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

1、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇控制技術(shù)評(píng)析0 引言汽車發(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)分類汽車發(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)過循環(huán)系統(tǒng)，再通過散熱器散熱來使發(fā)動(dòng)機(jī)降溫，冷卻風(fēng)扇用來給散 熱器通過風(fēng)速強(qiáng)制補(bǔ)風(fēng)，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)適度冷卻的需要。從冷

2、卻風(fēng)扇工作形式來看，冷卻風(fēng)扇的控制方式有 3 種：一是適用于大型車輛和重型 車輛的機(jī)械驅(qū)動(dòng)控制方式； - 是與發(fā)動(dòng)機(jī) ECU 無關(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?；蛴冒l(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)控制模塊來看，冷卻風(fēng)扇的控制技術(shù)可分為兩大類，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

3、、空調(diào)、 冷卻風(fēng)扇等多種控制功能的發(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)扇控制類型、控制技術(shù)各有特點(diǎn)。大汽車廠商根據(jù)不同情況各取所需，因而目 前各種控制技術(shù)種類并存。2冷卻風(fēng)扇控制技術(shù)評(píng)析2.1集中式控制類型 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)控制模塊典型例子是美國通用系列轎車，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)

4、環(huán)境溫度、空調(diào) 壓縮機(jī)壓力，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分體式控制類型一2.2.1 單純繼電器控制電路冷卻風(fēng)沏控制器J2 -n 4*Fia熱敵開關(guān)29調(diào)AFI空iL風(fēng)機(jī)卻電圖1帕薩特B5冷卻風(fēng)扇控制器工作電路圏如圖1所示為早期汽車通用的冷卻風(fēng)扇控制器（近期中高檔汽車如帕薩特B5也有使用。工作原理：當(dāng)冷卻液溫度或打開空調(diào)后空調(diào)壓力超過規(guī)定的限值時(shí)，溫度開關(guān)或空調(diào) 壓力

5、開關(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，線路簡單實(shí)用，成本低，易維修。但遠(yuǎn)離風(fēng)扇，線 束長。只能控制兩個(gè)固定風(fēng)速。對(duì)風(fēng)扇電機(jī)沒有保護(hù)功能。222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 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 溫度開關(guān)和空調(diào)壓力開關(guān)。KI和1（2端分別接監(jiān)測(cè)冷卻液的溫度兩個(gè)熱敏開關(guān)，熱敏開關(guān)1的動(dòng)作溫度為92 97C,控制輔助風(fēng)扇，熱敏開關(guān)2的動(dòng)作溫度為99-105 C,接主風(fēng)扇。MOTI、MOT2與空制器相連，壓力或壓縮機(jī)

6、工作時(shí)，風(fēng)扇會(huì)進(jìn)行必要的工作。當(dāng)熱敏開關(guān) I或MOTI接收到相應(yīng)超限信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)低速輔助風(fēng)扇。熱敏開關(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。REL2RELI386bK2 Mot2 230a86b 3Ki Moll 130b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 70 C提高到110 C,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

7、金杯海獅、金龍海獅柴油車和北汽福田蒙派克車的上海滬工公司產(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8030C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。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。控制電路簡潔，因?yàn)檫h(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

8、的HG4948風(fēng)扇控制器。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)溫度開關(guān)、空調(diào)開關(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)其外圍電路見圖4。這種冷卻風(fēng)扇控制器是雙風(fēng)扇固

9、定轉(zhuǎn)速控制技術(shù)的最高形式。點(diǎn)火f 裝呎 蓄電池連接發(fā)動(dòng)機(jī)WPMT22M曰30匕 曰30違亠水泵T4 BID電磁T一衿卻巫軽制器UH氐速和高速型冷卻城劃圖4 Brora 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車型的冷卻風(fēng)扇控制器。b1CJIRda 315早期PWM控制器外圍電路特點(diǎn)和評(píng)析：風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不再是前幾種繼電器閉合后

10、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、過載堵轉(zhuǎn)等保護(hù)功能。 因?yàn)橛泄潭l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在采樣分析冷卻 系統(tǒng)的溫

11、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 :2009, (7引用次數(shù)：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 2004學(xué)位論文 楊文霞項(xiàng)目機(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2008當(dāng)前項(xiàng)目機(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

12、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)方式使項(xiàng)目機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、預(yù)熱時(shí)間長、低速 大負(fù)荷時(shí)冷卻不足、高速中小負(fù)荷時(shí)冷卻能力過剩，從而造成 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻不合理、風(fēng)扇耗能較大，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控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；液壓油冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇采用了電

13、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，并在以往實(shí)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 于實(shí)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)的啟停來控制發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的水循環(huán)，改善了以往實(shí)驗(yàn)中冷卻水 泵未實(shí)現(xiàn)水循環(huán)的弊端；根據(jù)對(duì)電液比例控制回路的理論分析 ，確定了電液比例調(diào)壓回路的循環(huán)形式-無級(jí)調(diào)壓回路；最后，在 CLG81