汽車發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇控制技術(shù)

1、汽車發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇控制技術(shù)評析0 引言汽車發(fā)動機(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)動機(jī)良好的工作性能、 耐久性和廢氣排放的要求。 發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)在此起著關(guān)鍵 作用。而發(fā)動機(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)動機(jī)適度

2、冷卻的需要。從冷卻風(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)動控制方式； -是與發(fā)動機(jī) ECU 無關(guān)、環(huán)境參數(shù)獨(dú)自監(jiān)控的自控電動控制方式； 三是綜合發(fā)動機(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)械傳動原理。 或用發(fā)動機(jī)曲軸直接帶動， 或由發(fā)動機(jī)皮帶帶動冷卻風(fēng)扇； 后兩者才體 現(xiàn)了真正意義上的發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇控制技術(shù)。從冷卻風(fēng)扇驅(qū)動控制模塊來看， 冷卻風(fēng)扇的控制技術(shù)可分為兩大類， 一是集中于發(fā)動機(jī) 動力系統(tǒng)控制模塊控制的集中式控制； 二是獨(dú)立于發(fā)動機(jī)外或與發(fā)動機(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

3、由兼有發(fā)動機(jī)的噴油、點(diǎn)火、排放、空調(diào)、冷卻風(fēng) 扇等多種控制功能的發(fā)動機(jī)動力總成控制模塊執(zhí)行。 由它統(tǒng)一協(xié)調(diào)調(diào)度， 來保障發(fā)動機(jī)良好 的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性。分體式控制，即指脫離了發(fā)動機(jī)，由外部的電子控制模塊來完 成驅(qū)動風(fēng)扇， 以達(dá)到冷卻系統(tǒng)使發(fā)動機(jī)適度冷卻的目的。 這個外部的電子控制模塊就是我們 所謂發(fā)動機(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)評析2.1集中式控制類型 發(fā)動機(jī)動力系統(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

4、制集成在其中發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)控制模塊 (PCM) 中。對環(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。只能控制兩個同定風(fēng)速。PCM 負(fù)荷工作任務(wù)量大，時效性比分體式差。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386bK2 Mot2 230a86b 3Ki Moll 130b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

5、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，溫度開關(guān)或空調(diào)壓力開關(guān)接通，控制兒、J2繼電器工作，驅(qū)動風(fēng)扇電機(jī)使冷卻風(fēng)扇工作。特點(diǎn)和評析：自控電動控制方式，線路簡單實(shí)用，成本低，易維修。但遠(yuǎn)離風(fēng)扇，線束 長。只能控制兩個固定風(fēng)速。對風(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。兩個大功率繼電器和與門電路（或延時電路）集中在一起，組成一個獨(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)測冷卻液的溫度兩個熱敏開關(guān)，熱敏開關(guān)

6、1的動作溫度為92 97 C,控制輔助風(fēng)扇，熱敏開關(guān)2的動作溫度為99-105 C,接主風(fēng)扇。MOTI、 MOT2與空制器相連，壓力或壓縮機(jī)工作時，風(fēng)扇會進(jìn)行必要的工作。當(dāng)熱敏開關(guān)I或MOTI 接收到相應(yīng)超限信號時， 啟動低速輔助風(fēng)扇。 熱敏開關(guān)2或MOT2接收到相應(yīng)超限信號時， 啟動高速主風(fēng)扇。REL2RELI波羅冷卻風(fēng)扇控制器電原理圖特點(diǎn)和評析：自控電動控制方式，直接安裝于風(fēng)扇附近，散熱好；線路簡單、線束少，易 維修。只能控制兩級個固定風(fēng)速；用于密封強(qiáng)制循環(huán)式發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)。對產(chǎn)品的工作溫度要求較高，從70 C提高到110C，另外對水密封性和防塵都有更高的要求，綜合成本較高。 電路對風(fēng)扇電

7、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，當(dāng)溫度80±30C時，控制繼電器J1動作，動風(fēng)扇低速運(yùn)行；當(dāng)溫度85 95 C時，控制繼電器 J2動作，驅(qū)動風(fēng)扇高速運(yùn)行。當(dāng)冷卻液溫度于相應(yīng)溫度時，依次由高速降到低速至停止。特點(diǎn)和評析：自控電動控制方式，核心芯片是單片機(jī)，控制電路與繼電器分離，單端口信 號采樣、雙路風(fēng)扇固定風(fēng)速控制輸出。控制電路簡潔，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。電路對風(fēng)扇電機(jī)

8、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車的HG4948風(fēng)扇控制器。其電路特點(diǎn)是：在自控電動控制方式 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)動機(jī)ECU有單線雙向通訊端口 （BIDI），負(fù)責(zé)向發(fā)動機(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)該啟動電磁離合器。輸入信號有空調(diào)壓縮機(jī)的壓力傳感器（PWM信號）、外界溫度傳感器（NTC）、水溫信號、機(jī)溫度開關(guān)、空調(diào)開關(guān)等，這些都是發(fā)動機(jī)系統(tǒng)必不可少的控制信號，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、

9、空調(diào)電磁離合器和冷卻水泵進(jìn)行有序的工作，風(fēng)扇啟動其外圍電路見圖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)的最高形式。點(diǎn)火蓄電池30b,WPT2連接發(fā)動機(jī)控$BID電磁丄蜃合器溫度開關(guān)RENTCt低速和高速型冷卻城堀30a圖4 Brora A4的冷卻風(fēng)扇控制外圍電路評析：綜合型智能控制和自控電動控制的邊緣方式，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。b1CJIRd

10、a© 315早期PWM控制器外圍電路特點(diǎn)和評析：風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不再是前幾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管取代了繼電器來驅(qū)動風(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。由于有固定頻率震蕩脈沖，對外的電磁騷擾加劇，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)動模式。圖6是其外部電路示意圖。安裝在發(fā)動機(jī)艙的冷卻風(fēng)扇上。與早期

11、不同，改進(jìn)后PWM控制器與發(fā)動機(jī)ECU緊密相關(guān)，發(fā)動機(jī)ECU在采樣分析冷卻系統(tǒng)的溫度、壓力等綜合信號后處理成PWM信號給冷卻風(fēng)扇控制器，冷卻風(fēng)扇控制器再輸出相應(yīng)占空比的 PWM脈沖信號驅(qū)動風(fēng)扇， 使風(fēng)扇在一定 范圍內(nèi)可以無級調(diào)速。改進(jìn)后PWM控制器控制兩個風(fēng)扇輸出情況不同，在輸入信號占空比<5%時，兩者均為100%輸出，風(fēng)扇全速運(yùn)行。此后，在5% 12%輸入時，風(fēng)扇Ml輸出為零，在12%一 88% 輸入時為線性輸出，即以占空比為22%一 90%輸出無級調(diào)速。風(fēng)扇 M2則在在輸入信號占空比為5%82%時，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)評析

12、：綜合型智能控制方式，繼承了早期PWM控制器的特點(diǎn)，也繼承了集中控制方式的優(yōu)點(diǎn)，只是高速風(fēng)扇 M2依然是有級調(diào)速，必然有能量的損耗，電磁騷擾問題也比較較 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)扇輸出的無級調(diào)速。典型產(chǎn)品是用于德國大眾 CADDY、TOURASKODA等冷卻風(fēng)扇控制器，安裝在發(fā)動機(jī) 艙的冷卻風(fēng)扇上。法國標(biāo)致 308、雪鐵龍C4、C6也采用了這一技術(shù)。技術(shù)評析：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)，控制電路對發(fā)動機(jī)及其周圍環(huán)境參數(shù)考慮的已極為

13、全面。有緊急運(yùn)行模式、堵轉(zhuǎn)、短路、過壓、欠壓、 溫度過高保護(hù)等等功能。真正體現(xiàn)了智能化控制。同時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)語通過對對汽車發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇控制技術(shù)分3妙6040'200' .010 10 30 40 50 60 70 80 90 100冷卻效能需求（）冷卻效能輦對比圖類特點(diǎn)評析，可以看出，冷卻風(fēng)扇控制技術(shù)從集中式，至愴體式控制方式的大量采用，使 冷卻風(fēng)扇控制的實(shí)時性大大提高，即保證在發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)處理其它工作程序的同時，冷 卻系統(tǒng)還能實(shí)時工作。PWM控制技術(shù)的采用，克服了固定風(fēng)速、有級風(fēng)速造成能量損失的缺陷，而無級調(diào)速

14、更是發(fā)揮了這一控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。同時，從可靠性角度看，PWM控制技術(shù)的采用，提高了控制系統(tǒng)的抗干擾能力，而隨之帶來的電磁騷擾問題也須十分注意。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)1HG4948冷卻風(fēng)扇控制器 Q/ YXRDI03-2003s.上海滬工汽車電器有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，20032 TL82166-MAR2003汽車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瞬時干擾要求s.上海大眾企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2004.汽車發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇控制技術(shù)評析作者：何春鳴， He Chu nming作者單位：上海滬工汽車電器

15、有限公司刊名：上海汽車英文刊名： SHANGHAI AUTO年，卷（期）: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. 瞬時干擾要求 2004學(xué)位論文 楊文霞 工程機(jī)械電液混合驅(qū)動冷卻系統(tǒng)液壓驅(qū)動裝置的研究 2008 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比驅(qū)動，且同一冷卻 風(fēng)扇同時擔(dān)負(fù)著發(fā)動機(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)動方式使工程

16、機(jī)械發(fā)動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩大、預(yù)熱時間長、低速 大負(fù)荷時冷卻不足、高速中小負(fù)荷時冷卻能力過剩，從而造成 發(fā)動機(jī)冷卻不合理、風(fēng)扇耗能較大，降低了發(fā)動機(jī)的動力輸出效率，而且風(fēng)扇安裝位置受 限，工作噪聲大。針對此問題，設(shè)計了電液混合驅(qū)動冷卻系統(tǒng)，將原冷卻系統(tǒng)分成發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)和液壓 油冷卻系統(tǒng)兩個相對獨(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)動機(jī)冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇采用了液壓驅(qū)動方式實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的無級調(diào)節(jié)， 由單片機(jī)根據(jù)水溫信號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)扇采用了電機(jī)驅(qū)動，由單片機(jī)根據(jù)液壓油的溫度信號控制電機(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。 本文對電液混合驅(qū)動冷卻系統(tǒng)的工作原理作了詳細(xì)論述，并在以往試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對發(fā)動 機(jī)冷卻系統(tǒng)液壓驅(qū)動裝置的熱力學(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)動機(jī)是額定功率為 45kW的R4105T型柴油機(jī)，以此為樣機(jī)對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的風(fēng)扇和散熱器、液壓驅(qū)動裝置的 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；鑒 于試驗(yàn)條件的限制設(shè)計了電動水泵，由單片機(jī)根據(jù)冷卻液的溫 度信號控制伺服電動機(jī)的啟停來控制發(fā)動機(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