Электронные системы управления автомобиля
Системы управления автомобильными кондиционерами
Назначение и структура систем управления кондиционерами
Автомобильные кондиционеры предназначены для создания комфортных условий в салоне автомобиля в течение всего года. Это достигается путем подогрева или охлаждения воздуха, удаления из него влаги за счет переключения воздушного потока, проходящего через теплообменники нагревателей и охладителей, которые размещены в едином корпусе. Естественно, что для этого требуется более высокий уровень управления, чем в системах с независимым подогревом и охлаждением.
Появились кондиционеры, которые автоматически поддерживают заданную температуру в салоне. Они регулируют температуру и воздухообмен на основе данных о внешней температуре, интенсивности солнечного излучения и температуре воздуха в салоне. Сложность системы управления такими кондиционерами гораздо выше, чем бытовыми.
Существует много различных типов автомобильных кондиционеров, однако здесь мы рассмотрим лишь автоматическую систему кондиционирования (рис.1). При включении режима стабилизации температуры с помощью выключателя S1 установки температуры в ЭБУ поступают сигналы от датчиков температуры воздуха в салоне Д2, и вне салона Д4, интенсивности солнечного излучения ДЗ и температуры охлаждающей жидкости двигателя Д5. На основании этих данных ЭБУ вычисляет необходимую температуру выпускаемого воздуха и управляет степенью открытия заслонки воздушного смесителя 4 и водяного клапана 8, а также подключением впускного и выпускного отверстий. Это позволяет поддерживать заданную температуру салона.
Регулирование температуры обеспечивается следующим образом. Прежде всего впускное отверстие переключается на поступление воздуха из атмосферы или из салона. Затем одновременно с охлаждением этого воздуха в теплообменнике при помощи охладителя (испарителя) 2 происходят конденсация и удаление из него влаги. Охлажденный и обезвоженный воздух частично (в зависимости от степени открытия заслонки воздушного смесителя 4) вновь нагревается, проходя через нагреватель, а частично в охлажденном виде, минуя нагреватель, поступает в камеру смесителя. Подогретый и охлажденный потоки, смешиваясь в камере смесителя, приобретают соответствующую темперагуру и поступают через выпускное отверстие в салон, обеспечивая заданную температуру.
Обычно с помощью автоматических кондиционеров решают следующие задачи в зависимости от условий внутри и вне автомобиля:
регулирование температуры воздуха на выпуске — изменением степени открытия заслонки воздушного смесителя;
регулирование интенсивности потока воздуха — изменением частоты вращения вала двигателя вентилятора;
управление впускным и выпускным отверстиями — переключение выпускных отверстий охладителя и нагревателя, переключение поступления воздуха из атмосферы или салона;
управление компрессором — включение и выключение электромагнитной муфты компрессора.
Рис. 1. Система автоматического кондиционирования:
1 и 5 —- заслонки соответственно впускного и выпускного (2 шг.) отверстий; 2 — испаритель; 3 — подогреватель; 4 — заслонка воздушного смесителя; 6 — внутреннее помещение салона; 7 — мембрана выпускного отверстия; 8 — водяной клапан; 9 — силовой сервомеханизм ; 10 — потенциометр; // — компрессор; 12 — электродвигатель вентилятора; DI — датчик температуры испарителя; D2 и D4 — датчики температуры воздуха соответственно в салоне и вне салона; D3 — датчик интенсивности солнечного излучения; D5 — датчик темпера гуры охлаждающей жидкости двигателя; S1 — выключатель установки температуры; S2 — переключатель режима
Датчики температуры
В кондиционерах применяют несколько датчиков внутренней и наружной температуры воздуха, температуры испарителя, температуры охлаждающей жидкости двигателя. Во всех датчиках используются термисторы, причем термисторы датчиков внутренней и наружной температуры и температуры испарителя имеют одинаковые характеристики (рис.2, а). Характеристика датчика температуры охлаждающей жидкости показана на (рис.2, б.)
Рис.2. Характеристики датчиков: a — температуры испарителя; 6 — температуры охлаждающей жидкости
Датчик температуры воздуха в салоне содержит малогабаритный вентилятор, чтобы, пропуская через себя воздух салона, показывать его среднюю температуру. Внешняя часть датчика температуры воздуха вне салона изготавливается из смолы с высокой теплоемкостью, поэтому датчик не реагирует на резкие изменения температуры (например, из-за поступления отработавших газов от впереди идущего автомобиля) и показывает среднюю наружную температуру. Датчик испарителя устанавливается на выходном отверстии испарителя (в котором происходит испарение сжатого хладоагента) и показывает температуру охлажденного воздуха, т. е. дает информацию о максимально достижимой степени охлаждения. Датчик температуры охлаждающей жидкости расположен на выходе из системы охлаждения двигателя и показывает ее температуру. Он используется для установления наибольшей охлаждающей способности и включения в случае необходимости схемы подогрева.
Датчик интенсивности солнечного излучения
Рис.3. Датчик интенсивности солнечного излучения: а — эквивалентная емка; 6 — характеристика
Датчик устанавливается над щитком приборов так, чтобы он воспринимал солнечные лучи. С помощью этого датчика определяется интенсивность солнечного излучения и учитывается нзменение температуры салона, вызванное солнечными лучами. Датчики могут быть двух видов — с термистором и с фотодиодом VD-1 (рис.3, а). Фотодиод подбирается таким образом, чтобы он не реагировал на температуру окружающего воздуха, но обладал высокой чувствительностью к солнечным лучам. Характеристика датчика показана на рис.3, б.
Электронный блок управления
С труктура ЭБУ (рис.4). В системе используются ЭБУ индикацией и ЭБУ, выполняющий регулирование. Оба блока выполнены на основе однокристальных микроЭВМ и обеспечивают управление путем обмена между собой выходными и входными сигналами. ЭБУ индикацией обрабатывает входные сигналы от различных переключателей заслонок и обеспечивает индикацию заданной температуры. ЭБУ, выполняющий регулирование, с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), преобразует аналоговые сигналы различных датчиков температуры, установленных внутри и снаружи автомобиля, в цифровые сигналы, а также с помощью микроЭВМ вычисляет необходимую температуру воздуха на выпуске и в соответствии с условиями внутри и снаружи автомобиля вырабатывает сигналы для различных исполнительных механизмов.
Закон управления. Укрупненная блок-схема алгоритма управления показана на рис.5. Для поддержания определенного теплового баланса в салон подается воздух с температурой
Тао = К1Т1 — Кам Там — KsSt — С,
где К1 , Кам. Ks и С — постоянные коэффициенты; Т1 и Там— температура воздуха соответственно внутри и снаружи салона; Sт— интенсивность солнечного излучения.
Рис. 4. Структура ЭБУ автомагического кондиционера:
DI и D2 — датчихи температуры воздуха соответственно в салоне и вне салона; D3 — датчик интенсивности солнечного излучения; D4 — датчик испарителя; D5 — датчик температуры охлаждающей жидкости
Чтобы температура воздуха в салоне была равна заданной, микроЭВМ вычисляет температурную поправку по формуле
Тао = KsetTset— KrTr— КамТам — KsSt— С,
где Kset— постоянный коэффициент; Tset— заданная температура.
Степень открытия заслонки воздушного смесителя устанавливается на основании графика (рис.6, а). По нему определяется степень открытия, соответствующая вычисленной температуре воздуха на выпуске. Регулирование температуры воздуха (от холодного до теплого) обеспечивается изменением состава смеси из охлажденного и нагретого потоков воздуха. Положение заслонки воздушного смесителя плавно регулируется от полностью открытого состояния до полностью закрытого мембраной сервомеханизма, приводимой в действие разрежением. Сервомеханизм связан с потенциометром, сигнал которого пропорционален степени открытия заслонки. В результате образуется сигнал обратной связи, позволяющий сделать близкими реальную и вычисленную степени открытия заслонки.
Рис. 5. Блок-схема алгоритма управления
Аналого-цифровой преобразователь. ЭБУ автоматического кондиционера принимает сигналы от большого числа различных датчиков, в том числе датчиков температуры. Сигналы температурных датчиков представляют обычно аналоговые показатели, поэтому для обработки в цифровых схемах они преобразуются в дискретные значения с помощью АЦП. Такой преобразователь может быть выполнен в виде одной БИС или в виде схемы, использующей микроЭВМ. Преобразователь, выполненный на микро-ЭВМ 1, содержит регистр 2 для преобразования последовательных данных в параллельные, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 3 для преобразования параллельных данных в аналоговый сигнал и компаратор 4, который сравнивает выходной сигнал ЦАП с сигналом датчика.
Если разрешающая способность АЦП соответствует 8 разрядам, то разрядность параллельных данных будет также равна 8 и на выходе регистра сдвига появляется одно из 256 • 28 значений от (0000 0000)2
Рис.6. Определение угла открытия заслонки воздушного смесителя:
а — закон управления смесителем (сплошная линия — выключенный компрессор, прерывистая —включенный); б — хоррекция положения эаслонки до (1111 1111)2. Напряжение, вырабатываемое этим ЦАП и пропорциональное определенному состоянию регистра, сравнивается в компараторе с напряжением, поступающим от датчика. Состояние регистра сдвига, при котором на выходе компаратора имеется низкий уровень напряжения L, соответствует цифровому представлению сигнала датчика.
В описанном способе преобразования можно обработать сигнал только одного датчика. Для аналого-цифрового преобразования сигналов от нескольких датчиков следует использовать мультиплексорные устройства.
Известно несколько способов построения ЦАП. Рассмотрим принцип действия ЦАП типа R = 2R. Сопротивление в точке F z учетом левого и верхнего резисторов равно R. Сопротивление в точке Е с учетом левых и верхних резисторов также равно R. Сопротивление влево от точки А будет равно 2R, а влево и вниз — Л. В результате, если выключатель Ss подключен к уровню эталонного напряжения Uref, а остальные Sо — S4 — к массе, то потенциал Ua точки А будет равен 1/3 Uref, поскольку эталонное напряжение делится на резисторах 2R и R. (Напряжение на выходе равно Uout).
Рис.7. Аналого-цифровой преобразователь на основе микро ЭВМ
Другими словами, заменяя переключатели в этой схеме на регистр сдвига, получим аналоговый сигнал, значение которого пропорционально состоянию регистра сдвига.
Техническое обслуживание и поиск неисправностей
В упрощенной схеме кондиционирования воздуха в автомобиле поршневой компрессор 3 при включении муфты 2 соединяется посредством клинового ремня с коленчатым валом двигателя и, вращаясь, сжимает газ (обычно фреон2), который служит рабочим телом. В конденсаторе 12, представляющем собой специальный радиатор, который установлен перед радиатором системы охлаждения двигателя, газ интенсивно охлаждается электровентилятором L и набегающим потоком. При этом фреон переходит в жидкое состояние. Через ресивер 9, монтируемый обычно недалеко от конденсатора, он поступает в испаритель 7 (расположен в салоне), который обдувается вентилятором 6. В терморасширительном вентиле 8 фреон увеличивает объем и испаряется. Воздух, проходя мимо сильно охлажденных трубок испарителя, сам охлаждается и, поступая в салон, снижает в нем температуру. Терморасширительный вентиль дозирует количество фреона, подаваемого в испаритель из ресивера, для обеспечения работоспособности кондиционера.
Рис.8. Система кондиционирования воздуха:
1 — электровеитилятор; 2 — электромагнитная муфта; 3 — компрессор; 4 — отопитель; 5 — сервомеханизм (или рычаг) управления воздушной заслонкой; 6 — вентилятор систем отопления и кондиционирования; 7 — испаритель; 8 — терморасширительный вентиль с капиллярной трубкой; 9 — ресивер; 10 — термостат с капиллярной трубкой; И — датчик минимального давления; 12 — конденсатор; 13 — ЭБУ; В — линии всасывания (низкое давление); H — линия нагнетания (высокое давление).
Ресивер служит аккумулятором жидкого фреона. В нем находятся специальный осушитель (силикагель) и фильтр. Из испарителя фреон уже в газообразном виде проходит в компрессор, и цикл работы повторяется.
Наиболее простые системы снабжены датчиком минимального давления 11, который выключает (или не позволяет включить) кондиционер при давлении фреона ниже определенного [обычно около 0,2 МЛа (2 кгс/см )], а также термостатом 10 испарителя с капиллярной трубкой. Запаянный глухой конец капиллярной трубки, в которой заключен специальный наполнитель, помещен в определенном месте испарителя. При охлаждении давление в трубке понижается и термостат 10 разъединяет муфту 2, отключая компрессор от двигателя. Через некоторое время вследствие обдува температура трубок испарителя постепенно повышается, как и температура воздуха, поступающего в салон. Давление в капиллярной трубке изменяется настолько, что термостат снова включает муфту и компрессор. На многих автомобилях выпуска после 1985—1986 гг. есть ЭБУ 13, позволяющий поддерживать заданную температуру в салоне независимо от внешних условий. В этом случае включением и выключением муфты 2, скоростью вращения вентилятора б, положением воздушных заслонок управляет блок 13 в зависимости от температуры в салоне.
Если кондиционер работает нормально, то при максимальной скорости вращения вентилятора б и средней частоте вращения коленчатого вала двигателя пузыри или кипение фреона наблюдают сквозь стеклянное смотровое окно, которое обычно имеется в ресивере 9, только в течение 1 — 2 с после включения и выключения муфты 2. При работе компрессора в смотровом окне не должно быть видно пузырей и признаков кипения.
Рассмотрим основные нарушения в работе системы. Поскольку фреон достаточно летучий газ, то многие неисправности связаны с его утечками. Сулить об этом можно по интенсивному кипению, наблюдаемому в окне ресивера. Оно сопровождается снижением эффективности кондиционирования. По мере утечки термостат 10 перестает включать и выключать компрессор. Когда это произойдет, не исключены перегрев и заклинивание компрессора из-за недостатка смазки, поскольку с уменьшением объема циркулирующего фреона уменьшается и циркуляция масла, находящегося в системе. Это чревато серьезной поломкой. Поясним, о чем идет речь.
Например, на многих американских автомобилях один и тот же ремень, наряду с кондиционером, управляемым обычно электроникой, приводит и другие агрегаты (насос рулевого гидроусилителя, генератор, водяной насос). Заклинивание компрессора кондиционера здесь ведет либо к обрыву ремня, либо чаще к перегреву и разрушению двухрядного подшипника в муфте компрессора. Но муфту можно выключить, сняв провод с соответствующей клеммы, а заменить разрушенный подшипник не просто. И чтобы поставить ремень на место, придется искать новый компрессор: это хлопотно и дорого (не менее 300 долл.).
Когда газа остается совсем мало, срабатывает датчик 11, который не дает включить компрессор, чем предохраняет его от поломки. Однако бывает, что при неисправном датчике компрессор все-таки включается и, как следствие, достаточно быстро выходит из строя. Чтобы этого не случилось, следует периодически контролировать количество фреона.
Итак, основное правило: следует эксплуатировать кондиционер только при нормальном объеме газа в системе. Поэтому, прежде чем воспользоваться им после длительного зимнего перерыва, не поленитесь — найдите смотровое окно и проверьте режим течения фреона.
Если при проверке обнаружится кипение, но кондиционер работает (воздух в салоне охлаждается, компрессор периодически выключается), достаточно дозарядить систему фреоном. Правда, сделать это в условиях гаража трудно. Прежде всего, нужен небольшой баллон объемом 1 — 2 л с запорным вентилем и шлангом высокого давления с накидной гайкой на конце. Резьба на гайке должна соответствовать резьбе на зарядном штуцере (как правило, она дюймовая с мелким шагом). Для простоты гайку можно изготовить из колпачка (заглушки), навернутого на штуцер. Необходимо также, чтобы при наворачивании гайки обеспечивали герметичность соединения и нажатие на клапан штуцера.
Рис.9. Вариант конструкции зарядного устройства:
1 — шланг высокого давления от зарядного баллона; 2 — толкатель; 3 — резиновое кольцо; 4 — накидная гайка; 5 — зарядный штуцер в магистрали всасывания
Заполнить баллон фреоном проще там, где эксплуатируют холодильные установки. Однако при этом нужно иметь гарантию, что вам заправили именно фреон-12, а не, например, -22 (тогда компрессор выйдет из строя через несколько минут!). Кроме того, перед заправкой из баллона следует полностью удалить воздyx, иначе содержащиеся водяные пары при охлаждении ниже 0 °С могут нарушить работу кондиционера.
Если все элементы такого оборудования удалось подобрать и изготовить, приступайте к зарядке. Это делают при работающем двигателе, включенном кондиционере и максимальной скорости вентилятора. В начале найдите штуцер в магистрали низкого давления от испарителя к компрессору. Приоткройте вентиль баллона, чтобы вытеснить воздух из шланга, и соедините со штуцером. Далее, периодически открывая вентиль на несколько секунд при работающем компрессоре и закрывая его (чтобы исключить гидроудар в компрессоре, держите баллон вентилем вверх), наблюдайте за кипением фреона в ресивере. Когда в момент включения и выключения муфты компрессора станут видны только отдельные пузыри или очень кратковременное (1 — 2 с) кипение, прекращайте заряжать.
Следует отметить, что переполнение системы также нежелательно, как и недозаряд. При избытке газа возрастают его давление и температура на выходе из компрессора. Это вызывает резкое увеличение нагрузки на детали, перегрев агрегата и выход его из строя.
Если фреона в системе было настолько мало, что кондиционер не работал (после включения трубки слабо охлаждаются или их температура почти не меняется либо муфта компрессора не сбрасывает из-за низкого давления в системе), попытайтесь вначале определить, где происходит утечка. Поскольку в системе вместе с фреоном циркулирует и специальное масло, соединения, потерявшие герметичность, будут замасленными. Возможных мест утечки довольно много. Во-первых, это соединения штуцеров компрессора, конденсатора и ресивера с трубопроводами. Во-вторых, в компрессоре могут нарушиться уплотнения вала и фланцев корпусных деталей. Когда место утечки установлено, оцените возможность и целесообразность ремонта в зависимости от того, сколько фреона осталось в системе. Можно просто дозарядить систему, но не надейтесь, что такой заправки хватит надолго.
Начиная ремонт, который, как правило, связан с разъединением и разгерметизацией элементов, подумайте и о том, как после ремонта полностью откачать из системы воздух. Это можно сделать только на специальной установке — зарядной станции, используемой в холодильной технике.
Хотелось бы предостеречь от попыток зарядки без обеспечения в системе вакуума. Даже если «продуть’’ систему фреоном, в ней все равно останется много водяных паров. Работа кондиционера с таким влажным газом приводит к нежелательным последствиям: конденсируется и замерзает вода в испарителе, из-за чего нарушается режим кондиционирования; выходит из строя осушитель (силикагель) в ресивере; развивается коррозия внутренних поверхностей ресивера, что вызывает нарушение герметичности.
Прежде чем что-либо разбирать и ремонтировать, оцените свои возможности. Так, восстановление герметичности соединений почти всегда требует замены резиновых уплотнительных колец. Не пытайтесь поправить дело подтягиванием накидных гаек штуцером — ничего, кроме повреждения элементов, это не даст.
Рис.10. Устройство компрессора кондиционера:
1 и 24-- соответственно сгопориые и уплотнительные кольца; 2 — гайка; 3 — резиновый демпфер; 4 и 20— соответсгвенно двухрядный шариковый и роликовый подшипники; 5 — обмотка электромагнита; 6 — шкив ременного привода; 7 — фрикционная муфта; 8 и 9 — соответсгвенно впускной и выпускной лепестковые клапаны; 10 и 22 — соответственно передняя и задняя крышки; 11 — корпус; 12 — гильза цилиндра; 13 — поршневое кольцо; 14 — поршень; 15 и 18 — штуцераi магистрали соответственно всасывания и нагнетания; 16 — шаровая опора поршня; 17 — косая шайба; 19 — вал; 21 — дистанционная втулка; 23 — клапанная пластина; 2S — игольчатый политик; 26 — торцевое уплотнение вала; АиБ— полости соответсгвенно всасывания и нагнетания; А1 И Б1 — сквозные кзналы полостей соответственно всасывания и нагнетания; В — масляная полость (соединена с полостью всасывания); а — ход муфты при включении (воздушный зазор)
Конструкция компрессора представлена на рис.10. Работает он следующим образом. Компрессор получает вращение от коленчатого вала двигателя посредством клинового ремня. При включении электромагнита муфта 7 прижимается к шкиву б, который начинает вращаться вместе с валом 19 компрессора. Косая шайба 17, выполненная заодно с валом, через шаровые опоры 16 передает возвратно-поступательные движения трем поршням 14 (на схеме показан один). При ходе поршня от крайнего положения объем цилиндра увеличивается, давление газа в нем падает, вследствие чего открывается впускной клапан 8 и цилиндр наполняется газом из полости всасывания А. При последующем сжатии газа закрывается клапан 8 и открывается выпускной клапан 9 — сжатый газ вытесняется в полость нагнетания Б. Компрессор — двойного действия, т. е. по одну сторону поршня происходит всасывание, а по другую — нагнетание, и наоборот. Это позволило сократить размеры узла и достичь более равномерной подачи фреона.
Один из дефектов компрессора — утечка газа. Следы масла на корпусе рядом с муфтой свидетельствуют о дефекте торцевого уплотнения. Для ремонта компрессор демонтируют, аккуратно моют его бензином снаружи, тщательно закрыв отверстие, и отворачивают гайку на валу. Используя съемник (какой-либо универсальный вряд ли подойдет, придется делать специальный для конкретного компрессора), снимают муфту. Далее извлекают стопорные кольца и электромагнит. После этого, поставив компрессор вертикально, можно отвернуть винты (или болты), стягивающие корпусные детали, и снять переднюю крышку.
Часто для восстановления герметичности достаточно заменить резиновые кольца торцевого уплотнения на валу и в корпусе. То же самое следует сделать при утечке по фланцам корпуса, однако здесь необходимо оценить состояние поверхностей, прилегающих к уплотнительным кольцам. Не исключено, что с фланцев придется удалить следы коррозии, иначе надежного уплотнения не обеспечат даже новые кольца.
Торцевое уплотнение демонтируйте осторожно, стараясь не повредить сопрягаемые поверхности втулки и графитового кольца. Если на деталях обнаружены задиры, трещины или царапины, отремонтировать компрессор без замены поврежденных частей не удастся, поскольку требования к шероховатости и форме рабочих поверхностей исключительно высоки.
Обратите внимание на то, сколько масла в компрессоре: часто вследствие не герметичности оно уходит из системы. Объем масла обычно указан в табличке на компрессоре, но в любом случае он не должен быть менее 50 см . Если масла меньше, компрессор может довольно быстро выйти из строя. К сожалению, найти сорт, используемый в данном кондиционере, почти невозможно, а отечественные аналоги, в том числе широко распространенное в холодильной технике масло ХМ 12, явно уступают по качеству иностранным. Когда другого выхода нет, можно добавить масло ХМ 12, однако предсказать, как это отразится на ресурсе компрессора, трудно. Кстати, масло должно быть прозрачным и светлым. Если оно утратило хотя бы одно из этих качеств, лучше его заменить.
В процессе эксплуатации возникают и другие, более сложные неисправности, однако их устранение требует специальных знаний, навыков, оборудования и запасных частей.
Устройство контроля солнечной радиации
Фирмой „Delco Electronics“ разработана система регулирования микроклимата в салоне, основной особенностью которой является устройство контроля солнечной радиации. Устройство представляет собой комплекс технических средств, позволяющих измерять и компенсировать путем изменения микроклимата в салоне величину и интенсивность потока солнечного излучения, проникающего через остекленение кузова. И сегодня, когда выпущенные фирмой „Oldsmobile“ модели 88 и 98 предлагают первое поколение устройств для измерения солнечной радиации и приспособления к ней микроклимата салона, следующим логическим шагом в этом направлении можно считать использование соответствующей технологии, применяемой в космической технике, для улучшения микроклимата в автомобилях.
Сложность задачи обеспечения комфорта для пассажиров зависит от возможности измерения влияния солнечного излучения именно на них самих, а не только на внутреннее пространство салона. Для этой цели создана технология, позволяющая с помощью инфракрасных лучей определять температуру в зоне контакта пассажиров с окружающим их пространством. С помощью ннтерактичных систем автомобильная техника „обучается“ определять уровень комфорта пассажиров и затем поддерживать его автоматически.
Если объединить эту технологию с многозонной регулировкой температуры в салоне, каждый пассажир будет находиться в оптимальных для него условиях.
Этот раздел сайта посвящен электронным системам управления. А именно, описанию, устройству и принципу системы управления автомобильными кондиционерами...
