硅油離合器風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配研究

趙前進(jìn)，邢東仕，郭強(qiáng)，王玉軍，段昭

(上汽集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201206)

硅油離合器風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配研究

趙前進(jìn)，邢東仕，郭強(qiáng)，王玉軍，段昭

(上汽集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201206)

以安裝有硅油離合器風(fēng)扇的四缸發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，采用了試驗(yàn)對(duì)比分析方法，對(duì)不同嚙合溫度和不同嚙合轉(zhuǎn)速的硅油離合器風(fēng)扇進(jìn)行試驗(yàn)，研究硅油離合器與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)得出：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的最大放熱量一定情況下，硅油離合器的嚙合溫度不影響風(fēng)扇冷卻能力，嚙合溫度只與發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)有關(guān)，同時(shí)硅油離合器的嚙合轉(zhuǎn)速高低決定風(fēng)扇冷卻能力大小。

硅油風(fēng)扇離合器；發(fā)動(dòng)機(jī)；匹配

0 引言

社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，人們的環(huán)保意識(shí)以及節(jié)能意識(shí)也都在不斷地加強(qiáng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求也越來(lái)越高。在發(fā)動(dòng)機(jī)上冷卻系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，風(fēng)扇是和發(fā)動(dòng)機(jī)剛性連接的，即發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、風(fēng)扇就運(yùn)轉(zhuǎn)。因此只要發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，風(fēng)扇就一直在消耗著能量。

而實(shí)際上，在汽車的整個(gè)使用周期內(nèi)，有80%以上的時(shí)間是不需要風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的，比如：冬天、早上剛啟動(dòng)期間、高速行駛的時(shí)候、下坡的時(shí)候、空載的時(shí)候等。為了節(jié)約這部分能量，硅油離合器風(fēng)扇應(yīng)運(yùn)而生[1]。現(xiàn)在硅油離合器風(fēng)扇為新技術(shù)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)硅油離合器風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配研究較少，以往這種風(fēng)扇的選型都是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)或?qū)?biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)方案。

文中通過(guò)在某四缸發(fā)動(dòng)機(jī)上試驗(yàn)，研究硅油離合器風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配策略，并對(duì)不同參數(shù)硅油離合器風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配方案進(jìn)行了探討。

1 硅油離合器風(fēng)扇工作原理

硅油離合器風(fēng)扇以硅油為傳動(dòng)介質(zhì)，利用其高黏度特性傳遞扭矩，它可以隨發(fā)動(dòng)機(jī)溫度變化自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇的風(fēng)量。硅油離合器風(fēng)扇的基本原理為：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度較低時(shí)，硅油離合器無(wú)法提供有效嚙合功能，此時(shí)離合器處于分離狀態(tài)；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度較高時(shí)，硅油離合器可提供有效嚙合，從保證正常驅(qū)動(dòng)能力[2]。

2 試驗(yàn)原理

發(fā)動(dòng)機(jī)和整車?yán)鋮s系統(tǒng)零部件(水泵、散熱器、風(fēng)扇、節(jié)溫器等零部件)如圖1所示。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度低于節(jié)溫器初開(kāi)溫度時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行小循環(huán)；出水溫度高于全開(kāi)溫度時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)則運(yùn)行大循環(huán)；介于初開(kāi)溫度和全開(kāi)溫度的情況下發(fā)動(dòng)機(jī)大小循環(huán)同時(shí)運(yùn)行。對(duì)于不同發(fā)動(dòng)機(jī)，節(jié)溫器的初開(kāi)和全開(kāi)溫度也不相同，同時(shí)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速也不相同。

理論上，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越大發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻效果越好，但是會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)慢、功耗高。在風(fēng)扇低轉(zhuǎn)速或不旋轉(zhuǎn)情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)快速暖機(jī)，從而減少發(fā)動(dòng)機(jī)功耗。但風(fēng)扇低轉(zhuǎn)速或不旋轉(zhuǎn)時(shí)，在高速高負(fù)荷下，會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻效果差，從而冷卻系統(tǒng)開(kāi)鍋。為了使發(fā)動(dòng)機(jī)既能快速暖機(jī)又不會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)在高速高負(fù)荷情況下冷卻不足，需要尋找合理的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

3 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)環(huán)境為：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度為28 ℃。試驗(yàn)室開(kāi)抽氣機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)正前方放置一鼓風(fēng)機(jī)，來(lái)模擬整車狀態(tài)。風(fēng)扇和散熱器以及護(hù)風(fēng)圈之間的距離完全符合整車要求。

選用3個(gè)規(guī)格的硅油離合器風(fēng)扇 A、B、C，其參數(shù)如表1所示。

表1 3個(gè)規(guī)格的硅油離合器風(fēng)扇參數(shù)匯總

發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況是：轉(zhuǎn)速3 500 r/min(風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為4 375 r/min),功率105 kW。

4 試驗(yàn)方法

在同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上，發(fā)動(dòng)機(jī)在一定工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)選用不同參數(shù)的硅油離合器風(fēng)扇，監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)水溫TWI、出水溫度TWO、機(jī)油溫度TOIL、暖機(jī)時(shí)間t，綜合評(píng)價(jià)3個(gè)參數(shù)，從而得出發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)劣[3]。

根據(jù)一些發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)咨詢公司經(jīng)驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)一般最佳工作溫度是:出水溫度90～100 ℃,進(jìn)水溫度83～105 ℃ 。暖機(jī)完成的標(biāo)識(shí)為：機(jī)油溫度達(dá)到90 ℃以上，水溫達(dá)到85 ℃兩個(gè)條件。

5 試驗(yàn)匹配分析

對(duì)于硅油離合器風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配評(píng)價(jià)，主要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作溫度和暖機(jī)時(shí)間。只有兩者都達(dá)到要求，匹配工作才能最終完成。

5.1 發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度分析

通過(guò)3輪試驗(yàn)，得到3種規(guī)格硅油離合器風(fēng)扇下，發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度數(shù)據(jù)如圖2—4所示。

從圖2可以得出規(guī)格A硅油離合器風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配下的出水溫度、進(jìn)水溫度以及機(jī)油溫度的曲線，由此圖可以看出:發(fā)動(dòng)機(jī)出水最高是92 ℃左右，最低77 ℃左右，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫已基本穩(wěn)定,但是發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定水溫偏低。

從圖3可以得出規(guī)格B硅油離合器風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配下的出水溫度、進(jìn)水溫度以及機(jī)油溫度的曲線，由此圖可以看出:發(fā)動(dòng)機(jī)出水最高是97 ℃左右,最低84 ℃左右，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫已基本穩(wěn)定,發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定水溫在比較合理的水溫范圍內(nèi)。

從圖4可以得出規(guī)格C硅油離合器風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配下出水溫度、進(jìn)水溫度以及機(jī)油溫度的曲線，由此圖可以看出：發(fā)動(dòng)機(jī)出水最高是100 ℃左右、最低97 ℃左右，但是水溫一直處于上升態(tài)勢(shì)，發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱。

通過(guò)綜合分析圖2—4可以得出：規(guī)格B硅油離合器風(fēng)扇最優(yōu)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)水溫度、出水溫度和機(jī)油溫度都在理想數(shù)值范圍內(nèi)。另外兩種規(guī)格的硅油離合器風(fēng)扇會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度過(guò)低或過(guò)熱，都不利于發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

5.2 發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)間評(píng)價(jià)

發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)過(guò)程指的是發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火成功后，機(jī)內(nèi)冷卻水和機(jī)油從較低溫度上升至正常溫度的過(guò)程，該過(guò)程主要包括拖動(dòng)、啟動(dòng)、后起動(dòng)和暖機(jī)4個(gè)階段。該過(guò)程的長(zhǎng)短，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)各總成的磨損和整機(jī)的排放性能。

通過(guò)多輪試驗(yàn)，得出3種規(guī)格硅油離合器風(fēng)扇情況下的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際暖機(jī)時(shí)間，如表2所示。

表2 不同規(guī)格硅油離合器風(fēng)扇的發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)間

從表2可以得出：硅油離合器風(fēng)扇的嚙合轉(zhuǎn)速對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)間影響很小，發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)間主要取決于硅油離合器風(fēng)扇的嚙合溫度。

5.3 硅油離合器風(fēng)扇對(duì)功耗影響

通過(guò)硅油離合器風(fēng)扇的臺(tái)架試驗(yàn)，得出了硅油離合器風(fēng)扇功耗與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，如圖5所示。

由圖5可得出：風(fēng)扇的功耗比較高，尤其是高轉(zhuǎn)速下。如果選用硅油離合器風(fēng)扇可以很明顯地降低功耗，達(dá)到節(jié)油效果。

同時(shí)從圖5可得出：硅油離合器風(fēng)扇在相同的嚙合溫度下，轉(zhuǎn)速越高消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的功率越大，所以在不影響發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻能力情況下，盡量降低硅油離合器的嚙合轉(zhuǎn)速。

6 結(jié)論

通過(guò)硅油離合器風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配試驗(yàn)，得出硅油離合器風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配一般原則：

(1)硅油離合器風(fēng)扇選擇與發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)水溫度、出水溫度、機(jī)油溫度和暖機(jī)時(shí)間有關(guān)。

(2)選擇硅油離合器風(fēng)扇時(shí)，應(yīng)保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳溫度范圍內(nèi)，不能過(guò)低或過(guò)高。

(3)硅油離合器風(fēng)扇的嚙合溫度決定了發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)間長(zhǎng)短，嚙合轉(zhuǎn)速對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)影響較小。

(4)在保證發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)正常工作情況下，硅油離合器風(fēng)扇的嚙合轉(zhuǎn)速應(yīng)盡量低，以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的功耗。

上述原則對(duì)于指導(dǎo)硅油離合器風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配有重要意義，為以后發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)提供參考。

【1】 張文昌.硅油風(fēng)扇離合器[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造,2005(1)：56-57.

【2】 冉振亞,韓兆運(yùn),趙樹(shù)恩.中型車用新型硅油風(fēng)扇離合器的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造和設(shè)計(jì),2003(3)：12-13.

【3】 關(guān)立哲,王威.發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)研究綜述[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2012(8):31-33.

MatchingoftheDriversforVisctronicFanandEngine

ZHAO Qianjin, XING Dongshi,GUO Qiang, WANG Yujun,DUAN Zhao

(Technical Center, SAIC Group Co., Ltd., Shanghai 201206,China)

Engine with visctronic fan driver was researched, by testing the visctronic fan driver with different meshed temperature and meshed speed. The matching way between visctronic fan driver and engine was introduced. Through several tests, some important principles were gotten: as to a number of heat release, meshed temperature does not affect cooling ability of fan, but meshed temperature determines warm temperature of engine. At the same time, meshed speed determines the cooling ability of fan.

Visctronic fan driver; Engine; Matching

2014-05-13

趙前進(jìn)(1981—)，男，學(xué)士，工程師，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)熱管理。E-mail:dsxing1985@163.com。