丰田汽车自动空调系统解析_上_

丰田汽车自动空调系统解析_上_ 丰田汽车自动空调系统解析(上)文/江苏 杨天桥 汽车空调系统的主要作用是为驾乘人员提供舒适的环境，降低 疲劳感，预防或去除附在挡风玻璃上的霜、雾、雪，以确保驾驶员 的视野清晰和行驶安全。影响乘员在车内舒适感的主要因素是车内 空气的温度、湿度和风速。图1所示为美国采暖制冷与空调工程协会 ASHRAE制作的人体热舒适线性要求。为提高人体热舒适性，近年 来采用计算机控制的全自动空调已在中高级乘用车上广泛使用，例 如丰田皇冠轿车的自动空调系统(图2所示)。 一、自动空调系统概述 自动空调系统控制系统由图3所示的组件构成。自动空调系统 是通过用温度选择开关设置预定温度或按AUTO开关来触发空调 放 大器，自动调整并保持该预定的温度。在某些车型上的自动空 调系 统中还采用了烟雾通风传感器。 (1)空调C放大器 空调放大器控制系统图(图4)所示，空调放大 图2 丰田皇冠轿车的自动空调系统组成 器的作用是计算要 1-A/C放大器(或A/C控制ECU) 6-太阳能(日照)传感器8-水温感传器 (发吹出的空气温度和气流量，并根据各传感器和设定温度决定气流模 动机ECU发送此信号) 3-控制面板式。用这些计算值来控制空气混合风门挡板的位置、送风机速度和 9-A/C压力开关 气流模式风门挡板的位置。丰田皇冠轿车上还使用了多路传输(多路 2-发动机ECU 通信系统)把操作信号从控制面板发送到空调放大器。 4-内部温度与湿度传感器 5-环境温度传感器 7-蒸发器温度传感器-1 风速0.08,0.13(m?s) 11-空气进口伺服电机 12-气流伺服电机夏 13-送风机电机 10-空气混合伺服电机 14-送风机控制器(控制送风机) 图3 自动空调控制系统组成 内部温度与湿度传感器 空气混合伺服电动机 环境温度传感器 空气混合挡板位置传感器 湿球温度/? 太阳能传感器 气流伺服电动机 水温传感器 空调控制ECU 气流位置传感器 发动机ECU(或空调放大器) 进气口伺服电动机 蒸发器温度传感器 送风机控制器 空调压力开关冬 控制板 送风机电机 ?温度调节 空调电磁离合器继电器干球温度/? ?送风机速度 ?气流选择ASHRAE舒适图 稍冷 ?进气选择空调电磁离合器 图1 美国采暖制冷与空调工程协会ASHRAE制作的人体热舒适线性图图4 空调放大器控制系统图 舒适 稍热 热 Maintenance Skill栏目编辑:王云刚 wyg@motorchina.com 维修技巧 表一室内湿度传感器测量值(2)传感器 条件规定状态?如图5a所示，内部温度传感器使用热敏电阻原理进行测量， 25?(77?) 湿度10%0.7,1.08V它检测车辆内部温度，用作温度控制的基础。它安装在带有通风口 25?(77?) 湿度20%0.72,1.57V的仪表盘处，此通风口利用送风机吸入车辆内部空气，以便检测车 25?(77?) 湿度30%1.13,1.95V 25?(77?) 湿度40%1.61,2.24V辆内部的平均温度。 25?(77?) 湿度50%1.99,2.46V?环境温度传感器 如图5b所示，环境温度传感器使用热敏电阻 25?(77?) 湿度60%2.26,2.66V原理进行测量，它 25?(77?) 湿度70%2.48,2.85V 25?(77?) 湿度80%2.68,3.04V安装在冷凝器的前面。它检测车辆外部温度，用来控制由外部温度 25?(77?) 湿度90%2.87,3.05V波动所引起的内部温度波动。 风门伺服机构分总成 (前排乘客侧冷气混?太阳能传感器 如图5c所示，太阳能传感器使用光电二极管进合旁通风门伺服机构) 行检测，它安装 空调线束总成 在仪表盘板的上部。它检测日照的强度，用来控制由日照量波动引 再循环风门伺服机构分总成 起的内部温度波动。 ?蒸发器温度传感器 蒸发器温度传感器使用热敏电阻原理进行 风门伺服机构分总成 测量，它安装在蒸发 (模式风门伺服机构) 器上。它检测蒸发器表面的温度，用于防止蒸发器表面结霜，阻碍 空气的流动。 内部温度传感器 热敏电阻 通风孔 通风孔 加热器单元 内部空气 风门伺服机构分总成 (前排乘客侧空气混合风门伺服机构) 内部温度传感器 风门伺服机构分总成(驾驶员侧空气混合风门伺服机构)(a) 环境温度传感器 热敏电阻 图7 丰田皇冠伺服电机安装示意图 ?水温传感器 水温传感器使用热敏电阻原理进行测量，信号由发动机ECU传 送。它用于发动机温度过热时自动关闭空调运行和发动机温度低时 (b) 湿度 太阳能传感器 的预热控制等。 光敏二极管 太阳能传感器 ?内部湿度传感器 如图6所示，内部湿度传感器与内部温度传 感器安装在一起， 使用湿度感应电阻薄膜制成。它检测车辆内部湿度，湿度变化时， (c) 日照量 电流 电器电阻(kΩ)传感器的信号电压改变(表1所示)。 输出电压(V) ?烟雾通风传感器 烟雾通风传感器安装在车辆前面。它检测 图5 传感器位置图 车辆外部CO(一氧化 碳)、HC(碳氢化合物)和NOx(氮氧化物)的浓度，控制新鲜空气风门 湿度感应电阻薄膜 输出特性在FRESH(新鲜空气)和RECIRC(循环空气)之间切换。 3.0 (3)伺服电机 伺服电机是由带触点的位置传感器、电机和总线电极 连接器组成的 2.0 总成件。新型的伺服电机运转及停止位置检测方式，由传统的电位 1.0 计电压检测改为脉冲信号检测方式。伺服电机用于驱动空气混合风 门挡板、进气风门挡板、气流模式挡板的转动及其位置的控制(图7 0 50 100 湿度(%) 所示)。新型的伺服电机的特点: 室内温度传感器 图6 室内湿度传感器 - CHINA ?May60 栏目编辑:王云刚 wyg@motorchina.comMaintenance Skill 维修技巧 ?空调放大器通过总线与各个伺服电机上的总线连接器进行通 信(图8所示)。使用总线连接的每个伺服电机仅需要三根导线，而传 (设置温度) (内部温度) (日照量)(环境温度) 统的控制方式每个伺服电机需要五根导线(图9所示)，所以使用总线 连接的伺服电机线束数量更少，结构更轻便。 ?与传统的用电位计电压检测伺服电机转动位置相比，脉冲型 k1,k4=每个系数 伺服电机通过ON和OFF两位信号检测相对位置，另外通过输出 4种C=修正常数 日照量 环境温度 ECU 内部温度设置温度 图11 出风口温度计算模式 18.5,31.5? TAO 当TAO时XX时， 开到中间位置 图8 总线连接器 带总线连接器型水阀 智能连接器 A/C ECU B总线伺服电机总线 热 (%) 通信IC G总线 100CPU 通信/驱动IC 空 普通型 气 混A/C ECU 合驱动 伺服电机 挡IC 板 CPU 开驱动 启 IC 0 (?) 冷 TAO 图9 采用总线连接器型和普通型传输的导线对比 蒸发器温度 恒定温度 图12 空气出风口温度控制印刷电路板的旋转方向 相位B 模式的2个相位(A和B)检测伺服电动机的正转和反转，空调放大器 相位A:+相位A 以计算脉冲模式的数量来判断伺服电动机的停止位置(图10所示)。 公共端:GND模式宽度 所以车辆断电或更换空调放大器后，需要对伺服电机进行初始化作 公共端 业。相位B:+ (4)计算空气出口温度(TAO) 为了迅速地将车辆内部温度调整到固定触点 规定温度，空调放大器根据印刷电路板的旋转方向 各传感器传输来的温度信息计算出风口的空气温度(TAO)。自动空 相位A:+ 调主要用车辆内部温度的信息作为计算气流温度的基础，同时也利 印刷电路板 公共端:GND 用环境温度和日照总量进行精确地修正计算(图11所示)。 模式 模式号 1 2 3 4 1 2 3 4 (5)空气出口温度控制 为了迅速地将车辆内部温度调整到设定 相位B:+ 相位A 温度，可以通过控制空 1 1 0 0 1 1 0 0 气混合挡板的位置(开启度)，调整热空气和冷空气的比例来控制气 0 1 1 0 0 1 1 0 模式宽相位B 流温度。在一些车型上，水阀的开启位置也根据挡板位置改变(如图度2.81? 12所示)。 图10 脉冲型伺服电机检测模式 2012/5?汽车维修与保养61 Maintenance Skill栏目编辑:王云刚wyg@motorchina.com 维修技巧 ?MAX控制 冷 当温度设置在MAX COOL或MAX HOT时，不管TAO的值如 何，空气混合挡板被充分地开到COOL侧或HOT侧，这便是所谓的 “最冷控制”或“最热控制”。 ?正常控制 当温度被设置在18.5,31.5?(65.3,88.7?)之间热 时，根据TAO 的值控制空气混合挡板位置，以便将车辆内部温度调整到规定温度。 ?计算空气混合挡板开启度 假定当空气混合挡板被移动到 TAO COOL侧顶端时，它的开启度为 内部温度高压 内部温度低于 0;当它被移动到HOT侧顶端时，它的开启度为100%;当开启度 设定温度 设定温度 (驾驶员侧) (前座乘客侧) 用挡板控制 气流挡板 加热器芯 空 气混合挡板 蒸发器 用膜片挡板控制 (a)(驾驶员侧) (前座乘客侧) 膜蒸发器 膜片挡板 膜片挡板片挡板 ECU 气流挡板 空气混合 空气混合 送风机电机 膜片挡板 膜片挡板 空气混合膜片挡板(b) 图15 出气模式控制图13 温度控制方式 舒适 为0时，蒸发器温度约等于TAO;当开启度为100%时，根据发动机 冷却液温度计算出来的加热器芯温度等于TAO。空调放大器起动伺 服电机控制空气混合挡板的开启度，将实际的挡板开启度调整到目 FRESH 标开启度(由伺服电动机脉冲模式的数量测所得)。 FRESH / 目标挡板开启度=(TAO-蒸发器温度)/(发动机冷却液温度-蒸 热 RECIRC发器温度)×100 RECIRC ?左右单独控制空气出口温度 在某些车型上，可以根据驾驶员 侧和乘员侧的各自温度设置， 单独执行温度和气流控制。按下述方法执行温度和气流控制: 如图TAO 13a所示，在左右侧各装有一个空气混合挡板以便能单独 在内部温度和 设定温度之间 地进行温度控制，即采用挡板控制。如图13b所示，采用步进马达缩 差距大回带有孔的薄膜挡板，并调整孔的位置，以便进行单独的温度和气流 控制，即薄膜挡板控制。 (6)新鲜空气控制 ECU 进气控制 当车辆内部温度与设定温度的差距很大时，进气控制自动切 换到内部空气循环模式，以便有效地冷却(如图14所示)。新鲜空 挡板 气控制模式:?正常:FRESH(新鲜空气);?当内部温度高时: RECIRC(循环)。 在某些车辆上，如果烟雾通风传感器检测到外部空气中CO(一 氧化碳)、HC(碳氢化合物)和NOx(氮氧化物)超过规定水平时，进 气控制也自动地切换到RECIRC。当空气流量选择DEF(前除霜) 模 式，进气控制自动切换到FRESH。 图14 新鲜空气控制 - CHINA ?May62 栏目编辑:王云刚 wyg@motorchina.comMaintenance Skill 维修技巧 (7)出气模式控制 HI EX-HI 当空调温度挡板在加热器和冷却器之间切换时，空调放大器自 HI 动切换到要求的空气流量。如图15所示，当降低内部温度时，转 送 风LO 换到FACE(身体的上半部吹风);当内部温度被稳定在设置温度左 机 速 右时，转换到BI-LEVEL(身体的上半部和脚部吹风);当加热内部 TAO 度 LO 时，转换到FOOT(脚部吹风)。内部温度高压设定温度 内部温度低于设定温度 关 冷 预热 预热后(8)送风机控制 空调放大器根据车辆内部温度和设置温度之间 的差距，自动调图16 送风机转速控制 图17 预热阶段风机控制整送风机速度来控制风量。如图16所示，当存在大的温差时，送风机 控制器 速度Hi(高);当存在小的温差时，送风机速度Lo(低)。神经网络 输入 输出处理?自动控制。空调放大器根据车辆内部温度和设置温度之间的 处理 目标输出中间层湿度 差距，通过调整送风机的电流占空比连续控制送风机速度(丰田皇冠 湿度控制 空气混合 输出层 输入层 修正挡板日照 环境 目标 温度 轿车31级速度)。 修正量 温度输出 设置湿度 ?手动控制。可以通过手动设置送风机速度选择器，来调整送 各种类型 日照量目标鼓风 鼓风机电 的气流量 修正 机速度量 内部 风机速度(丰田皇冠轿车7级速度)。机温度 模式 (9)预热控制各类型的 输出模式 挡板 模式修正 当气流模式被设置到FOOT或BI-LEVEL，并且送风机速度选 各类型的 择器设置到AUTO时，送风机速度根据发动机冷却液温度控制(图17 输入模式 进气挡板修正 开关 神经网络工作区所示)。当冷却液温度低时，为了不影响暖机速度，预热控制限制送 压缩机压缩机 输入 风机马达运转。当预热时，预热控制取下限值速度运转送风机。预 热后，预热控制执行正常控制。 图18 丰田皇冠自动空调神经网络系统图 (10)人工神经网络计算目标出气温度 在早期的自动空调系统 中，空调放大器根据从传感器收集到的 现代神经科学的基础上，模拟人脑的基本功能，能够处理复杂的多输信息，计算出气口温度，但这种控制不能满足乘员个体热舒适感觉。 入、多输出非线性系统数据(图18所示)。它是由三层神经元组成的网 按图11计算出气口温度，只能在稳态工况或环境空气参数变化不大 络，不同层的神经元之间通过节点连接权系数相联系。其中输入层神 的情况下使用。当环境参数变化较大时，必须考虑到环境参数变化率 经元参数为环境温度、日照量、内部温度，中间层神经元，基于输入 对乘员个体热舒适感觉的影响。例如即使出风口温度一样，各乘员对 层神经元的数据，负责调节神经元中的关联强度，然后输出层的神经 其感觉也是不尽相同的。因此，现代轿车的自动空调系统中采用了 一 元计算出目标出气口温度、光照修正量、目标空气流量和出气模式控 项可实现高水准的处理技术，人工神经网络处理。人工神经网络是 在 制量。空调放大器根据人工神经网络所计算的控制量控制伺服电机 运转和送风机转速。经过人工神经网计算后的目标出气温度与人体 动态热舒适感觉期望值误差均方值达到了最小。(未完待续) 车用碳氢制冷剂节能环保新技术 — 随着环保意识的增强，人们在对生活品 R4 3 6 a 高 效节能的 优 势，表 现 在它 动;大排量车辆虽然没不会出现动力不足的 质不断追求的同时，节能环保已经成为了一 比其它制冷剂的蒸发潜热大，单位时间内 现象，但制冷温度更低的效果却非常明显，所 降温速度更快。因其分子量小、流动性能 以满负荷工作的时间减少，直接降低了油耗。 种时尚。我国对节能减排的大力提倡，加之 油价的持续上升，汽车领域的节能降耗也越 好，工作压力低，可以减小压缩机的负荷， “中炜节能技术”引进专利技术的碳 来越受到重视。夏日将至，汽车空调开始频 延长压缩机的使用寿命，降低汽车油耗， 氢车用节能环保制冷剂R436a是纯天然碳 繁使用，油耗也随之不断上升，各种节油方 大大节省了系统的运行成本，节能率达到 氢化合物，不破坏臭氧层，不导致温室效 法已经成为车主们热议的话题。 10%,20%。 应。R436a 的热工作性能与R134a相近， 碳氢制冷剂在欧洲已经使用了10年，随 填充了R436a制冷剂后，最直观的感受 所以R134a的制冷系统无须变更即可直接 着该技术的引进，我国也将大力推广碳氢制 就是车内温度比原来降低2~4?。对于小排量 被替换。R436a与R134a的润滑油具有良 冷剂。今年年初，我国政府就已经确定将碳 车辆而言，最大的感受就是开了空调不会像 好的兼容性，可直接将其充至R134a的制 氢制冷剂作为氟利昂的替代产品。 用R134a那样，由于动力不足而发生车子抖 冷系统中。 632012/5?汽车维修与保养