变量水泵和调速风扇自动调整和控制冷却液温 度和流量，确保发动机在最佳的温度状态下工作。本发明的一种智能化的汽车发动机冷却系统的CPU通过采集汽车内燃机水温 (T)、负荷⑴)、扭矩(Ne)信号通过数据处理，经过控制算法发出控制指令，调整变速水泵流 量和调速风扇速率，使内燃机在设定的工作曲线工作。本发明的一种智能化的汽车发动机冷却系统利用数字仿真技术与实验编制开发 专用软件，专用软件能适时监控内燃机运行状况，分析、对比、计算和控制给水量和风量。本发明的一种智能化的汽车发动机冷却系统采用抗震动设计，达到预期车体运行 的设计要求。本发明的一种智能化的汽车发动机冷却系统采用抗干扰设计，达到能抗发动机点 火时和汽车运行中的抗高频辐射的设计要求。本发明的一种智能化的汽车发动机冷却系统采用模糊PID控制，经过CPU控制变 量水泵速度与调速风扇的转速来达到自动调整和控制冷却水的温度及流量确保内燃机在 最佳的温度、工况下运行；其核心控制CPU采用运动控制芯片TMS320LFM07，变量水泵、调 速风扇的控制均采用基于空间矢量PWM调制(SVPWM)的变频调速。本发明的一种智能化的汽车发动机冷却系统包括检测部分水温传感器、速度传 感器，扭矩传感器；控制部分LFM07及外围电路；两个变频电路水泵的变频电路及风扇 的变频电路，两个电路均由驱动电路及主电路组成，主电路均采用IGBT ；软件部分包括主 程序及两个事件管理器EVA、EVB中断子程序，保护中断子程序。本发明的一种智能化的汽车发动机冷却系统的模糊控制器由模糊化、模糊推理、 去模糊化三部分组成；模糊控制系统的输入有四个水温T及其变化率；内燃机转速；内燃 机输出扭矩，输出为水温T。本发明一种智能化的汽车发动机冷却系统的积极效果是1、采集控制信号线路的处理，防止设计中出现强电引起的干扰；2、仿真数据信号的识别，软件方案控制数据的计算；3、控制功能单元的划分的合理，控制次序满足工况优先原则；4、防静电设计，控制系统电路板设置合理；5、抗高频干扰和防震设计；6、产品结构的工艺性强，利于流水作业。
图1汽车内燃机水冷却控制装置控制原理；图2内燃机水冷却系统温度影响因素；
具体实施方式以下通过具体的实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。从水冷却控制装置基本原理(如附图1所示)中可以看出CPU通过采集汽车内 燃机水温T、负荷Q、扭矩Ne信号通过数据处理，经过控制算法发出控制指令，调整变速水泵流量和调速风扇速率，使内燃机在设定的工作曲线工作。新型水冷却控制装置产品沿用了传统工业控制产品的相关标准，但在技术上和工 艺上必须满足汽车行业的抗震与抗干扰特性。它不仅满足工业产品要求，同时还拥有更多 的控制功能和更可靠的技术性能。采用了系统抗辐射、抗震动工艺设计；保障产品质量的一 致性的老化设计；实现产品的与汽车控制界面相一致设计，预留通信接口。本发明在控制信号问题的着重解决采集各种电信号信息的正确，通过对控制系统 的研究满足联动信号自动控制，通信接口的设计，达到汽车界面人性化控制。建立内燃机模 型，研究数字仿真系统的输出特性，模拟汽车工况特性指标，建立软件控制数据库。产品结 构的工艺性设计，采用通信行业和防震结构设计方法，主要解决信号控制的抗干扰器件选 择和传输导线的选择。作为新型汽车内燃机水冷却系统的控制子系统，其主要作用是分析 水冷却系统的数学模型，对传感器反馈的信息(内燃机的转速与扭矩，冷却水的温度)进行 处理，采用模糊PID控制，经过CPU控制变量水泵速度与调速风扇的转速来达到自动调整和 控制冷却水的温度及流量确保内燃机在最佳的温度、工况下运行。其核心控制CPU采用TI 公司的运动控制芯片TMS320LFM07，变量水泵、调速风扇的控制均采用基于空间矢量PWM 调制(SVPWM)的变频调速。汽车内燃机的冷却液温度受许多因素的影响，如内燃机的负荷、汽车行驶速度、外 界的气温、散热器结构形式、散热器的水流量和风扇的转速等。其关系可用附图2表示。这 些影响因素大多是不断变化的，同时汽车冷却水温度控制过程是一个具有大惯性、纯滞后、 非线性特点的物理反应过程。因此发动机的水温变化与各因素问的关系很难用数学方程进 行准确描述。通过测试水温的升高和降低是一个缓慢变化和大大滞后的过程。因此对内燃 机冷却系统冷却液温度的控制，采用常规的PID控制，系统模型难以建立，且控制效果也不 好。由于模糊控制是模仿人工控制活动中人脑的模糊概念和成功的控制策略，运用模糊数 学，把人工控制策略用计算机实现。模糊控制不依赖系统的精确数学模型，因而对系统参数 的变化不敏感，具有很强的鲁棒性。因此汽车内燃机冷却系统如采用模仿人工控制活动中 人脑的模糊概念和成功的控制策略，将达到令人满意的效果，故本系统采用模糊PID控制 器，将模糊控制与传统PID控制相结合。用模糊控制理论在线整定PID控制器的比例、积分、 微分系数。仿真结果表明模糊PID控制在响应速度、稳态精度等方面均优于常规PID控制
ο本发明采用采用TI公司的运动控制专用芯片TMS320LFM07为核心控制CPU。 LF2407型DSP芯片是一款高性能16位定点DSP，该系列DSP控制器将实时信号处理能力和 控制器外设功能集于一身，特别适合于工业控制应用。其芯片供电电压为3. 3V，降低了控制 器的功耗。高达40M IPS的执行速度(工作最高频率为40MEz)，片内有3 (字的Flash程 序存贮器，544字的DARAM和I字的SARAM，可以外扩存贮器总共有194K字空间，片内集 成了看门狗(WDT)；提供多达16路模拟输入的10位A/D，最小转换时间为375ns ；高达40 个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚。具有低成本、低功耗、高速运算能力和高性能 处理能力的优点；同时有专用于电机控制的两个事件管理模块EVA与EVB模块，非常适合于 电机控制除此这外，LFM07还带有CAN总线模块，适合于汽车对数据传送的要求。因此，该 DSP芯片可以满足作为此系统主控芯片的要求。本发明的一种智能化的汽车发动机冷却系 统的测试结果如表1所示
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表1测试结果
权利要求
1.一种智能化的汽车发动机冷却系统，其特征在于在冷却控制装置中，水冷却控制 装置根据汽车内燃机内部水循环系统的水温、内燃机转速、扭矩等变量指标，通过信号采集 处理、对比由CPU给出控制指令，调节变量水泵和调速风机。
2.根据权利要求1所述的一种智能化的汽车发动机冷却系统，其特征在于采用单片 机为核心的电子控制装置根据传感器反馈的信息进行工况判别，通过变量水泵和调速风扇 自动调整和控制冷却液温度和流量。
3.根据权利要求1所述的一种智能化的汽车发动机冷却系统，其特征在于CPU通过采 集汽车内燃机水温(T)、负荷⑴)、扭矩(Ne)信号通过数据处理，经过控制算法发出控制指 令，调整变速水泵流量和调速风扇速率，使内燃机在设定的工作曲线工作。
4.根据权利要求1所述的一种智能化的汽车发动机冷却系统，其特征在于利用数字 仿真技术与实验编制开发专用软件，专用软件能适时监控内燃机运行状况，分析、对比、计 算和控制给水量和风量。
5.根据权利要求1所述的一种智能化的汽车发动机冷却系统，其特征在于采用抗震 动设计，达到预期车体运行的设计要求。
6.根据权利要求1所述的一种智能化的汽车发动机冷却系统，其特征在于采用抗干 扰设计，达到能抗发动机点火时和汽车运行中的抗高频辐射的设计要求。
7.根据权利要求1所述的一种智能化的汽车发动机冷却系统，其特征在于采用模 糊PID控制，经过CPU控制变量水泵速度与调速风扇的转速来达到自动调整和控制冷却水 的温度及流量确保内燃机在最佳的温度、工况下运行；其核心控制CPU采用运动控制芯片 TMS320LFM07，变量水泵、调速风扇的控制均采用基于空间矢量PWM调制(SVPWM)的变频调 速。
8.根据权利要求1所述的一种智能化的汽车发动机冷却系统，其特征在于包括检测 部分水温传感器、速度传感器，扭矩传感器；控制部分LFM07及外围电路；两个变频电 路水泵的变频电路及风扇的变频电路，两个电路均由驱动电路及主电路组成，主电路均采 用IGBT ；软件部分包括主程序及两个事件管理器EVA、EVB中断子程序，保护中断子程序。
9.根据权利要求1所述的一种智能化的汽车发动机冷却系统，其特征在于模糊控制 器由模糊化、模糊推理、去模糊化三部分组成；模糊控制系统的输入有四个水温T及其变 化率；内燃机转速；内燃机输出扭矩，输出为水温T。
全文摘要
本发明涉及一种智能化的汽车发动机冷却系统，在冷却控制装置中，水冷却控制装置根据汽车内燃机内部水循环系统的水温、内燃机转速、扭矩等变量指标，通过信号采集处理、对比由CPU给出控制指令，调节变量水泵和调速风机；采用单片机为核心的电子控制装置根据传感器反馈的信息进行工况判别，通过变量水泵和调速风扇自动调整和控制冷却液温度和流量，确保发动机在最佳的温度状态下工作；利用数字仿真技术与实验编制开发专用软件，专用软件能适时监控内燃机运行状况，分析、对比、计算和控制给水量和风量；本发明的优点降低燃油消耗和提高发动机的经济性，减少磨损和延长使用寿命。
文档编号F01P7/00GK102135030SQ201010023139
公开日2011年7月27日 申请日期2010年1月22日 优先权日2010年1月22日
发明者陈宁 申请人:陈宁