汽車發(fā)動機(jī)電動冷卻風(fēng)扇智能控制系統(tǒng)研制

彭菊生，潘法寶（.湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，浙江 湖州　33000；.湖州全程車品汽車銷售有限公司，浙江 湖州　33000）

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汽車發(fā)動機(jī)電動冷卻風(fēng)扇智能控制系統(tǒng)研制

彭菊生1，潘法寶2
（1.湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，浙江 湖州313000；2.湖州全程車品汽車銷售有限公司，浙江 湖州313000）

摘要：探討電動冷卻風(fēng)扇的控制需求和策略，通過采用分體式控制，開發(fā)出汽車發(fā)動機(jī)電動冷卻風(fēng)扇智能控制系統(tǒng)，并通過發(fā)動機(jī)熱平衡測試、燃油經(jīng)濟(jì)性測試以及實(shí)際車內(nèi)噪聲測試，證明采用的方法和開發(fā)的系統(tǒng)是有效可行。

關(guān)鍵詞：電動冷卻風(fēng)扇；智能控制；風(fēng)扇控制器

發(fā)動機(jī)工作溫度過高或者過低，不但會使燃料消耗量增加，也會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)磨損增加，使用壽命受到影響，所以發(fā)動機(jī)只有在合適的溫度范圍工作才能發(fā)揮最大效能。要讓發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在合適的溫度范圍，必須對冷卻系統(tǒng)的風(fēng)扇進(jìn)行控制，而電動冷卻風(fēng)扇的控制最重要的是控制風(fēng)扇電機(jī)。如何生產(chǎn)出高效節(jié)能的汽車發(fā)動機(jī)電動冷卻風(fēng)扇，己成為汽車企業(yè)技術(shù)攻關(guān)的當(dāng)務(wù)之急，而生產(chǎn)出高效節(jié)能的汽車發(fā)動機(jī)電動冷卻風(fēng)扇關(guān)鍵在冷卻風(fēng)扇控制系統(tǒng)上。本文對汽車發(fā)動機(jī)電動冷卻風(fēng)扇智能控制技術(shù)進(jìn)行研究分析。

1　電動冷卻風(fēng)扇的控制需求和控制策略

以前汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇由發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動［1］，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速決定了冷卻強(qiáng)度，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不能根據(jù)冷卻液溫度進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，使得發(fā)動機(jī)溫度無法控制在最佳溫度范圍內(nèi)，對發(fā)動機(jī)的工作影響非常大，這種剛性連接的冷卻風(fēng)扇所需要的功率占發(fā)動機(jī)功率的3％～ 5％，小功率發(fā)動機(jī)甚至超過10％，導(dǎo)致燃油消耗非常驚人。剛性連接的風(fēng)扇直接受發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，通常設(shè)計散熱能力以發(fā)動機(jī)最大熱負(fù)荷為參照標(biāo)準(zhǔn)，但實(shí)際運(yùn)行，發(fā)動機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時，冷卻系溫度被強(qiáng)制散熱，造成發(fā)動機(jī)溫度過低，冬季發(fā)動機(jī)升溫困難的現(xiàn)象。在現(xiàn)代汽車上，發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)普遍采用了電動冷卻風(fēng)扇，冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速能根據(jù)冷卻液的溫度自動調(diào)節(jié)，從而將冷卻液溫度控制在汽車發(fā)動機(jī)工作的最佳范圍。電動冷卻風(fēng)扇的高速低速運(yùn)轉(zhuǎn)方式有很多種，有的采用電阻降壓方式獲得低速，有的采用電子占空比調(diào)速方式獲得低速，有的采用兩個電子扇串聯(lián)方式獲得低速，高速則在電機(jī)兩端直接加上蓄電池電壓。

本文采用目標(biāo)液溫控制策略［1］，目標(biāo)溫度由發(fā)動機(jī)負(fù)荷和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速計算得出，研究表明發(fā)動機(jī)負(fù)荷與水溫必須一致，合適的水溫能提高發(fā)動機(jī)性能。部分負(fù)荷時溫度高一些 （95～105℃），有利于發(fā)動機(jī)提高性能、降低油耗和降低有害物質(zhì)排放；全負(fù)荷時溫度低一些 （85～95℃）。由于進(jìn)氣加熱作用小，能增加動力輸出，利于提高功率。而車速越低和外界溫度越高其設(shè)置的目標(biāo)水溫就要適當(dāng)降低2～5℃。冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制的目的是使實(shí)際水溫更接近目標(biāo)水溫。

2　電動風(fēng)扇的控制單元硬件設(shè)計

本系統(tǒng)采用分體式控制，即指脫離發(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汽車電動冷卻風(fēng)扇控制器［2］。電動冷卻風(fēng)扇控制

器可以解決以下問題：①熔斷絲盒燒壞了不用換；②發(fā)動機(jī)線路燒壞了不用換；③風(fēng)扇線束燒壞了還是不用換；④降低風(fēng)扇啟動溫度；⑤減少了線路接插件，使線路電力損耗降低，恢復(fù)風(fēng)扇正常轉(zhuǎn)速，提升空調(diào)制冷效果。

本系統(tǒng)風(fēng)扇采用直流電機(jī)驅(qū)動，具有良好的起動性以及耐久性?？刂撇呗陨喜捎靡阅繕?biāo)水溫度和空調(diào)壓力為主導(dǎo)的冷卻風(fēng)扇，能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)扇的多極控制，包括低速與高速，相當(dāng)于家用電風(fēng)扇的快慢擋。風(fēng)扇電機(jī)采用微機(jī)控制。使得硬件電路比較簡單，用少量芯片就可完成很多功能，易于通用化，維修相對容易，成本也較低。主要的硬件包括：冷卻液溫度傳感器、空調(diào)壓力傳感器和風(fēng)扇控制器等。系統(tǒng)連接原理圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)連接原理圖

3　電控冷卻風(fēng)扇的系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計將基于Microchip公司 （美國微芯科技公司）的PIC16F716控制芯片，本系統(tǒng)風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制電壓信號由兩路命令通道給出，可以使冷卻風(fēng)扇得到最直接的冷卻信息，實(shí)現(xiàn)對汽車發(fā)動機(jī)及時且可靠的冷卻。兩路命令通道分別是水溫與空調(diào)壓力。在發(fā)動機(jī)上安裝有水溫傳感器，它把感受到的溫度傳輸給汽車電動冷卻風(fēng)扇控制器，控制器得到傳感器的溫度報告，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時，如溫度達(dá)到108℃ECU就會打開低速，溫度達(dá)到115℃打開高速。不管是打開了高速還是低速，都要等溫度降低到90℃，ECU才會關(guān)閉風(fēng)扇。當(dāng)空調(diào)打開，壓縮機(jī)開始工作，空調(diào)管道壓力開始升高，空調(diào)壓力傳感器把壓力報告給汽車電動冷卻風(fēng)扇控制器，壓力達(dá)到設(shè)定值時，如壓力達(dá)到1 MPa以上時，ECU打開低速，壓力達(dá)到1.4 MPa以上，ECU打開高速。這兩個通道的信號先到先得的原則，誰的通道滿足開啟要求，風(fēng)扇即刻工作。

4　電控冷卻風(fēng)扇系統(tǒng)的測試

為了驗(yàn)證上述設(shè)計的可行性，以及控制策略的合理性，我們開發(fā)了這套電控冷卻風(fēng)扇系統(tǒng) （圖2），在發(fā)動機(jī)熱平衡試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行了發(fā)動機(jī)熱平衡試驗(yàn)，然后裝在別克君威車上測試了燃油經(jīng)濟(jì)性和車內(nèi)噪聲［3］。

圖2　電控冷卻風(fēng)扇系統(tǒng)

4.1發(fā)動機(jī)熱平衡測試

本系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)熱平衡試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)工況熱平衡試驗(yàn)。穩(wěn)態(tài)工況發(fā)動機(jī)熱平衡試驗(yàn)是在發(fā)動機(jī)性能試驗(yàn)中，保持發(fā)動機(jī)工況穩(wěn)定，當(dāng)發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)溫度達(dá)到穩(wěn)定時，測量各系統(tǒng)熱量分配情況［4］。主要測試了本系統(tǒng)進(jìn)水和出水處的溫度，進(jìn)水溫度最高到93.7℃，出水溫度最高到101.8℃，滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

4.2燃油經(jīng)濟(jì)性測試

將該系統(tǒng)裝在別克君威2.0上測試燃油經(jīng)濟(jì)性，在一般道路上沒裝該系統(tǒng)時的油耗是10.8 L／100 km，裝了一個月以后，測得的實(shí)際平均油耗是10.5L／100km，綜合油耗降低0.3L／100km。

4.3車內(nèi)噪聲測試

別克君威2.0在裝該系統(tǒng)之后，在一條平直無車的公路上用數(shù)字聲級計HS5633B測試，如圖3所示，測得改裝冷卻系統(tǒng)前后車內(nèi)噪聲如圖4所示，車內(nèi)噪聲值低約0.2～0.8dB（A）。

圖3　車內(nèi)噪聲測試

5　結(jié)論

通過本系統(tǒng)的研究，可得如下結(jié)論：①研究表明發(fā)動機(jī)負(fù)荷與水溫必須一致，合適的水溫能提高發(fā)動機(jī)性能，所以本系統(tǒng)采用目標(biāo)液溫控制策略，目標(biāo)溫度由發(fā)動機(jī)負(fù)荷和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速計算得出。②綜合運(yùn)用風(fēng)扇智能控制理論與方法進(jìn)行了電動風(fēng)扇控制單元硬件和軟件設(shè)計，并成功開發(fā)出汽車發(fā)動機(jī)電動冷卻風(fēng)扇智能控制系統(tǒng)。這套系統(tǒng)采用分體式控制，使得維修簡單，性能可靠，表明該設(shè)計方案的實(shí)用性。③不但將汽車發(fā)動機(jī)電動冷卻風(fēng)扇智能控制系統(tǒng)裝在發(fā)動機(jī)熱平衡試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行了發(fā)動機(jī)熱平衡試驗(yàn)，而且裝在別克君威車上測試了燃油經(jīng)濟(jì)性和車內(nèi)噪聲，測試結(jié)果顯示該系統(tǒng)能夠保證發(fā)動機(jī)熱平衡，并且經(jīng)濟(jì)性和NVH性能尤為突出。充分表明采用的方法和開發(fā)的系統(tǒng)是有效可行的，研究工作是成功的。

圖4　別克君威2.0車內(nèi)噪聲測試改裝冷卻系統(tǒng)前后比較

參考文獻(xiàn)：

［1］郭新民，邢娟，袁燕利，等．汽車發(fā)動機(jī)電動冷卻風(fēng)扇控制系統(tǒng)的研究［J］．汽車電器，1996（5）：13-14．

［2］劉陽．以目標(biāo)水溫為主導(dǎo)的冷卻風(fēng)扇控制策略［J］．汽車維修，2009（12）：20-22．

［3］朱鵬．新型汽車發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇智能控制系統(tǒng)的設(shè)計［D］．上海大學(xué)．2008．

［4］韓曉峰，張士路，翁銳，等．車用PWM冷卻風(fēng)扇控制策略試驗(yàn)研究［J］．內(nèi)燃機(jī)與動力裝置，2014，31（6）：8-9．

［5］俞小莉，李婷．發(fā)動機(jī)熱平衡仿真研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］．車用發(fā)動機(jī)，2005，159（5）：1-5．

（編輯心翔）

中圖分類號：U463.851

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003－8639（2016）05－0067－03

收稿日期：2015-12-22；修回日期：2016-01-11

基金項(xiàng)目：2014年高等學(xué)校訪問工程師校企合作項(xiàng)目 （FG2014102）資助。

作者簡介：彭菊生 （1983－），男，江西吉安人，碩士，研究方向?yàn)檐囕v先進(jìn)制造技術(shù)，郵箱：40803857@qq.com。

Development of Intelligent Control System of Automobile Engine Electric Cooling Fan

PENG Ju-sheng1，PAN Fa-bao2
（1.School of mechanical and electrical engineering，Huzhou Vocational and Technical College，Huzhou 313000，China；2.Huzhou Quancheng Automotive Supplies Company，Huzhou 313000，China）

Abstract：This paper discusses the controlling demand and strategies of the electric cooling fan.The intelligent control system of engine electric cooling fan is developed based on separate control.Through the engine thermal balance test，fuel economic efficiency test and actual interior noisy test，the system and method it takes are applicable.

Key words：electric cooling fan；intelligent control；fan controller