電控硅油風(fēng)扇節(jié)油效果分析與驗(yàn)證

楊春麗，鄒興輝，張宗煥，楊賢君

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

隨著市場(chǎng)重型車(chē)的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，車(chē)輛油耗已經(jīng)成為重型車(chē)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的重要指標(biāo)，也是客戶(hù)購(gòu)買(mǎi)車(chē)輛主要考慮的因素。

而國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)油耗的要求也越來(lái)越高，GB 30510《重型商用車(chē)燃料消耗量限值》目前已發(fā)布征求意見(jiàn)稿，預(yù)計(jì)2020左右年實(shí)施第三階段的工信部油耗標(biāo)準(zhǔn)，燃油消耗量限值要在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上降低15%左右。

隨著市場(chǎng)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)油耗要求的逐步提高，降低油耗也成了每家車(chē)企孜孜不倦追求的目標(biāo)。為降低油耗，需要充分挖掘每一個(gè)能量消耗單元的節(jié)能潛力。對(duì)于重型商用車(chē)，改善發(fā)動(dòng)機(jī)附件的功率消耗，是現(xiàn)階段改善燃油經(jīng)濟(jì)性的有效措施之一，本文中采用的電控硅油風(fēng)扇有助于降低發(fā)動(dòng)機(jī)附配件能量損失，提升發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。

現(xiàn)重型車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)主要配備的是溫控硅油風(fēng)扇，而本文中采用的電控硅油風(fēng)扇比溫控硅油風(fēng)扇的綜合油耗降低 1%以上。

1 溫控/電控電控硅油風(fēng)扇對(duì)比

硅油類(lèi)風(fēng)扇是基于液體粘性傳動(dòng)原理來(lái)工作的，依靠粘性硅油作為傳動(dòng)介質(zhì)，通過(guò)控制參與工作的硅油量來(lái)控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；

溫控硅油風(fēng)扇：通過(guò)熱敏雙金屬感溫閥門(mén)來(lái)控制風(fēng)扇的工作狀態(tài)，風(fēng)扇只有怠速和全嚙合兩種狀態(tài)。

溫度小于 T1時(shí)，閥針壓住控制銷(xiāo)，硅油在前蓋內(nèi)，風(fēng)扇怠速運(yùn)行，具體見(jiàn)圖1左圖；

溫度大于 T1時(shí)，雙金屬片變形，閥針上移，控制銷(xiāo)打開(kāi)，風(fēng)扇全嚙合運(yùn)行，具體見(jiàn)圖1右圖。

備注：T1一般為節(jié)溫器開(kāi)啟溫度值減20°C，為風(fēng)扇廠(chǎng)家經(jīng)驗(yàn)值。

圖1 溫控硅油風(fēng)扇工作原理

電控硅油風(fēng)扇：ECU通過(guò)收集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、散熱器水溫、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和計(jì)算，輸出電脈沖指令到風(fēng)扇的電磁線(xiàn)圈，控制電控硅油風(fēng)扇離合器開(kāi)度，使其達(dá)到風(fēng)扇的目標(biāo)轉(zhuǎn)速；如實(shí)際風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與指令風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不符，ECU通過(guò)計(jì)算再發(fā)出調(diào)整指令，直至實(shí)際風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與指令風(fēng)扇轉(zhuǎn)速相符，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇怠速、部分嚙合、全嚙合的不同狀態(tài) 的精準(zhǔn)控制，保證水溫在發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳工作狀態(tài)。

圖2 電控硅油風(fēng)扇控制策略原理

當(dāng)水溫大于 T2時(shí)：閥門(mén)開(kāi)啟，硅油進(jìn)入工作腔，風(fēng)扇全速運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)水溫小于T1時(shí)：閥門(mén)關(guān)閉，硅油流回硅油池，風(fēng)扇怠速運(yùn)轉(zhuǎn)。

當(dāng) T1＜水溫＜T2時(shí)：根據(jù)不同的脈沖占空比，閥門(mén)有相適應(yīng)的開(kāi)啟程度，風(fēng)扇有相適應(yīng)轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。具體見(jiàn)圖3。

備注：T1為節(jié)溫器開(kāi)啟溫度，T2為節(jié)溫器全開(kāi)溫度。

圖3 電控硅油風(fēng)扇工作原理

2 電控硅油風(fēng)扇應(yīng)用方案

2.1 選型確認(rèn)

根據(jù)現(xiàn)有搭載某國(guó)五發(fā)動(dòng)機(jī)的車(chē)型要求，對(duì)風(fēng)扇的狀態(tài)進(jìn)行選型確認(rèn)。

選型要求：風(fēng)扇葉片需逆時(shí)針；扇葉直徑為558.8mm；2.硅油離合器安裝面為螺紋連接；硅油離合器前后端面距離小于130mm。

電控硅油風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)方向、風(fēng)扇直徑與車(chē)型原搭載的溫控硅油風(fēng)扇保持一致，與發(fā)動(dòng)機(jī)安裝接口尺寸相同，扇軸向尺寸為120mm，較現(xiàn)有風(fēng)扇長(zhǎng)30mm，安裝后風(fēng)扇與散熱器間隙在90mm。

車(chē)型搭載發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速2200r/min，風(fēng)扇為皮帶驅(qū)動(dòng)，速比為 1。蠟式節(jié)溫器開(kāi)啟溫度為 T1=79℃，全開(kāi)溫度為T(mén)2=94℃。

節(jié)油原理：當(dāng)水溫小于 T1時(shí)：風(fēng)扇怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，電控硅油風(fēng)扇轉(zhuǎn)速接近 500r/min，溫控硅油風(fēng)扇轉(zhuǎn)速在 1200r/min左右，電控硅油風(fēng)扇轉(zhuǎn)速低，功率消耗低。

當(dāng) T1＜水溫＜T2時(shí)：溫控硅油風(fēng)扇快速達(dá)到全嚙合狀態(tài)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速接近發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；電控硅油風(fēng)扇在初始一段溫度范圍處在怠速和部分嚙合狀態(tài)，轉(zhuǎn)速低，風(fēng)扇功率消耗低。

當(dāng)水溫大于 T2時(shí)：兩者風(fēng)扇皆為全速運(yùn)轉(zhuǎn)，功率消耗相當(dāng)。

2.2 驗(yàn)證節(jié)油效果

風(fēng)扇工作狀態(tài)占比采集：受使用環(huán)境的影響，車(chē)輛常年在行駛過(guò)程中的環(huán)境溫度、道路條件、行駛車(chē)速等經(jīng)常發(fā)生變化，在這些復(fù)雜的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫變化太大，需要花費(fèi)大量的時(shí)間、人力、成本去采集較為準(zhǔn)確的風(fēng)扇工作水溫?cái)?shù)據(jù)；故本文中計(jì)算的風(fēng)扇占比采集采用福田康明斯在2015年7月-9月及12月-次年2月采集的風(fēng)扇嚙合比例，樣本采集時(shí)間一共為6個(gè)月，該數(shù)據(jù)具體見(jiàn)圖4：

圖4 溫控/電控工作狀態(tài)占比

本項(xiàng)目以此數(shù)據(jù)作為溫控/電控硅油風(fēng)扇節(jié)油計(jì)算依據(jù)，綜合油耗以各部分比例加權(quán)得出。

2.2.1 軟件模擬

圖5 整車(chē)Cruise模型

對(duì)整車(chē)建立Cruise模型（見(jiàn)圖5），同時(shí)增加風(fēng)扇能耗附件，輸入不同風(fēng)扇狀態(tài)的轉(zhuǎn)速—功率特性曲線(xiàn)，通過(guò)模型計(jì)算，對(duì)比分析油耗數(shù)據(jù)。

表1 軟件分析油耗數(shù)據(jù)

表2 轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)油耗數(shù)據(jù)

2.3 熱平衡試驗(yàn)

原溫控硅油風(fēng)扇的車(chē)輛的熱平衡數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 功率點(diǎn)和扭矩點(diǎn)熱平衡數(shù)據(jù)

表4

在功率點(diǎn)及扭矩點(diǎn)的許用環(huán)境溫度均大于40°C；滿(mǎn)足使用要求；具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

2.4 噪聲試驗(yàn)

對(duì)溫控/電控硅油風(fēng)扇的車(chē)輛進(jìn)行定置噪聲及勻速噪聲試驗(yàn)，從表4和表5的數(shù)據(jù)可知，電控硅油風(fēng)扇車(chē)輛試驗(yàn)結(jié)果除90km/h處的勻速噪聲稍大外（滿(mǎn)足整車(chē)指標(biāo)），其余指標(biāo)與溫控硅油風(fēng)扇的車(chē)輛相當(dāng)。

表5 勻速行駛車(chē)內(nèi)噪聲試驗(yàn)結(jié)果

表6 定置噪聲試驗(yàn)結(jié)果

2.5 成本變動(dòng)

電控硅油風(fēng)扇新增電控螺線(xiàn)管、環(huán)形斷路器，價(jià)格增加250元；電控硅油離合器鑄壓件成本高于溫控離合器鑄壓件150元；故電控硅油風(fēng)扇整體價(jià)格高于溫控硅油風(fēng)扇400元；

3 總結(jié)

通過(guò)以上理論分析及試驗(yàn)的對(duì)比，關(guān)于電控硅油風(fēng)扇的應(yīng)用效果，有以下幾點(diǎn)結(jié)論：

3.1 電控硅油風(fēng)扇比溫控硅油風(fēng)扇節(jié)油效果明顯，在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速和綜合狀態(tài)下的各個(gè)等速段油耗均能降低1.22%以上。

3.2 電控硅油風(fēng)扇的風(fēng)量低于溫控硅油風(fēng)扇，導(dǎo)致熱平衡功率點(diǎn)和扭矩點(diǎn)的冷卻常數(shù)均提高了 5℃左右，但都滿(mǎn)足整車(chē)性能要求（≤62℃）。

3.3 電控硅油風(fēng)扇與溫控硅油風(fēng)扇的噪聲相當(dāng)。試驗(yàn)表明只有90km/h時(shí)的勻速噪聲稍大外（滿(mǎn)足整車(chē)指標(biāo)）。

3.4 電控硅油風(fēng)扇成本高于溫控硅油風(fēng)扇400元。

電控硅油風(fēng)扇的節(jié)油效果明顯優(yōu)于溫控硅油風(fēng)扇，雖然風(fēng)量、噪聲、成本都有其局限性，但都在可接受范圍內(nèi)。故電控硅油風(fēng)扇值得推廣，并在未來(lái)作為一項(xiàng)節(jié)油技術(shù)進(jìn)行深入研究和開(kāi)發(fā)。

[1] GB/T 12545.2-200l,商用車(chē)輛燃料消耗量試驗(yàn)方法.