第六章 汽车空调自动控制系统

第六章汽车空调自动控制系统第一节汽车空调自动控制系统工作原理一、汽车空调自动控制系统概述现代汽车空调自动控制系统，由于采用了先进的控制理论和应用了计算机技术，在控制方式、控制精度和舒适性及工作可靠性方面，与传统手动控制空调系统已经有了本质的区别，只要驾驶员设定好所需工作温度，系统即自动检测车内温度和车外温度、太阳辐射和发动机工况，自动调节鼓风机转速和所送出的空气温度，从而将车内温度保持在设定范围内，并适度调节空气质量。有些高级轿车的空调自动控制系统除了温度控制和鼓风机转速控制外，还能进行进气控制、气流方式控制（送风控制）和压缩机控制，并保证系统安全可靠的工作。当系统出现故障时，还可以自动检测和诊断故障部位，并且以故障代码的方式告知维修技术人员。汽车空调自动控制系统的应用，免去了手动调节的麻烦，减轻驾驶员的疲劳，在人类现代化进程中，使汽车作为代步和运输交通工具的单一性能得以不断的拓展和延伸。典型的汽车空调自动控制系统的基本组成和工作原理见图6-1所示。图6-l汽车空调自动控制系统甚本组成和工作原理图汽车空调自动控制系统的基本工作模式是：传感器（设定参数）→控制器→执行器。其中传感器包括一系列检测车内、车外，导风管空气温度变化和太阳辐射的传感器，以及发动机工况的传感器，并将它们变成相应的电量（电阻、电压、电流），送入控制器；早期的控制器是由电子元件，如分立晶体管、运算放大器组成，现代控制器由单片微处理器或组成系统的车身计算机构成，它根据各传感器所检测的温度参数，发动机运行工况参数和空调系统工况参数，经内部电路分析、比较后，单独或集中对执行器的动作进行控制。这种控制过程，可以计算出设定参数与实际状况的工作差别，精确的控制执行器按照程序完成空调的既定工作。而执行器则采用大量的自动元件，如：调速电动机控制的风机，步进电动机控制的风门等，高效、可靠的完成调节空气质量的任务。同时，自动空调还具备完善的自我检测诊断功能，并与汽车其他计算机系统交换数据，协调车辆平稳、安全、舒适的运行。汽车空调自动控制系统基本结构见图6-2所示。图6-2汽车空调自动控制系统基本结构图二、放大器控制型自动空调系统图6-3所示为放大器控制型自动空调系统工作原理。该系统用电桥-运算放大器组成的比较器电路构成。电桥由外界环境温度传感器、车内温度传感器、阳光辐射传感器和调温键电阻组成，它和运算比较器OP1、OP2组成一个控制系统。分别控制升温和降温真空电磁阀，将电信号转变成真空信号，调节真空伺服驱动器，带动控制杆对调温门开度、风机转速和热水阀开闭进行综合控制，达到控制温度恒定的目的。图6-3放大器控制型自动空调系统工作原理图l-调温电阻；2-电桥；3-车外温度传感器；4-阳光辐射传感器；5-风道温度传感器；6-车内温度传感器；7-比较计算器；8-升温真空电磁阀；9-降温真空电磁阀；10-反馈电位器；11-真空罐；12-接发动机进气歧管；13-真空控制器；14-真空伺服驱动器；15-风扇转速开关；16-控制杆；17-调温门；18-热水阀开关放大器控制型自动空调系统工作过程如下：当设定的温度为25℃，车外温度为30℃时。空调系统初始运行。在电桥电路中，由于设定调温电阻与传感器桥臂的总电阻低，电桥不平衡，此电桥输出电位VB＞VA，比较器OP1有电流输出，降温真空电磁阀DVc通电工作，使管路与大气相通。比较器OP2无电流输出，升温真空电磁阀DVH，截止，切断管路与真空罐的通路，从而使真空伺服驱动器的真空度减少，膜片在大气压作用下，使控制杆向朝上的方向移动，控制调温门使经过加热器的气体通道减小，同时使风机转速上升，空调混合气温度下降。如果设定温度与环境温度相差越大，调温门在控制杆的作用下使通往加热器的空气通道关闭至最小，风机转速达到最大，加快车内降温速度。随着车内逐渐降温，调温电阻与车内温度传感器电阻之差值不断减小，直至为零时，VB＝VA，比较器OP1、OP2均无电流输出，DVC关闭大气通路，真空伺服驱动器维持在最大制冷量时的工作状态，调温门仍然关死，风机高速运转。当车内温度继续下降，车内温度传感器电阻高于调温键电阻值时，电桥电路电位ⅤA＞VB，比较器OP2输出电流信号，升温真空电磁阀DVH打开真空气路，OP1无电流输出，DVc关闭大气通路，真空伺服驱动器的真空度增大，膜片克服弹力下移，带动控制杆下移。调温门逐渐打开加热器空气通路，冷空气重新加热，车内温度回升，随着控制杆的下移，反馈电位器电阻不断减小，电桥总电阻差值不断减小，当车内温度达到设定温度时，电桥VA＝VB，即OP1、OP2均无信号输出，真空伺服器保持原工作位置。由于环境的温度、太阳辐射和其他因素变化使车内温度变化时，两个比较器不断工作，输出电流控制真空电磁阀，使真空伺服驱动器不断调节控制调温门的位置，使输出空气温度相应变化，保证车内温度在设定温度范围内。当空调输出最大制冷量时，真空伺服器控制杆上的装置可切断热水阀开关，加热器不工作，同时控制杆使调温门关闭加热器空气通路。另外，功能选择键在自然风位置时，也不需要加热器工作。风机在需要制冷量较大时高速工作，在不需要制冷或制冷较少时，低速运行。随着微电子技术的应用，这类放大器控制型自动空调系统已很少采用。三、微电脑控制自动空调系统微电脑控制的汽车空调系统，不仅能按照乘员的需要吹出最适宜温度的风，而且可以根据实际需要调节风速、风量，还极大地简化了操作。由于计算机控制理论的发展和技术的进步，该系统不仅用在高级汽车空调上，也越来越多的应用在普通轿车空调系统中。在微电脑控制的自动空调器中，每个传感器独立地将信号传送至自动空调器放大器（称为空调器ECU，或者在某些车型中称为空调器控制ECU），控制系统根据在自动空调器放大器的微电脑中预置程序，识别这些信号，从而独立地控制各个相应的执行器，如图6-4。图6-4微电脑控制型自动空调系统微电脑温度控制的汽车空调系统具有以下几种功能：（1）空调控制包括温度自动控制、风量控制、运转方式给定的自动控制、换气量控制等，满足车内对空调舒适性的要求。（2）节能控制包括压缩机运转控制、换气量的最适量控制以及随温度变化的换气切换、自动转入经济运行、根据车内外温度自动切断压缩机电源等。（3）故障、安全报警包括制冷剂不足报警、制冷压力高出或低出报警、离合器打滑报警、各种控制器件的故障判断报警等。（4）故障诊断存储汽车空调系统发生故障，微电脑将故障部位用代码的形式存储起来，在需要修理时指示故障的部位。（5）显示包括显示给定的温度、控制温度、控制方式、运转方式的状态等。输入信号有三种：其一，车内温度传感器、车外环境温度传感器、阳光辐射温度传感器等各种传感器传来的信号。其二，驾驶员设定的温度信号、选择功能信号。其三，由电位计检测出空气混合风门的位置信号。输出信号也有三种：其一，为驱动各种风门，必须向真空开关阀（VSV）和复式真空阀（DVV）或伺服电动机输送的信号。其二，为了调节风量，必须向风机电动机输送的调节电压信号。其三，向压缩机输送的开停信号。为了保证车内温度不变，微电脑必须根据传感器感测到的车内温度，不断地调节空调器吹送出的空气温度和送风量。同时由于车内空间狭窄、车窗多、车体受阳光照射的影响较大，因此还必须对车内送风温度进行修正。此外，还有由于冷却液温度变化而进行的对加热量的修正，以及在采用经济运转方式时，由于压缩机停止运转而进行的对蒸发器出口温度上升的修正等。微电脑的控制是根据温度平衡方程进行的。设输入设定温度的电阻为R，车室内温度的电阻为A，车外空气温度的电阻为B，吹出口温度电阻为C，阳光照射、环境、节能修正量的温度电阻为D，则其温度平衡方程为：R＝A+B+C+D微电脑根据这个方程进行计算、比较、判断后发出各种指令，让执行机构实施动作。汽车空调送风量是决定车内温度的重要因素之一。微电脑控制系统根据车内温度与给定温度之间的偏差，对送风量进行连续的、无级的调节。夏季，当蒸发器的冷却温度变化时，送风量应随之改变，即送风温度低时，减少送风量，送风温度高时，增加送风量。冬季，水温低不能充分供暖时，若仍然送风会使乘客感到不适，自动控制机构可使送风中断，由预热器加热空气，使空气温度上升，待温度正常后，又开始送风。车外新鲜空气和车内循环空气的自动切换也是通过微电脑进行控制的。在炎热的夏季，车内温度很高，为迅速降低车内温度，可暂时不使用车外新鲜空气。当空调系统使车内温度下降至一定值后，自动切换机构可进行新鲜、循环空气的风门切换，按一定比例引入新鲜空气。此外，对玻璃窗的除霜，也需要进行新鲜空气和循环空气的自动切换。在冬季或夏季雨天，必须除去玻璃窗上的结霜和凝露，以保证驾驶人员安全操作及乘客视线的清晰。在驾驶人员前方有除霜送风口吹出热风，在仪表板两侧也装有侧面除霜送风口。根据乘客吹风的要求，吹风口可自动切换，上方和侧面吹出口吹冷风，而下方则吹暖风，满足乘客头凉脚暖的舒适性要求。例如：车内温度给定值为25℃，夏季车外温度为35℃时送冷风，空气经蒸发器冷却后由冷风口吹出；在春、秋过渡季节，车外温度接近车内给定温度时，则采用经济运转方式，此时压缩机停止运转不制冷。这种换气方式是既经济又节能的。在冬季，当车外温度低于15℃时，空调供暖循环开始工作，加热后的空气由下部暖风口送出。夏季阳光辐射量的变化是修正项之一。由于汽车玻璃窗面积大，车内热负荷明显增加，使车内温度升高，因此通过对阳光辐射量的修正使送风温度降低，同时混合空气调节器也要对车外新风量和车内回风量进行调节，以使车内温度满足要求。对于使用变容量压缩机的制冷系统，压缩机的节能输出会引起蒸发器温度上升。这时微电脑可自动调节混合风门位置，保持输出空气温度不变，使车内温度恒定。微电脑控制的汽车空调系统的工作方式设定，只需轻轻触摸一下电子触摸板按钮即可。第三节汽车空调传感器利控制执行器件一、传感器1．温度传感器汽车空调自动控制系统中使用了很多不同类型的温度传感器，但最多使用的还是具有负温度系数的热敏电阻。其特性如图6-5所示：热敏电阻阻值的变化是随着温度的升高而减小的；反之，则电阻变大。图6-5热敏电阻特性（l）车内温度传感器（室温传感器）车内温度传感器吸入车内空气，以确定乘客舱的平均气温。以前多采用电动机型车内温度传感器（采用电动机吸入空气），现在则普遍采用气流通过暖气装置的吸气型。使用这种采集温度的方式，可以克服轿车内空间狭小，温度分布不均匀的缺点，见图6-6。图6-6车内温度传感器（2）车外温度传感器（环境温度传感器）如图6-7所示，车外温度传感器通常封装在一个注塑料树脂壳内，以防止受潮和避免对温度的突然变化作出反应，适度的惰性使其能准确地检测到车外的平均气温。图6-7车外温度传感器（3）蒸发器温度传感器蒸发器温度传感器检测通过蒸发器的空气的温度，如图6-8所示。在采用热敏电阻型除霜设备的空调器中，蒸发器通常安装有两个热敏电阻：一个用于除霜设备，一个用于蒸发器温度传感器。图6-8蒸发器温度传感器a）普通空调b）自动空调2．阳光辐射传感器（热辐射传感器）阳光辐射传感器一般采用光电二极管，它能检测太阳热辐射的变化，并将太阳辐射能转换为电流的变化，送入微处理器。它的安装位置和特性见图6-9。图6-9阳光辐射传感器3．系统共用传感器以上所述的，是自动空调系统专门设置的主要传感器。除此之外，普通空调所有的传感器，自动空调也都有设置。另外，在计算机控制的自动空调系统中，与发动机、车身工况有关的各类传感器，如发动机转速、冷却水温度、节气门位置等，都将信号与其共享。二、控制器控制器分为两种类型：一种采用IC（集成电路）控制的自动空调器，称为“放大器控制型自动空调器”；另一种采用微处理器控制的空调器，则称为“微电脑控制型自动空调器”。这些控制器也经常被称为“系统放大器”、“自动空调器放大器”或“空调器ECU（电子控制单元）”。图6-10所示的是微电脑控制型自动空调器控制器的基本组成。图6-10微电脑控制型自动空调器控制器组成其控制原理如下：传感器包括光传感器、温度传感器、转速传感器、压力传感器等，向微处理器提供信号的输入；包括驾驶员的一些