汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇控制技術(shù)

1、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇控制技術(shù)評(píng)析0引言汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫工作環(huán)境下必須得到適度的冷卻，以使其保持在適宜的溫度下工作， 才能滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)良好的工作性能、耐久性和廢氣排放的要求。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)在此起著關(guān)鍵作用。而發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的控制技術(shù)，主要就是冷卻風(fēng)扇的控制技術(shù)。如何以最低的成本、 最低的功耗，最好地完成發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的冷卻任務(wù)，冷卻風(fēng)扇控制技術(shù)值得深入的研究分析。1冷卻風(fēng)扇控制技術(shù)分類(lèi)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)有空氣冷卻和液體冷卻2種形式。目前最常用的是液體冷卻。即用于冷卻的液體經(jīng)過(guò)循環(huán)系統(tǒng)，再通過(guò)散熱器散熱來(lái)使發(fā)動(dòng)機(jī)降溫，冷卻風(fēng)扇用來(lái)給散熱器通過(guò)風(fēng)速?gòu)?qiáng)制補(bǔ)風(fēng)，以滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)適度冷卻的需要。從冷卻風(fēng)扇工作形

2、式來(lái)看， 冷卻風(fēng)扇的控制方式有 3種：一是適用于大型車(chē)輛和重型車(chē) 輛的機(jī)械驅(qū)動(dòng)控制方式；-是與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU無(wú)關(guān)、環(huán)境參數(shù)獨(dú)自監(jiān)控的自控電動(dòng)控制方式； 三是綜合發(fā)動(dòng)機(jī)、空調(diào)、壓縮機(jī)、車(chē)速等多種參數(shù)信息的綜合型智能控制方式。前者主要是利用機(jī)械傳動(dòng)原理。 或用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸直接帶動(dòng)，或由發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶帶動(dòng)冷卻風(fēng)扇；后兩者才體現(xiàn)了真正意義上的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇控制技術(shù)。從冷卻風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)控制模塊來(lái)看，冷卻風(fēng)扇的控制技術(shù)可分為兩大類(lèi)，一是集中于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)控制模塊控制的集中式控制；二是獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)外或與發(fā)動(dòng)機(jī)有通訊聯(lián)系的分體式控制。集中式控制，即指冷卻風(fēng)扇的控制由兼有發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油、點(diǎn)火、排放、空調(diào)、冷卻風(fēng) 扇等多種控

3、制功能的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成控制模塊執(zhí)行。由它統(tǒng)一協(xié)調(diào)調(diào)度，來(lái)保障發(fā)動(dòng)機(jī)良好的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性。分體式控制，即指脫離了發(fā)動(dòng)機(jī)，由外部的電子控制模塊來(lái)完 成驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，以達(dá)到冷卻系統(tǒng)使發(fā)動(dòng)機(jī)適度冷卻的目的。這個(gè)外部的電子控制模塊就是我們所謂發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇控制器。各種風(fēng)扇控制類(lèi)型、 控制技術(shù)各有特點(diǎn)。 大汽車(chē)廠商根據(jù)不同情況各取所需，因而目前各種控制技術(shù)種類(lèi)并存。2冷卻風(fēng)扇控制技術(shù)評(píng)析2.1集中式控制類(lèi)型一一發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)控制模塊典型例子是美國(guó)通用系列轎車(chē)， 如賽歐、別克基本型，東風(fēng)神龍的畢加索、塞納也是如 此將冷卻風(fēng)扇的控制集成在其中發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)控制模塊(PCM)中。對(duì)環(huán)境溫度、空調(diào)壓縮機(jī)壓力，

4、冷卻液溫度，進(jìn)氣溫度等傳感器信號(hào)進(jìn)行采樣以控制外部功率繼電器，從而控制高和低速兩個(gè)風(fēng)扇。安裝位置：在空氣濾清器中，離冷卻風(fēng)扇較遠(yuǎn)。特點(diǎn)和評(píng)析：采樣信息多，便于智能化控制和統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理。只能控制兩個(gè)同定風(fēng)速。 PCM負(fù)荷工作任務(wù)量大，時(shí)效性比分體式差。2.2分體式控制類(lèi)型一2.2.1單純繼電器控制電路圖】帕薩特B5冷卻風(fēng)扇控制器工作電路圖如圖1所示為早期汽車(chē)通用的冷卻風(fēng)扇控制器（近期中高檔汽車(chē)如帕薩特 B5也有使用）。工作原理：當(dāng)冷卻液溫度或打開(kāi)空調(diào)后空調(diào)壓力超過(guò)規(guī)定的限值時(shí)，溫度開(kāi)關(guān)或空調(diào)壓力開(kāi)關(guān)接通，控制兒、J2繼電器工作，驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇電機(jī)使冷卻風(fēng)扇工作。特點(diǎn)和評(píng)析：自控電動(dòng)控制方式，線路簡(jiǎn)單實(shí)

5、用，成本低，易維修。但遠(yuǎn)離風(fēng)扇，線束 長(zhǎng)。只能控制兩個(gè)固定風(fēng)速。對(duì)風(fēng)扇電機(jī)沒(méi)有保護(hù)功能。2.2.2邏輯電路加繼電器集成式控制器如圖2所示，為上海大眾波羅冷卻風(fēng)扇控制電路電原理圖。兩個(gè)大功率繼電器和與門(mén)電路（或延時(shí)電路）集中在一起，組成一個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)。繼電器工作與否也受控于外部冷卻液溫度 開(kāi)關(guān)和空調(diào)壓力開(kāi)關(guān)。Kl和1（2端分別接監(jiān)測(cè)冷卻液的溫度兩個(gè)熱敏開(kāi)關(guān)，熱敏開(kāi)關(guān)1的動(dòng)作溫度為92-97C,控制輔助風(fēng)扇，熱敏開(kāi)關(guān)2的動(dòng)作溫度為99-105 C,接主風(fēng)扇。MOT1、 MOT2與空制器相連，壓力或壓縮機(jī)工作時(shí)，風(fēng)扇會(huì)進(jìn)行必要的工作。當(dāng)熱敏開(kāi)關(guān)I或MOT1 接收到相應(yīng)超限信號(hào)時(shí)， 啟動(dòng)低速輔助風(fēng)扇。熱

6、敏開(kāi)關(guān)2或MOT2接收到相應(yīng)超限信號(hào)時(shí)， 啟動(dòng)高速主風(fēng)扇。386b, K2 M戒286b 3K1 Mot,l30b波羅冷卻風(fēng)扇控制器電原理圖特點(diǎn)和評(píng)析：自控電動(dòng)控制方式，直接安裝于風(fēng)扇附近，散熱好；線路簡(jiǎn)單、線束少，易 維修。只能控制兩級(jí)個(gè)固定風(fēng)速；用于密封強(qiáng)制循環(huán)式發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)。對(duì)產(chǎn)品的工作溫度要求較高，從70C提高到110C,另外對(duì)水密封性和防塵都有更高的要求，綜合成本較高。 電路對(duì)風(fēng)扇電機(jī)沒(méi)有保護(hù)功能。2. 2. 3智能芯片與繼電器分離式控制電路代表產(chǎn)品是用于金杯海獅、金龍海獅柴油車(chē)和北汽福田蒙派克車(chē)的上海滬工公司產(chǎn)品系列。工作原理如圖 3所示，控制器采樣水溫傳感器 Rt信號(hào)，當(dāng)溫度8

7、0±30C時(shí)，控制繼電 器J1動(dòng)作，動(dòng)風(fēng)扇低速運(yùn)行；當(dāng)溫度85-95C時(shí)，控制繼電器J2動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇高速運(yùn)行。 當(dāng)冷卻液溫度于相應(yīng)溫度時(shí)，依次由高速降到低速至停止。0+12VA1+PWM控制器Al-冷卻風(fēng)扇5A.圖3智能芯片與繼電器分離式控制電路圖原理特點(diǎn)和評(píng)析：自控電動(dòng)控制方式，核心芯片是單片機(jī)，控制電路與繼電器分離，單端口信號(hào)采樣、雙路風(fēng)扇固定風(fēng)速控制輸出?？刂齐娐泛?jiǎn)潔，由于遠(yuǎn)離繼電器和冷卻風(fēng)扇，電磁兼容的效果較好。但采樣信息少，能耗控制未予考慮。電路對(duì)風(fēng)扇電機(jī)沒(méi)有保護(hù)功能。2. 2 . 4智能芯片加繼電器集成式控制電路典型產(chǎn)品是用于 BroraA4車(chē)的HG4948風(fēng)扇控制器。

8、其電路特點(diǎn)是：在自控電動(dòng)控制方 式二結(jié)構(gòu)上增加單片機(jī)等電子器件。多端口信號(hào)采樣；輸出端，除主、輔雙風(fēng)扇控制外，還 控制空調(diào)電磁離合器和冷卻水泵，與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU有單線雙向通訊端口 (BIDI),負(fù)責(zé)向發(fā)動(dòng)機(jī)通知空調(diào)電離合器的工作狀況及判斷風(fēng)扇控制器是否應(yīng)該啟動(dòng)電磁離合器。輸入信號(hào)有空調(diào)壓縮機(jī)的壓力傳感器(PWM信號(hào))、外界溫度傳感器(NTC)、水溫信號(hào)、機(jī)溫度開(kāi)關(guān)、空調(diào)開(kāi)關(guān)等，這些都是發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)必不可少的控制信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)處理，分別根據(jù)不同的壓力條件、 溫度條件，使主風(fēng)扇、輔風(fēng)扇、空調(diào)電磁離合器和冷卻水泵進(jìn)行有序的工作，風(fēng)扇啟動(dòng)其外圍電路見(jiàn)圖4。這種冷卻風(fēng)扇控制器是雙風(fēng)扇固定轉(zhuǎn)速控制技術(shù)的最高形

9、式。點(diǎn)火r 裝N 落碗1 匚連接發(fā)動(dòng)機(jī)控制器 BID溫度、 開(kāi)關(guān)、15水泵N0NTC-冷卻給凰控制器口306.電磁 .離A器 CzZPfi JL壓力 31.傳感器低速和河速型冷卻風(fēng)M圖4 Bmm A4的冷卻風(fēng)扇控制外圍電路評(píng)析：綜合型智能控制和自控電動(dòng)控制的邊緣方式，采樣信息多，智能化控制程度高； 風(fēng)扇軟啟動(dòng)方式，提高了風(fēng)扇的工作壽命。安裝在冷卻風(fēng)扇附近，散熱較好。但對(duì)水密封性和 防塵都有更高的要求，綜合成本較高2. 2 . 5早期PWM脈寬調(diào)制輸出的控制電路外圍電路如圖5所示。典型例子是用于帕薩特B5/ V6車(chē)型的冷卻風(fēng)扇控制器。30圖5早期PWM控制器外圍電路特點(diǎn)和評(píng)析：風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不再是前幾

10、種繼電器閉合后的固定速度，而是采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，20Hz頻率下占空比可變的四種速度，雖然是單風(fēng)扇，卻可以根據(jù)水溫和空調(diào)壓縮 機(jī)壓力情況實(shí)現(xiàn)四種強(qiáng)制補(bǔ)風(fēng)能力，使冷卻效率大大增加。用功率MOS管取代了繼電器來(lái)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。提高了工作可靠性和工作耐久性。具有短路、過(guò)載堵轉(zhuǎn)等保護(hù)功能。由于有固定頻率震蕩脈沖，對(duì)外的電磁騷擾加劇，須采取一定的抑制措施。2. 2 . 6改進(jìn)后的PWM脈寬調(diào)制輸出方式的控制電路典型產(chǎn)品是用于一汽大眾奧迪轎車(chē)的冷卻風(fēng)扇控制器，雙風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)模式。圖6是其外部電路示意圖。安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙的冷卻風(fēng)扇上。 與早期不同，改進(jìn)后PWM控制器與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU緊密相 關(guān)，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU在采樣分析冷

11、卻系統(tǒng)的溫度、壓力等綜合信號(hào)后處理成PWM信號(hào)給冷卻風(fēng)扇控制器，冷卻風(fēng)扇控制器再輸出相應(yīng)占空比的 PWM脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇， 使風(fēng)扇在一定 范圍內(nèi)可以無(wú)級(jí)調(diào)速。改進(jìn)后PWM控制器控制兩個(gè)風(fēng)扇輸出情況不同，在輸入信號(hào)占空比<5 %時(shí)，兩者均為100%輸出，風(fēng)扇全速運(yùn)行。此后，在5% 12%輸入時(shí)，風(fēng)扇Ml輸出為零，在12% 88% 輸入時(shí)為線性輸出，即以占空比為22% 90%輸出無(wú)級(jí)調(diào)速。風(fēng)扇 M2則在在輸入信號(hào)占空比為5%82%時(shí)，*風(fēng)殖根架 a-圖6改進(jìn)后的PWM控制器外部電路示意圖輸出為零。其它情況下均為100%輸出。技術(shù)評(píng)析：綜合型智能控制方式，繼承了早期PWM控制器的特點(diǎn)，也繼承了

12、集中控制方式的優(yōu)點(diǎn)，只是高速風(fēng)扇M2依然是有級(jí)調(diào)速，必然有能量的損耗，電磁騷擾問(wèn)題也比較 較突出。2. 2 . 7新一代PWM脈寬調(diào)制輸出方式的控制電路新一代PWM脈寬調(diào)制輸出方式的控制電路是在改進(jìn)版基礎(chǔ)上演變而來(lái)的，只是雙風(fēng)扇 輸出特性相同，實(shí)現(xiàn)了雙風(fēng)扇輸出的無(wú)級(jí)調(diào)速。典型產(chǎn)品是用于德國(guó)大眾 CADDY、TOURASKODA等冷卻風(fēng)扇控制器，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī) 艙的冷卻風(fēng)扇上。法國(guó)標(biāo)致 308、雪鐵龍C4、C6也采用了這一技術(shù)。技術(shù)評(píng)析：為綜合型智能控制方式，兼有集中式控制和PWM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，控制電路對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及其周?chē)h(huán)境參數(shù)考慮的已極為全面。有緊急運(yùn)行模式、堵轉(zhuǎn)、短路、過(guò)壓、欠壓、 溫度過(guò)高保護(hù)等

13、等功能。真正體現(xiàn)了智能化控制。同時(shí)與以往的控制方式相比，能效更高， 達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。如圖7所示。3結(jié)語(yǔ)通過(guò)對(duì)對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇控制技術(shù)分too60400 0 10 30 40 50 60 70 80 90 100冷卻效能需求%)7冷卻效能量對(duì)比類(lèi)特點(diǎn)評(píng)析，可以看出，冷卻風(fēng)扇控制技術(shù)從集中式，到分體式控制方式的大量采用，使冷卻風(fēng)扇控制的實(shí)時(shí)性大大提高，即保證在發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)處理其它工作程序的同時(shí)，冷卻系統(tǒng)還能實(shí)時(shí)工作。PWM控制技術(shù)的采用，克服了固定風(fēng)速、有級(jí)風(fēng)速造成能量損失的缺陷， 而無(wú)級(jí)調(diào)速更是發(fā)揮了這一控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，從可靠性角度看，PWM控制技術(shù)的采用，提高了控制系統(tǒng)的抗干

14、擾能力，而隨之帶來(lái)的電磁騷擾問(wèn)題也須十分注意。環(huán)保、節(jié)能降耗、高性能、智能化必然是冷卻風(fēng)扇控制技術(shù)今后的研究方向。參考文獻(xiàn)1 HG4948冷卻風(fēng)扇控制器 Q/YXRDl03-2003s.上海滬工汽車(chē)電器有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，20032 TL82166-MAR2003汽車(chē)電子零件的電磁兼容性一輻射干擾s.上海大眾企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2003.3 TL965 . Oct2004瞬時(shí)干擾要求s.上海大眾企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2004.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇控制技術(shù)評(píng)析作者：何春鳴， He Chunming作者單位：上海滬工汽車(chē)電器有限公司刊名：上海汽車(chē)英文刊名:SHANGHAI AUTO年，卷（期）:2009, （7）引用次數(shù)：

15、0次參考文獻(xiàn)（3條）1. Q/YXRD 103-2003.HG4948 冷卻風(fēng)扇控制器 20032. TL 82166-MAR 2003.汽車(chē)電子零件的電磁兼容性 -輻射干擾 20033. TL 965-Oct 2004.瞬時(shí)干擾要求 20042008學(xué)位論文 楊文霞 工程機(jī)械電液混合驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)裝置的研究當(dāng)前工程機(jī)械冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇主要是采用了曲軸前端皮帶輪的定傳動(dòng)比驅(qū)動(dòng)，且同一冷卻 風(fēng)扇同時(shí)擔(dān)負(fù)著發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱任務(wù)和液力變矩器液壓油的散熱任務(wù)，散熱強(qiáng)度極大。這種驅(qū)動(dòng)方式使工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)、低速大負(fù)荷時(shí)冷卻不足、高速中小負(fù)荷時(shí)冷卻能力過(guò)剩，從而造成發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻不合理、風(fēng)扇

16、耗能較大，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出效率，而且風(fēng)扇安裝位置受限， 工作噪聲大。針對(duì)此問(wèn)題，設(shè)計(jì)了電液混合驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)，將原冷卻系統(tǒng)分成發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)和液壓 油冷卻系統(tǒng)兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分，兩部分冷卻系統(tǒng)通過(guò)同一單片機(jī)進(jìn)行智能控制。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇采用了液壓驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，由單片機(jī)根據(jù)水溫信號(hào)控制溢流閥的溢流量來(lái)控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速;液壓油冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇采用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由單片機(jī)根據(jù)液壓油的溫度信號(hào)控制電機(jī)的起停來(lái)控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。兩種風(fēng)扇分別根據(jù)不同的冷卻要求，獨(dú)立工 作。本文對(duì)電液混合驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)的工作原理作了詳細(xì)論述，并在以往試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)發(fā)動(dòng) 機(jī)冷卻系統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)裝置的熱力學(xué)參數(shù)和主要液壓元件參數(shù)作了重新選擇；擬定匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)是額定功率為 45 kW的R4105T型柴油機(jī)，以此為樣機(jī)對(duì) 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的風(fēng)扇和散熱器、液壓驅(qū)動(dòng)裝置的各元件和各管件及電磁比例溢流閥進(jìn)行了重新選型，并完成了冷卻風(fēng)扇與散熱器及系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)；鑒于試驗(yàn)條件的限制設(shè)計(jì)了電動(dòng)水泵，由單片機(jī)根據(jù)冷卻液的溫度信號(hào)控制伺服電動(dòng)機(jī)的啟停來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的水循環(huán)，改善了以往試驗(yàn)中冷卻水泵未實(shí)現(xiàn)水循