汽车发动机冷却风扇控制技术

0 引言汽车发动机在高温工作环境下必须得到适度的冷却，以使其保持在适宜的温度下工作， 才能满足发动机良好的工作性能、耐久性和废气排放的要求。发动机冷却系统在此起着关键 作用。而发动机冷却系统的控制技术，主要就是冷却风扇的控制技术。如何以最低的成本、 最低的功耗，最好地完成发动机冷却系统的冷却任务，冷却风扇控制技术值得深入的研究分 析。1 冷却风扇控制技术分类汽车发动机的冷却系统有空气冷却和液体冷却2种形式。目前最常用的是液体冷却。即 用于冷却的液体经过循环系统，再通过散热器散热来使发动机降温，冷却风扇用来给散热器 通过风速强制补风，以满足发动机适度冷却的需要。从冷却风扇工作形式来看，冷却风扇的控制方式有3种：一是适用于大型车辆和重型车 辆的机械驱动控制方式；-是与发动机ECU无关、环境参数独自监控的自控电动控制方式； 三是综合发动机、空调、压缩机、车速等多种参数信息的综合型智能控制方式。前者主要是 利用机械传动原理。或用发动机曲轴直接带动，或由发动机皮带带动冷却风扇；后两者才体 现了真正意义上的发动机冷却风扇控制技术。从冷却风扇驱动控制模块来看，冷却风扇的控制技术可分为两大类，一是集中于发动机 动力系统控制模块控制的集中式控制；二是独立于发动机外或与发动机有通讯联系的分体式 控制。集中式控制，即指冷却风扇的控制由兼有发动机的喷油、点火、排放、空调、冷却风 扇等多种控制功能的发动机动力总成控制模块执行。由它统一协调调度，来保障发动机良好 的动力性、经济性、排放性。分体式控制，即指脱离了发动机，由外部的电子控制模块来完 成驱动风扇，以达到冷却系统使发动机适度冷却的目的。这个外部的电子控制模块就是我们 所谓发动机冷却风扇控制器。各种风扇控制类型、控制技术各有特点。大汽车厂商根据不同情况各取所需，因而目前 各种控制技术种类并存。2 冷却风扇控制技术评析2.1集中式控制类型发动机动力系统控制模块典型例子是美国通用系列轿车，如赛欧、别克基本型，东风神龙的毕加索、塞纳也是如 此将冷却风扇的控制集成在其中发动机动力系统控制模块(PCM)中。对环境温度、空调压缩 机压力，冷却液温度，进气温度等传感器信号进行采样以控制外部功率继电器，从而控制高 和低速两个风扇。安装位置：在空气滤清器中，离冷却风扇较远。特点和评析：采样信息多，便于智能化控制和统一协调管理。只能控制两个同定风速。PCM负荷工作任务量大，时效性比分体式差。2.2分体式控制类型一2.2.1单纯继电器控制电路如图1所示为早期汽车通用的冷却风扇控制器（近期中高档汽车如帕萨特B5也有使用）。工作原理：当冷却液温度或打开空调后空调压力超过规定的限值时，温度开关或空调压 力开关接通，控制儿、J2继电器工作，驱动风扇电机使冷却风扇工作。特点和评析：自控电动控制方式，线路简单实用，成本低，易维修。但远离风扇，线束 长。只能控制两个固定风速。对风扇电机没有保护功能。2.2.2 逻辑电路加继电器集成式控制器如图 2所示，为上海大众波罗冷却风扇控制电路电原理图。两个大功率继电器和与门电 路（或延时电路）集中在一起，组成一个独立结构。继电器工作与否也受控于外部冷却液温度 开关和空调压力开关。Kl和1（2端分别接监测冷却液的温度两个热敏开关，热敏开关1的动 作温度为9297°C,控制辅助风扇，热敏开关2的动作温度为99-105 °C,接主风扇。MOT1、 MOT2与空制器相连，压力或压缩机工作时，风扇会进行必要的工作。当热敏开关I或MOT1 接收到相应超限信号时，启动低速辅助风扇。热敏开关2或MOT2接收到相应超限信号时，特点和评析：自控电动控制方式，直接安装于风扇附近，散热好；线路简单、线束少，易 维修。只能控制两级个固定风速；用于密封强制循环式发动机冷却系统。对产品的工作温度 要求较高，从70°C提高到110°C，另外对水密封性和防尘都有更高的要求，综合成本较高。 电路对风扇电机没有保护功能。223 智能芯片与继电器分离式控制电路 代表产品是用于金杯海狮、金龙海狮柴油车和北汽福田蒙派克车的上海沪工公司产品系 列。工作原理如图3所示，控制器采样水温传感器Rt信号，当温度80±30C时，控制继电器 J1动作，动风扇低速运行；当温度8595C时，控制继电器J2动作，驱动风扇高速运行。 当冷却液温度于相应温度时，依次由高速降到低速至停止。特点和评析：自控电动控制方式，核心芯片是单片机，控制电路与继电器分离，单端口信 号采样、双路风扇固定风速控制输出。控制电路简洁，由于远离继电器和冷却风扇，电磁兼 容的效果较好。但采样信息少，能耗控制未予考虑。电路对风扇电机没有保护功能。 224智能芯片加继电器集成式控制电路典型产品是用于BroraA4车的HG4948风扇控制器。其电路特点是：在自控电动控制方式 二结构上增加单片机等电子器件。多端口信号采样；输出端，除主、辅双风扇控制外，还控 制空调电磁离合器和冷却水泵，与发动机ECU有单线双向通讯端口(BIDI),负责向发动机 通知空调电离合器的工作状况及判断风扇控制器是否应该启动电磁离合器。输入信号有空调压缩机的压力传感器(PWM信号)、外界温度传感器(NTC)、水温信号、 机温度开关、空调开关等，这些都是发动机系统必不可少的控制信号，经单片机处理，分别 根据不同的压力条件、温度条件，使主风扇、辅风扇、空调电磁离合器和冷却水泵进行有序的工作，风扇启动其外围电路见图4。这种冷却风扇控制器是双风扇固定转速控制技术的最 高形式。低速利高速型冷却凤堀评析：综合型智能控制和自控电动控制的边缘方式，采样信息多，智能化控制程度高；风 扇软启动方式，提高了风扇的工作寿命。安装在冷却风扇附近，散热较好。但对水密封性和 防尘都有更高的要求，综合成本较高2. 2. 5早期PWM脉宽调制输出的控制电路外围电路如图5所示。典型例子是用于帕萨特B5/V6车型的冷却风扇控制器。制技术，20Hz频率下占空比可变的四种速度，虽然是单风扇，却可以根据水温和空调压缩 机压力情况实现四种强制补风能力，使冷却效率大大增加。用功率MOS管取代了继电器 来驱动风扇。提高了工作可靠性和工作耐久性。具有短路、过载堵转等保护功能。由于 有固定频率震荡脉冲，对外的电磁骚扰加剧，须采取一定的抑制措施。2. 2. 6改进后的PWM脉宽调制输出方式的控制电路 典型产品是用于一汽大众奥迪轿车的冷却风扇控制器，双风扇驱动模式。图6是其外部 电路示意图。安装在发动机舱的冷却风扇上。与早期不同，改进后PWM控制器与发动机ECU紧密相 关，发动机ECU在采样分析冷却系统的温度、压力等综合信号后处理成PWM信号给冷却 风扇控制器，冷却风扇控制器再输出相应占空比的PWM脉冲信号驱动风扇，使风扇在一定 范围内可以无级调速。改进后PWM控制器控制两个风扇输出情况不同，在输入信号占空比5%时，两者均为 100%输出，风扇全速运行。此后，在5%一 12%输入时，风扇Ml输出为零，在12% 88% 输入时为线性输出，即以占空比为22%一 90%输出无级调速。风扇M2则在在输入信号占 空比为5%82%时，凤扇框架图6改进后的PWM控制器外部电路示意图输出为零。其它情况下均为100输出。技术评析：综合型智能控制方式，继承了早期PWM控制器的特点，也继承了集中控制方 式的优点，只是高速风扇M2依然是有级调速，必然有能量的损耗，电磁骚扰问题也比较较 突出。2. 2. 7新一代PWM脉宽调制输出方式的控制电路新一代PWM脉宽调制输出方式的控制电路是在改进版基础上演变而来的，只是双风扇输 出特性相同，实现了双风扇输出的无级调速。典型产品是用于德国大众CADDY、TOURASKODA等冷却风扇控制器，安装在发动机 舱的冷却风扇上。法国标致308、雪铁龙C4、C6也采用了这一技术。技术评析：为综合型智能控制方式，兼有集中式控制和PWM技术的优点，控制电路对发 动机及其周围环境参数考虑的已极为全面。有紧急运行模式、堵转、短路、过压、欠压、 温度过高保护等等功能。真正体现了智能化控制。同时与以往的控制方式相比，能效更高 ，达到了节能降耗的目的。如图7所示。3 结语 通过对对汽车发动机冷却风扇控制技术分2® 2类特点评析，可以看出，冷却风扇控制技术从集中式，到分体式控制方式的大量采用，使 冷却风扇控制的实时性大大提高，即保证在发动机管理系统处理其它工作程序的同时，冷 却系统还能实时工作。PWM控制技术的采用，克服了固定风速、有级风速造成能量损失的 缺陷，而无级调速更是发挥了这一控制技术的优点。同时，从可靠性角度看，PWM控制技 术的采用，提高了控制系统的抗干扰能力，而随之带来的电磁骚扰问题也须十分注意。环 保、节能降耗、高性能、智能化必然是冷却风扇控制技术今后的研究方向。参考文献lHG4948冷却风扇控制器Q/YXRD103-2003s.上海沪工汽车电器有限公司企业标准，20032 TL82166-MAR2003汽车电子零件的电磁兼容性一辐射干扰s.上海大众企业标准，2003.3 TL965. Oct2004瞬时干扰要求s.上海大众企业标准，2004. 汽车发动机冷却风扇控制技术评析作者： 何春鸣， He Chunming作者单位： 上海沪工汽车电器有限公司刊名： 上海汽车英文刊名： SHANGHAI AUTO年，卷（期）： 2009， （7）引用次数： 0次参考文献（3条）1.Q/YXRD 103-2003.HG4948冷却风扇控制器 20032.TL 82166-MAR 2003.汽车电子零件的电磁兼容性-辐射干扰 20033.TL 965-Oct 2004.瞬时干扰要求 2004学位论文 杨文霞 工程机械电液混合驱动冷却系统液压驱动装置的研究 2008 当前工程机械冷却系统风扇主要是采用了曲轴前端皮带轮的定传动比驱动，且同一冷却 风扇同时担负着发动机的散热任务和液力变矩器液压油的散 热任务，散热强度极大。这种驱动方式使工程机械发动机起动转矩大、预热时间长、低速 大负荷时冷却不足、高速中小负荷时冷却能力过剩，从而造成 发动机冷却不合理、风扇耗能较大，降低了发动机的动力输出效率，而且风扇安装位置受 限，工作噪声大。针对此问题，设计了电液混合驱动冷却系统，将原冷却系统分成发动机冷却系统和液压 油冷却系统两个相对独立的部分，两部分冷却系统通过同一 单片机进行智能控制。发动机冷却系统风扇采用了液压驱动方式实现了转速的无级调节， 由单片机根据水温信号控制溢流阀的溢流量来控制风扇转速 ；液压油冷却系统风扇采用了电机驱动，由单片机根据液压油的温度信号控制电机的起停 来控制风扇转速。两种风扇分别根据不同的冷却要求，独立工作。 本文对电液混合驱动冷却系统的工作原理作了详细论述，并在以往试验的基础上对发动 机冷却系统液压驱动装置的热力学参数和主要液压元件参数 作了重新选择；拟定匹配的发动机是额定功率为45kW的R4105T型柴油机，以此为样机对发动机冷却系统的风扇和散热器、液压驱动装置的 各元件和各管件及电磁比例溢流阀进行了重新选型，并完成了冷却风扇与散热器及系统的匹配设计；鉴 于试验条件的限制设计了电动水泵，由单片机根据冷却液的温度信号控制伺服电动机的启停来控制发动机冷却系统的水循环，改善了以往试验中冷却水 泵未实现水循环的弊端；根据对电液比例控制回路的理论分析，确定了电液比例调压回路的循环形式-无级调压回路；最后，在CLG816小型装载机上对 改装前后的发动机冷却系统进行了发动机水温、预热时间及油耗 的对比试验。电液混合驱动冷却方式使散热器和冷却风扇离开发动机而灵活布置，减小了风扇安装的 径向间隙，提高了容积效率。