Патент на изобретение №2332313

(54) СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ И ВЕНТИЛЯЦИИ САЛОНА АВТОМОБИЛЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, в частности к системе отопления салона автомобиля. Система содержит систему трубопроводов, большой и малый контуры циркуляции охлаждающей жидкости, кран отопителя и радиатор, электродвигатель (15) вентилятора, схему (7) широтно-импульсной модуляции, диод (13), силовой ключ (10), стабилизатор (16), датчик (2) температуры салона, задатчик (3) температуры салона, разностный усилитель (5), усилитель (8), биполярный эмиттерный повторитель (9), второй диод (11) и конденсатор (12). В систему дополнительно введены датчик (1) тока, несимметричная зарядная цепь (4), конденсатор (19) фильтра, делитель (20) напряжения, компаратор (21), диод (6) защиты, переключатель (22) режимов и сопротивление (23). Причем второй вывод электродвигателя (15) вентилятора соединен с первым выводом датчика (1) тока и входом несимметричной зарядной цепи (4), выход которой соединен с конденсатором (19) фильтра и инвертирующим входом компаратора (21), неинвертирующий вход которого связан с выходом делителя (20) напряжения, второй вывод которого соединен с выходом стабилизатора (16). Второй вывод датчика (1) тока, третий вывод делителя (20) напряжения, второй вывод конденсатора (19) фильтра и минусовый вывод питания компаратора (21) соединены с минусовой шиной питания. Выход компаратора (21) соединен с катодом диода (6) защиты, анод которого связан со входом схемы (7) широтно-импульсной модуляции и выходом переключателя (22) режимов, первый вход которого связан с минусовой шиной питания. Задатчик (3) температуры салона связан с вторым входом переключателя (22) режимов, третий вход которого через сопротивление (23) соединен с выходом разностного усилителя (5). Технический результат заключается в повышении надежности и удобства пользования системой отопления салона автомобиля. 2 ил.

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, в частности к системе отопления салона автомобиля.

Известны системы [1, 2, 3], содержащие три ведущих теплообменника, систему запорных аппаратов и трубопроводов. Недостатком подобных устройств является дискретность регулировки скорости вращения вентилятора и низкий коэффициент полезного действия системы, обусловленный падением напряжения на гасящих сопротивлениях.

Наиболее близкой к предлагаемой является система отопления и вентиляции салона автомобиля [4], содержащая систему трубопроводов, большой и малый контуры циркуляции охлаждающей жидкости, кран отопителя и радиатор, включенные в малый контур циркуляции охлаждающей жидкости, электродвигатель электрического вентилятора, схему широтно-импульсной модуляции, диод, силовой ключ, стабилизатор, датчик температуры салона, датчик температуры отопителя, задатчик температуры салона, первый и второй разностные усилители, логическую схему, усилитель, биполярный эмиттерный повторитель, второй диод и конденсатор, причем инвертирующий вход первого разностного усилителя соединен с датчиком температуры отопителя, его неинвертирующий вход с датчиком температуры салона, а выход с первым входом логической схемы, датчик температуры салона соединен с инвертирующим входом второго разностного усилителя, неинвертирующий вход которого связан с задатчиком температуры салона, а его выход со вторым входом логической схемы, выход которой соединен с входом схемы широтно-импульсной модуляции, выход которой связан с входом усилителя, выход усилителя соединен с входом биполярного эмиттерного повторителя, а его выход с затвором силового ключа, исток силового ключа соединен с катодом диода, первым выводом конденсатора и первым выводом электрического вентилятора, второй вывод конденсатора соединен с выводами питания усилителя, биполярного эмиттерного повторителя и катодом второго диода, анод которого соединен с истоком силового ключа, входом стабилизатора и с плюсовой шиной питания, анод диода, третьи выводы биполярного эмиттерного повторителя, усилителя, электрического вентилятора и стабилизатора соединены с минусовой шиной питания, выход стабилизатора подключен к схемам широтно-импульсной модуляции, разностных усилителей, датчиков и задатчика температуры.

Недостатками известной системы являются отсутствие ручной регулировки скорости вращения вентилятора и отсутствие защиты от короткого замыкания в цепи электродвигателя отопителя.

Техническая задача направлена на введение ручной регулировки скорости вращения вентилятора и создание защиты от короткого замыкания в цепи электродвигателя отопителя при сохранении плавной регулировки скорости вращения вентилятора отопителя без снижения коэффициента полезного действия.

Технический результат достигается тем, что в систему дополнительно введены датчик тока, несимметричная зарядная цепь, конденсатор фильтра, делитель напряжения, компаратор, диод защиты, переключатель режимов и сопротивление, причем второй вывод электрического вентилятора соединен с первым выводом датчика тока и входом несимметричной зарядной цепи, выход которой соединен с конденсатором фильтра и инвертирующим входом компаратора, неинвертирующий вход которого связан с выходом делителя напряжения, второй вывод которого соединен с выходом стабилизатора, второй вывод датчика тока, третий вывод делителя напряжения, второй вывод конденсатора фильтра и минусовый вывод питания компаратора соединены с минусовой шиной питания, а выход компаратора соединен с катодом диода защиты, анод которого связан со входом схемы широтно-импульсной модуляции и выходом переключателя режимов, первый вход которого связан с минусовой шиной питания, задатчик температуры связан с вторым входом переключателя режимов, третий вход которого через сопротивление соединен с выходом разностного усилителя.

Отличительными от прототипа признаками является то, что в систему дополнительно введены датчик тока, несимметричная зарядная цепь, конденсатор фильтра, делитель напряжения, компаратор, диод защиты, переключатель режимов и сопротивление, а также наличие новых связей между вновь введенными и ранее применявшимися узлами системы.

Сопоставительный анализ характеристик заявляемой системы и имеющихся технических решений показывает, что заявляемая система обладает рядом существенных преимуществ: возможностью установки желаемой температуры салона, плавной автоматической регулировкой скорости вращения вентилятора в зависимости от температурных условий в салоне, наличием плавной ручной регулировки скорости вращения вентилятора и защиты от аварийных режимов, простотой алгоритма работы при высоком коэффициенте полезного действия.

На фиг.1 представлена функциональная электрическая схема предлагаемого устройства, а на фиг.2 временные диаграммы его работы.

Электрическая схема системы отопления и вентиляции салона автомобиля содержит электродвигатель 15 электрического вентилятора, электрический предохранитель 14, схему широтно-импульсной модуляции 7, диод 13, силовой ключ 10, стабилизатор 16, датчик 2 температуры салона, датчик 1 тока, задатчик 3 температуры салона, разностный усилитель 5, усилитель 8, второй диод 11, конденсатор 12, биполярный эмиттерный повторитель 9, несимметричную зарядную цепь 4, конденсатор 19 фильтра, делитель 20 напряжения, компаратор 21, переключатель 22 режимов, сопротивление 23, диод защиты 6, причем датчик 2 температуры салона соединен с инвертирующим входом разностного усилителя 5, неинвертирующий вход которого связан с задатчиком 3 температуры салона, а его выход с первым входом логической схемы 6, выход которой соединен с входом схемы широтно-импульсной модуляции 7, выход которой связан с входом усилителя 8, выход усилителя соединен с входом биполярного эмиттерного повторителя 9, а его выход с затвором силового ключа 10, исток силового ключа 10 соединен с катодом диода 13, первым выводом конденсатора 12 и первым выводом электрического вентилятора 15, второй вывод конденсатора 12 соединен с выводами питания усилителя 8, биполярного эмиттерного повторителя 9 и катодом второго диода 11, анод которого соединен с истоком силового ключа 10, входом стабилизатора 16 и с плюсовой шиной питания, анод диода 13, третьи выводы биполярного эмиттерного повторителя 9, усилителя 8 и стабилизатора 16 соединены с минусовой шиной питания, выход стабилизатора подключен к схемам широтно-импульсной модуляции 7, разностного усилителя 5, датчика 2 и задатчика 3 температуры, второй вывод электрического вентилятора 15 соединен с первым выводом датчика 1 тока и входом несимметричной зарядной цепи 4, выход которой соединен с конденсатором 19 фильтра и инвертирующим входом компаратора 21, неинвертирующий вход которого связан с выходом делителя 20 напряжения, второй вывод которого соединен с выходом стабилизатора 16, второй вывод датчика 1 тока, третий вывод делителя 20 напряжения, второй вывод конденсатора 19 фильтра и минусовый вывод питания компаратора 21 соединены с минусовой шиной питания, а выход компаратора 21 соединен с катодом диода 6, анод которого связан со входом схемы 7 широтно-импульсной модуляции и выходом переключателя 22 режимов, первый вход которого связан с минусовой шиной питания, задатчик 3 температуры связан со вторым входом переключателя 22 режимов, третий вход которого соединен с выходом разностного усилителя 5 через сопротивление 23.

Устройство работает следующим образом.

В основе принципа его действия лежит сравнение реальной и заданной температуры салона. Это сравнение осуществляется разностным усилителем 5 в третьем положении переключателя 22 режимов.

При низкой температуре в кабине на выходе разностного усилителя 5 устанавливается некоторый уровень напряжения, величина которого определяется разностью установленной задатчиком 3 температуры и датчиком 2 температуры величиной. Разностный усилитель 5 при этом находится в режиме, близком к насыщению и коэффициент заполнения на выходе схемы широтно-импульсной модуляции 7 (компаратор 18 и генератор пилообразного напряжения 17) максимален.

При прогреве салона разность между реальной температурой салона и установленной задающим устройством 3 уменьшается и напряжение на выходе разностного усилителя 5 начинает уменьшаться и в результате напряжение на входе схемы широтно-импульсной модуляции 7 уменьшается. Это приводит к уменьшению коэффициента заполнения ШИМ сигнала и уменьшению среднего напряжения на электродвигателе 15 вентилятора. Поэтому скорость вращения вентилятора уменьшается по мере сближения реальной и установленной температур салона. Частота генерации при этом не изменяется.

Выход схемы 7 широтно-импульсной модуляции соединен с входом усилителя 8, выход усилителя 8 соединен со входом биполярного эмиттерного повторителя 9, а его выход – с затвором силового ключа 10, который под действием ШИМ сигнала периодически открывается. При этом плюсовой вывод электродвигателя 15 вентилятора кратковременно соединяется с плюсовой шиной питания. При закрытом силовом ключе 10 цепь питания электродвигателя 15 вентилятора размыкается. Диод 13 необходим для защиты силового ключа 10 от ЭДС самоиндукции, возникающей в обмотке электродвигателя 15 вентилятора при его коммутации. При закрытом ключе 10 конденсатор 12 через диод 11 заряжается до напряжения аккумуляторной батареи, и при открытом ключе 10 за счет напряжения на конденсаторе 12 потенциал затвора транзистора ключа 10 приобретает величину, превышающую потенциал положительной шины питания практически на напряжение бортовой сети. Это напряжение и позволяет удерживать ключ 10 в открытом состоянии во время действия импульса ШИМ. Подобное построение схемы позволяет применить МОП транзистор с каналом n-типа, который обладает существенно более низкой стоимостью и сопротивлением канала, чем транзисторы с каналом p-типа. Среднее значение постоянного напряжения на электродвигателе 15 вентилятора может быть определено из соотношения:

где U – среднее напряжение на электродвигателе 15 вентилятора, U_БАТ – напряжение бортовой сети автомобиля, – длительность импульса ШИМ, f – частота генерации схемы 7 широтно-импульсной модуляции.

Как следует из формулы (1), среднее напряжение на электродвигателе 15 вентилятора плавно изменяется при регулировке коэффициента заполнения f импульсной последовательности, поступающей от схемы 7 широтно-импульсной модуляции. Такая регулировка и осуществляется описанным выше образом. В результате скорость вращения электродвигателя 15 вентилятора изменяется плавно, поскольку скорость вращения электродвигателя постоянного тока и питающее его напряжение связаны зависимостью [5]:

где U – напряжение питания электродвигателя, I – ток, потребляемый электродвигателем, R – активное сопротивление обмотки, С – конструктивная постоянная электродвигателя постоянного тока, Ф – магнитный поток.

На фиг.2 а), б), в) приведены временные диаграммы работы устройства. Здесь приняты следующие обозначения: Т_с, Т_з – температуры датчика 2 в салоне и задатчика 3 соответственно; U напряжение на входе схемы 7 широтно-импульсной модуляции.

Во втором положении переключателя 22 режимов напряжение на входе схемы широтно-импульсной модуляции 7 и соответственно среднее значение напряжения на электродвигателе 15 вентилятора определяются положением движка задатчика 3 температуры, который в данном режиме ручной регулировки скорости вращения вентилятора позволяет плавно изменять скорость вращения ротора электродвигателя 15 в зависимости от угла поворота движка задатчика 3.

В первом положении переключателя 22 режимов на входе схемы широтно-импульсной модуляции 7 устанавливается нулевой уровень и устройство находится в выключенном состоянии – ток в цепи электродвигателя 15 отсутствует.

При возникновении нештатной ситуации, обусловленной коротким замыканием в цепи электродвигателя 15, ток в цепи, содержащей датчик 1 тока возрастает. Это приводит к увеличению напряжения на нем и ускоренному заряду конденсатора 19 фильтра через несимметричную зарядную цепь 4, что вызывает срабатывание компаратора 21, который через логический блок 6 отключает ШИМ. И силовой ключ 10 закрывается и ток прерывается, что исключает выход из строя силовых элементов цепи. Однако при прерывании тока напряжение на датчике 1 тока уменьшается до нуля, что может привести к быстрому включению силового ключа 10. Для исключения этого эффекта зарядная цепь 4 выполнена несимметричной, и конденсатор 19 фильтра разряжается на сопротивление датчика 1 достаточно долго (около 1 с), что приводит к периодическим попыткам системы (примерно 1 раз в секунду) подключить электродвигатель вентилятора 15. Это позволяет обеспечить защиту силовых элементов цепи и, в случае устранения неисправности, за время порядка секунды обеспечить номинальную работу устройства.

Источники информации

1. A.c. CCCP МПК B60H 1/08, SU 1468777 A1, 1989, БИ №2.

2. А.с. СССР МПК В60Н 1/08, SU 1593988 A1, 1990, БИ №35.

3. Техническое описание автомобиля ВАЗ 2108.

4. Положительное решение по заявке №2005104058/11(005326) «Система отопления и вентиляции салона” авторов Карабанова С.М., Невдаха М.А., Айзенцона А.Е., Гармаша Ю.В., Ясевича В.И. на получение патента. Дата опубликования 20.07.2006.

5. Общая электротехника. Под ред. А.Т.Блажкина. Л.: Энергоатомиздат, 1986, с.389-399.

Формула изобретения

Система отопления и вентиляции салона автомобиля, содержащая систему трубопроводов, большой и малый контуры циркуляции охлаждающей жидкости, кран отопителя и радиатор, включенные в малый контур циркуляции охлаждающей жидкости, электродвигатель электрического вентилятора, схему широтно-импульсной модуляции, диод, силовой ключ, стабилизатор, датчик температуры салона, задатчик температуры салона, разностный усилитель, усилитель, биполярный эмиттерный повторитель, второй диод и конденсатор, причем датчик температуры салона соединен с инвертирующим входом разностного усилителя, неинвертирующий вход которого связан с задатчиком температуры салона, выход схемы широтно-импульсной модуляции связан с входом усилителя, выход усилителя соединен с входом биполярного эмиттерного повторителя, а его выход – с затвором силового ключа, исток силового ключа соединен с катодом диода, первым выводом конденсатора и первым выводом электрического вентилятора, второй вывод конденсатора соединен с выводами питания усилителя, биполярного эмиттерного повторителя и катодом второго диода, анод которого соединен с истоком силового ключа, входом стабилизатора и с плюсовой шиной питания, анод диода, третьи выводы биполярного эмиттерного повторителя, усилителя и стабилизатора соединены с минусовой шиной питания, выход стабилизатора подключен к схемам широтно-импульсной модуляции, разностного усилителя, датчика и задатчика температуры салона, отличающаяся тем, что в систему дополнительно введены датчик тока, несимметричная зарядная цепь, конденсатор фильтра, делитель напряжения, компаратор, диод защиты, переключатель режимов и сопротивление, причем второй вывод электрического вентилятора соединен с первым выводом датчика тока и входом несимметричной зарядной цепи, выход которой соединен с конденсатором фильтра и инвертирующим входом компаратора, неинвертирующий вход которого связан с выходом делителя напряжения, второй вывод которого соединен с выходом стабилизатора, второй вывод датчика тока, третий вывод делителя напряжения, второй вывод конденсатора фильтра и минусовый вывод питания компаратора соединены с минусовой шиной питания, а выход компаратора соединен с катодом диода защиты, анод которого связан со входом схемы широтно-импульсной модуляции и выходом переключателя режимов, первый вход которого связан с минусовой шиной питания, задатчик температуры салона связан с вторым входом переключателя режимов, третий вход которого через сопротивление соединен с выходом разностного усилителя.

РИСУНКИ