ЦИФРОВОЕ АВТОМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЯТОРОМ ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ АВТОМОБИЛЯ

Полезная модель относится к цифровому автоматическому устройству управления вентилятором охлаждения двигателя (ЦАУУВОД) и предназначено для поддержания рабочей температуры двигателя внутреннего сгорания автомобиля с точностью до 3 градусов в диапазоне температур от 80 до 89 градусов (в зависимости от типа двигателя и установленного термостата) и разработано вместо штатной схемы охлаждения двигателя, предусмотренной конструкцией автомобиля и использующей термовыключатель и реле для включения электровентилятора охлаждения двигателя (далее-ЭВ).
Наиболее близким по своей сути является заявка RU 2008119196, из которой известен автоматический комбинированный микропроцессорный регулятор температуры энергетической установки транспортного средства, содержащий источник электроэнергии переменного тока, управляющий орган, содержащий датчик температуры энергетической установки, датчик мощности энергетической установки, датчик температуры наружного охлаждающего воздуха, датчик частоты вращения вала вентилятора охлаждения; первое, второе и третье задающие устройства; первое, второе и третье сравнивающие устройства.
Недостатком данного решения является то, что используется значительное количество дополнительных устройств, занимающих пространство и требующих дополнительное обслуживание.
Целью заявленной полезной модели является надежное поддержание рабочей температуры двигателя внутреннего сгорания с точностью до 3°.
Цифровое автоматическое устройстве управления вентилятором охлаждения двигателя характеризуется тем, что:
- устанавливается в салоне автомобиля,
- использует штатный датчик температуры в качестве источника информации о температуре двигателя,
- для преобразования информаций с датчика температуры охлаждающей жидкости, цифрового датчика внешней температуры и сигнала с замка зажигания в зависимости от напряжения на электровентиляторе охлаждения радиатора используется микроконтроллер,
-
включает в себя блок управления и плату индикации и управления блоком,
- блок управления включает кулер для охлаждения выходных ключей, ключи К1 и К2, закрепленные на радиаторе кулера через термопроводящую пасту и диэлектрические прокладки из слюды и плату управления, с контролером, датчиком тока, подстроечным резистором, операционным усилителем, стабилизаторами, ключом питания, разъемами X1, Х2 и Х3, и звуковым пьезоизлучателем,
- плата индикации и управления блоком содержит семисегментный одноразрядный светодиодный индикатор, кнопки регулирования и шлейф с разъемом для подключения к блоку управления.
ЦАУУВОД может быть использовано как вместо штатной схемы управления охлаждением двигателя, так и одновременно с ней, позволяя иметь 100% резерв управления ЭВ.
ЦАУУВОД обеспечивает плавный запуск (отсутствие пусковых токов) ЭВ и более экономичный режим его работы путем изменения среднего значения напряжения на ЭВ (мощности ЭВ) в зависимости от температуры двигателя.
Использование в ЦАУУВОД двух независимых силовых выходов дает возможность реализации подключения либо двух ЭВ, либо одного ЭВ и электропомпы.
Для обеспечения эксплуатации автомобиля в сложных дорожных условиях, например, при преодолении бродов, затопленных участков дороги и т.д. ЦАУУВОД позволяет оперативно отключать ЭВ с помощью кнопок на плате индикации и управления блоком.
Для обеспечения коррекции рабочей температуры двигателя от температуры окружающей среды в ЦАУУВОД используется цифровой датчик температуры.
Температура окружающей среды выводится так же и на индикатор ЦАУУВОД.
ЦАУУВОД рассчитано на установку в салоне автомобиля. Оптимальное место расположения - в панели приборов, что является наиболее целесообразным местом расположения по сравнению с расположением устройств, предназначенных для охлаждения двигателя, под капотом в связи с относительно постоянной температурой и влажностью воздуха.
Установка разработанного устройства в салоне автомобиля имеет особое значение для внедорожников и автомобилей, эксплуатируемых в сложных дорожных и климатических условиях.
Применение при данном варианте установки устройства длинных соединительных силовых проводов, которые являются своеобразным фильтром от помех и эквивалентны индуктивностям, а так же низкая тактовая частота на выходе силовых полевых ключей, дают эффект подавления помех в спектре работы радиосредств и электронных устройств автомобиля, что обеспечивает их электромагнитную совместимость.
С целью гарантированного охлаждения ЦАУУВОД при любых температурах окружающего воздуха, длительного времени непрерывной работы, а также для уменьшения габаритных размеров, в составе устройства используется радиатор с вентилятором (далее - кулер) для охлаждения силовых ключей.
Программное обеспечение, а так же алгоритм работы ЦАУУВОД являются интеллектуальной собственностью разработчиков.
В состав ЦАУУВОД входят:
1. Блок управления.
2. Плата индикации и управления блоком.
1. Блок управления в своем составе имеет:
1.1. Кулер для охлаждения выходных ключей, использующийся для охлаждения процессора персонального компьютера. Вентилятор кулера запитан от первого канала силового выхода на ЭВ. Радиатор кулера имеет заземленный корпус с крепежными отверстиями в торцевой части радиатора с резьбой М3.
1.2. Ключи К1 и К2, закрепленные на радиаторе кулера через термопроводящую пасту и диэлектрические прокладки из слюды.
1.3. Плата управления, закрепленная на стойках, с контролером, датчиком тока, подстроечным резистором, операционным усилителем (далее-ОУ), стабилизаторами, ключом питания, разъемами X1, Х2 и Х3, звуковым пьезоизлучателем (далее-П1).
2. Плата индикации и управления блоком содержит:
2.1. Семисегментный одноразрядный светодиодный индикатор.
2.2. Кнопки «<», «Ent», «>» (кнопки регулирования).
2.3. Шлейф с разъемом для подключения к Блоку управления.
В разработанном устройстве использована современная элементная база для поверхностного монтажа (SMD элементы), которая обладает повышенной надежностью и более широким диапазоном рабочих температур, что повышает общую надежность всего ЦАУУВОД.
Принцип работы ЦАУУВОД основан на преобразовании эталонного изменения напряжения на штатном датчике температуры охлаждающей жидкости (ДТОЖ), типа ТМ-106-11 или ТМ-106-10, в наличие и изменение длительности импульсов. Выходные импульсы положительного напряжения, подаваемые на ЭВ, имеют амплитуду бортовой сети автомобиля (12 В), частоту 89-115 Гц и находятся в прямо пропорциональной зависимости от температуры охлаждающей жидкости двигателя. В результате данного преобразования на ЭВ плавно изменяется напряжение, а значит и мощность, подводимая и используемая ЭВ.
В схеме ЦАУУВОД предусмотрена установка начала включения (слежения) ЭВ с помощью нажатой кнопки «Ent» и кнопок «<» и «>» на плате индикации и управления блоком от 80 до 89 градусов. Показанию «0» соответствует 80 градусов, «1» соответствует 81 градусу и так далее до 9, что соответствует 89 градусам с шагом в 1 градус (далее-шаг). При отпущенных кнопках в рабочем режиме на индикаторе ЦАУУВОД отображается текущая мощность, подводимая к ЭВ. Показанию «0» соответствует отсутствие подводимой мощности, показанию «1» соответствует 10% подводимой мощности, показанию «2» соответствует 20% мощности и так далее до «9», что соответствует 90% мощности с шагом в 10% мощности. Показанию «П» соответствует 100% подводимой мощности.
Для коррекции или более точного слежения (обеспечения прямо пропорциональной зависимости) оборотов ЭВ от температуры охлаждающей жидкости двигателя (далее - ОЖ), используется цифровой датчик внешней температуры с помощью которого реализуется автоматическая коррекция начала работы ЭВ при температурах выше 28 градусов, ниже 0 и -15 градусов. При нажатии на кнопку «<» на индикатор выводится показания внешней температуры по алгоритму:
- короткий звуковой сигнал - знак - (при отрицательных температурах) - первый разряд - второй разряд - пауза - короткий сигнал и далее по циклу сначала. Выход из режима индикации внешней температуры осуществляется нажатием на кнопку «>» или «Ent».
Оперативное отключение и дальнейшее включение ЭВ производится одновременным нажатием на кнопки «<» и «>» (например, при преодолении бродов). Режим отключения сопровождается короткими звуковыми сигналами с интервалом 2-3 сек. и выводом знака «-» на индикатор.
Для вывода показаний на штатный стрелочный индикатор температуры двигателя на приборной панели автомобиля в схеме ЦАУУВОД используется операционный усилитель с изменяемым коэффициентом усиления, что дает возможность адаптировать ЦАУУВОД к различным типам автомобилей с различными токами указателей температуры ОЖ двигателя.
Для обеспечения низкого энергопотребления в дежурном режиме, перехода ЦАУУВОД в рабочий режим, блокировки нештатного запуска ЭВ, а так же сброса режима аварии, в схеме используется сигнал о включенном двигателе со штатного замка зажигания. С помощью этого сигнала работа схемы переводится из рабочего в дежурный режим с задержкой в 5 минут после остановки двигателя. В течение указанного времени продолжается слежение за температурой ОЖ двигателя и его обдувом ЭВ для предотвращения термоудара после остановки. В схеме ЦАУУВОД также используется датчик тока. С помощью датчика тока осуществляется постоянный контроль и блокировка путем отключения преобразования при обрыве цепи ЭВ, а так же при превышении рабочего тока ЭВ свыше 48А (короткое замыкание, далее - КЗ). Одновременно выдается прерывистый сигнал на звуковой пьезоизлучатель и соответствующий символ «о» (обрыв) или «п» (КЗ) на индикаторе.
Рассмотрим более подробно функциональную схему ЦАУУВОД представленную на Приложении №1.
Напряжение питания +12 вольт от аккумуляторной батареи автомобиля (АКБ) через клеменную колодку X1 поступает на силовой вход датчика тока (ДТ) и пройдя через него поступает на истоки силовых ключей К1 и К2. Это же напряжение поступает на вход стабилизатора 9В и с его выхода на вход стабилизатора 5В и ключ К3 управления питанием операционных усилителей У1 и У2. С выхода стабилизатора 5В стабилизированное напряжение +5В подается на микросхему контролера типа PIC16F76… и датчик тока ДТ. При подаче питания с замка зажигания (сигнал о включенном двигателе) напряжение +12В через контакт разъема Х2 подается на делитель R1 и R2 и с его выхода на вход контролера. Программа контролера обрабатывает полученную команду и выдает сигнал управления на ключ К3. Открытый ключ подает питание на ОУ У1 и ОУ У2 и контролер начинает преобразовывать поступающее напряжение с выхода ОУ У2, датчика внешней температуры (подключенного к разъему Х2), кнопок «<», «Ent», «>», одновременно выводя информацию в виде семисегментного кода на индикатор HL1. Одновременно на звуковой пьезоизлучатель П1 с выхода контролера выдается короткий звуковой сигнал 4 КГц, указывающий на переход ЦАУУВОД из дежурного в рабочий режим. На индикаторе отображается текущая мощность, подводимая к ЭВ, от 0 до 100%. При нажатии на кнопку «Ent» на индикаторе отображается значение начальной температуры слежения (температуры начала включения ЭВ). Каждое нажатие на любую из кнопок сопровождается коротким звуковым сигналом.
На операционном усилителе У2 выполнен буферный каскад с коэффициентом усиления 2. Каскад обеспечивает согласование изменения напряжения со штатного датчика температуры двигателя с входом аналога цифрового преобразователя (далее - АЦП) контролера, обеспечивая заданный шаг преобразования и развязку по цепи датчика и указателя температуры. В микросхеме контролера поступающее напряжение с У2 преобразуется в двоичный код и, при совпадении заданных программой значениях, осуществляется появление импульсов с частотой 89-115 Гц амплитудой 5В и изменение их длительности в зависимости от температуры ОЖ. Эти импульсы подаются на вход силовых ключей К1 и К2. Выбранная частота следования импульсов имеет низкий уровень гармоник, расположенных на субнизких частотах, и не оказывает влияние на работу электроники автомобиля и электромагнитную совместимость других устройств, а так же повышает КПД всего ЦАУУВОД. На второй вход контролера подается напряжение с цифрового датчика внешней температуры, с помощью которого осуществляется коррекция начала работы ЭВ при температурах свыше 28 градусов, ниже 0 и -15 градусов. Данная коррекция обеспечивает более точное слежение за температурой ОЖ двигателя автомобиля при различных внешних погодных условиях. На второй вход АЦП контролера поступает напряжение с датчика тока ДТ, с помощью которого осуществляется защита ЦАУУВОД, цепей ЭВ, АКБ от превышения тока более 48А (КЗ) и сигнализация об обрыве в цепи ЭВ. В этом случае программа контролера блокирует импульсы, поступающие на ключи К1 и К2, и выдает информацию на индикатор HL (символ «п» или «о» соответственно), а так же выдает сигнал в виде прерывистого тона частотой 4 КГц с периодом 0,5 сек на звуковой излучатель П1. Выход из аварийного режима осуществляется после устранения неисправности снятием напряжения (выключения) с замка зажигания.
На операционном усилителе У1 осуществляется согласование уровней напряжений между штатным датчиком температуры и указателем температуры на приборной панели автомобиля путем изменения коэффициента передачи усилителя, а так же обеспечивается развязка между датчиком, указателем и схемой преобразования напряжения ДТОЖ в длительность импульсов. Данный способ подключения датчика обеспечивает стабильность работы всего устройства, повышает точность показаний указателя температуры и обеспечивает стабильность слежения за температурой ОЖ двигателя, снижает влияние помех от работы двигателя на работу всего устройства.
Основные характеристики
Напряжение питания
10-18 В.
Потребляемый ток в деж. реж.
Не более 10ма
в раб. Реж 0% мощн.
Не более 40 ма
в раб. Реж 100%
Не более 48А
КПД ЦАУУВОД
Не менее 90%
Частота следования импульсов на ЭВ
85-115 Гц
Количество силовых каналов на ЭВ
2
Максимальный ток в цепи ЭВ (суммарный для 2 каналов)
48А
Минимальный ток в цепи ЭВ
0,5А
Длительность импульсов на ЭВ в начале слежения
10%
в конце слежения
100%
Точность слежения за температурой двигателя
3 град.
Диапазон предварительной установки темп.
80-89 град.
Коррекция от внешней температуры при +20 град
0%
при +28 град
+10%
при 0 град
-10%
при -15 град
-20%
Время срабатывания при КЗ и обрыве
не более 1 сек.
Время слежения за температурой двигателя после выключения зажигания
5 мин.
Частота звукового сигнала
4-5 кГц
Принудительное отключение-включение ЭВ кнопками «<» и «>».
Индикация внешней температуры в рабочем режиме с точностью 1 град.
Диапазон рабочих температур для ЦАУУВОД
-40-+85 град.
Температура радиатора блока управления не более 40 град.
Вибропрочность ЦАУУВОД 2 часа
при 20G 25 Гц.
Время непрерывной работы
не ограничено
Габариты
70Х85Х75 мм.
Вес
не более 450 гр.
Блок управления устанавливается в любом удобном месте в салоне автомобиля в районе панели приборов вентилятором кулера (радиатора) вниз, например, на крышке люка предохранителей (для автомобилей УАЗ-Патриот).
Плата индикации и управления блоком предназначена для установки в удобном для управления и обзора месте, например, на панели приборов автомобиля, в том числе вместо неиспользуемых кнопок (заглушек). Схема подключения представлена в Приложении №2.
Порядок подключения ЦАУУВОД:
1. Проложить кабели из салона автомобиля в подкапотное пространство в соответствии со схемой подключения, представленной в Приложении №2.
2. Подключить вывод «+» ЭВ к выводам «В1» и «В2» клемменой колодки Блока управления, вывод «-» ЭВ подключить к клемме «-» АКБ.
3. Подключить провод от «+» вывода клемменой колодки на «+» клемму АКБ.
4. Провод розетки разъема «З» подключить к замку зажигания (к центральному переключателю печки).
5. Провод розетки разъема «У» подключить к проводу под капотом, который ранее был подключен к датчику температуры.
6. Провод розетки разъема «Д» подключить к датчику.
7. Провод розетки разъема «К» подключить к корпусу автомобиля (общий, масса).
8. Провод розетки разъема «Д вн.» подключить к внешнему датчику температуры, входящему в состав ЦАУУВОД. Внешний датчик температуры целесообразно размещать за решеткой радиатора в нижней части, в целях наименьшего попадания влаги на датчик.
9. Закрепить Блок управления вентилятором кулера вниз на крышке люка предохранителей, предварительно сделав отверстия под винты М3.
10. Разместить Плату индикации и управления блоком в удобном месте (например, в корпусе заглушки от неиспользуемой кнопки) и закрепить ее, предварительно прорезав прямоугольное отверстие размером 18X18 мм., с помощью клея, далее подсоединить провод к Блоку управления.
11. Подключить розетку и вилку разъема друг к другу.
12. Включить зажигание и завести двигатель, дать прогреться двигателю. При включении зажигания раздастся короткий звуковой сигнал и на индикаторе высветится текущая мощность ЭВ.
Регулировку необходимой температуры осуществлять с помощью кнопок на Плате индикации и управления блоком. Нажать кнопку «Ent» и удерживая ее, уменьшить с помощью кнопки «<» или увеличить с помощью кнопки «>» температуру. Каждое нажатие на кнопки сопровождается прерывистым звуковым сигналом. При первичном включении устройства автоматически устанавливается температура 83 градуса.
После прогрева двигателя и при начале запуска ЭВ на индикаторе начнет отображаться текущая мощность, подводимая к ЭВ. При показаниях мощности на Плате индикации и управления блоком от 10% до 40% с помощью подстроечного резистора на Блоке управления выставить показания стрелочного прибора на приборной панели автомобиля установленной рабочей температуры.
ЦАУУВОД к эксплуатации готов.
Средняя кнопка на Плате индикации и управления блоком соответствует «ENT», левая кнопка - «<» и соответственно правая «>».
Одновременное нажатие на кнопки «<» и «>» позволяет принудительно отключить и
при вторичном нажатии включить ЭВ.
Не следует затормаживать вентилятор кулера, во избежание выхода из строя устройства.
Рекомендуется установка предохранителя в «+» цепь вентилятора (непосредственно на вентиляторе) не флажкового типа, а желательно «под винт». Возможно использование электрических автоматов защиты (пакетников).