基于PWM風扇的某車型冷卻系統(tǒng)能耗研究

吳昌慶，劉聰聰

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于PWM風扇的某車型冷卻系統(tǒng)能耗研究

吳昌慶，劉聰聰

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

針對某皮卡冷卻系統(tǒng)節(jié)能降耗需求，將原發(fā)動機自帶硅油離合器風扇更改為PWM冷卻風扇。對硅油風扇和PWM風扇進行臺架試驗，同時對兩種風扇在NEDC工況下的油耗進行理論分析；對整車NEDC工況進行試驗測試，分析不同風扇對發(fā)動機水溫及油耗的影響。結(jié)果表明，采用PWM風扇后，整車NEDC工況油耗降低明顯，同時，冷卻系統(tǒng)熱平衡滿足要求，NVH性能提升。

PWM風扇；硅油風扇；油耗；水溫

CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-124-03

引言

安全、節(jié)能、環(huán)保是汽車發(fā)展的方向，隨著排放和油耗標準的提升，發(fā)動機附配件的性能優(yōu)化將決定發(fā)動機是否在最佳的工況下進行工作，從而影響整車的經(jīng)濟性和動力性。風扇作為發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中功耗較大部件，對其進行優(yōu)化將有效降低整車能耗。目前，小型乘用車大都使用電子風扇，更多高級別車型選擇PWM電子風扇[1]。但是，商用車基本匹配帶硅油風扇柴油發(fā)動機，發(fā)動機水溫受風扇及發(fā)動機工況影響，對整車油耗影響的評估沒有詳細開展研究[2]，目前在開發(fā)過程中，對于冷卻系統(tǒng)，重點考慮空間布置、NVH、熱平衡等性能，對于商用車采用PWM電子風扇的節(jié)能降耗工作一直沒有深入研究[3]。

1 硅油風扇的能耗測試

某平臺皮卡項目，搭載2.0柴油發(fā)動機，額定功率100KW，扭矩320N.M，發(fā)動機匹配硅油離合風扇；根據(jù)冷卻系統(tǒng)節(jié)油方案分析，硅油風扇能耗和發(fā)動機工作水溫是影響整車經(jīng)濟性的重要因素；針對這兩個因素，開展冷卻系統(tǒng)驗證工作。

針對發(fā)動機匹配的硅油風扇進行分析驗證[4]，硅油風扇采用硅油離合器進行控制，根據(jù)溫度傳感器控制離合器鎖止；在低于控制溫度時，離合器分離，風扇因滑差隨發(fā)動機轉(zhuǎn)動，在高于控制溫度時，離合器鎖止，風扇隨發(fā)動機強制轉(zhuǎn)動。在臺架進行硅油風扇的能耗驗證，采集兩種狀態(tài)下能耗數(shù)據(jù)。

圖1 硅油風扇臺架功耗測試結(jié)果

根據(jù)發(fā)動機臺架采集發(fā)動機硅油風扇能耗數(shù)據(jù)，在硅油風扇離合器鎖止和非鎖止兩種狀態(tài)下，硅油風扇最大能耗差達到0.6kW，鎖止狀態(tài)下硅油風扇最大能耗達到1.2kW。占發(fā)動機總功率的1.2%。

圖2 CRUISE測試工況

圖3 硅油風扇瞬態(tài)油耗圖

在發(fā)動機臺架采集發(fā)動機萬有特性數(shù)據(jù)，通過CRUISE進行計算，對比硅油風扇離合器不鎖止以及鎖止狀態(tài)下NEDC循環(huán)油耗數(shù)據(jù)，計算結(jié)果如下：

表1 硅油風扇NEDC工況油耗計算結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果，發(fā)動機硅油風扇離合器不鎖止狀態(tài)，風扇能耗0.17L/100km，相對于原狀態(tài)節(jié)油2.03%；發(fā)動機硅油風扇離合器鎖止狀態(tài)，風扇能耗0.31L/100km，相對于原狀態(tài)節(jié)油3.71%。由于機械風扇起始硅油離合器為非鎖止，最終為鎖止狀態(tài)，根據(jù)風扇消耗功率，取消機械風扇后油耗會有有較明顯的下降，理論計算風扇本身帶來節(jié)油效果應該在0.17L/100km ～0.31 L/100km之間。

2 PWM風扇的能耗測試

PWM風扇，根據(jù)水溫、車速、空調(diào)等信號采集，由ECU設定控制器工作判斷邏輯[5]。根據(jù)PWM控制邏輯，水溫低于94℃，風扇不運轉(zhuǎn)，94℃-98℃之間，風扇開度由0逐漸增大到40%。根據(jù)NEDC循環(huán)測試結(jié)果，風扇開啟水溫94℃，最高水溫98℃，開啟時間120s。

表2 PWM風扇控制邏輯

圖4 NEDC工況下水溫曲線

圖5 PWM風扇臺架功耗及性能

根據(jù)NEDC冷機循環(huán)條件下水溫識別出PWM風扇工作時間及相應的開度，依據(jù)風扇不同開度下風扇功率，計算在NEDC工況下PWM風扇的功耗，折合消耗0.00125L/100km。

表3 PWM風扇運行功耗

根據(jù)以上分析計算，在NEDC工況下發(fā)動機硅油風扇能耗為0.17L/100km～0.31 L/100km，PWM風扇能耗0.00125L/100km；匹配PWM風扇后，在NEDC循環(huán)工況下，整車節(jié)油0.17L/100km～0.31 L/100km之間。

3 發(fā)動機水溫對能耗影響臺架測試結(jié)果

通過發(fā)動機臺架在四種水溫工況(80℃、85℃、90℃、95℃)下試驗，采集發(fā)動機萬有特性參數(shù)，通過CURUISE進行計算分析，對比水溫對發(fā)動機油耗的影響，根據(jù)計算結(jié)果，95℃水溫工況相對于80℃工況，整車油耗降低1.18%；

圖6 80℃、85℃、90℃、95℃發(fā)動機外特性圖

表4 水溫對油耗影響結(jié)果

圖7 兩種風扇NEDC工況水溫對比圖

表5 不同風扇水溫上升速度對比表

根據(jù)測試結(jié)果，在NEDC循環(huán)工況下，采用PWM風扇狀態(tài)，發(fā)動機程升溫更快，發(fā)動機工作水溫更高；從50℃-90℃，PWM風扇狀態(tài)比硅油風扇狀態(tài)平均升溫快38S，在相同的時間點，PWM風扇狀態(tài)，發(fā)動機水溫比硅油風扇水溫高4.2℃。按照NEDC工況水溫相差5℃計算，水溫對整車NEDC循環(huán)工況的油耗貢獻0.04L/100km，節(jié)油約0.47%。

4 整車熱平衡測試

表6 熱平衡測試工況要求

冷卻系統(tǒng)匹配PWM風扇，相對于硅油風扇風量有一定的衰減，必須開展熱平衡驗證工作。按照《XY-0003-2016-輕型商用車轉(zhuǎn)轂試驗方法__熱平衡試驗》試驗標準，完成熱平衡驗證。 根據(jù)試驗結(jié)果，通過熱平衡驗證。

表7 熱平衡測試結(jié)果

5 車外加速噪聲測試

冷卻系統(tǒng)匹配PWM風扇優(yōu)化方案，實現(xiàn)整車經(jīng)濟性的提升；同時必須進行整車車外加速噪聲測試，按照試驗標準《GB 1495-2002》完成車外加速噪聲測試，車外加速通過噪聲72.4dB；滿足《GB 1495-2002》法規(guī)78dB標準要求。

表8 車外加速噪聲測試結(jié)果

6 結(jié)論

本文對某皮卡搭載的2.0柴油機的原車硅油風扇和匹配的PWM冷卻風扇進行試驗研究，同時在NEDC工況下對兩種風扇自身功耗對經(jīng)濟性的影響進行分析，對不同風扇引起水溫的變化對經(jīng)濟性影響進行研究，并且通過熱平衡試驗和車外加速噪聲對比試驗驗證。PWM冷卻風扇能夠滿足現(xiàn)階段整車的冷卻性能要求，同時在NEDC工況下，較硅油風扇節(jié)能2.5%-4.1%。后期將針對PWM風扇在各工況下運行效果進行測試，并最終應用到量產(chǎn)車型中。

[1] 蔡興旺,付曉光.汽車構(gòu)造與原理[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[2] 韓曉峰,張士路等.車用 PWM 冷卻風扇控制策略實驗研究[J].內(nèi)燃機與動力裝置,2014 (6):8-9,44.

[3] 王勝,周從源.江淮中型卡車冷卻系統(tǒng)的設計[J]合肥工業(yè)大學學報,2007,12（30）:35-36.

[4] 張杰．簡述發(fā)動機冷卻系的設計及散熱量的計算，裝備制造技術,2004( 2 ) :21 - 24 .

[5] 汪金德,高偉.汽車發(fā)動機冷卻風扇控制 器綜合參數(shù)測試[J]儀表技術,2016（3）:25-28.

Energy consumption of a certain type of cooling system based on PWM fan

Wu Changqing, Liu Congcong
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

In order to reduce energy and consumption demand of the cooling system of a pickup truck, the original engine was changed into a PWM cooling fan by the original engine with a silicon oil clutch fan.The use of the silicon oil fan and the PWM fan was carried out, and the fuel consumption of the two fans was analyzed in the NEDC mode.The test of the NEDC condition of the vehicle was carried out to analyze the influence of different fans on the temperature and fuel consumption of the engine.The results showed that the fuel consumption of NEDC was reduced obviously after the PWM fan was adopted,while the thermal balance of cooling system met the requirements, and the performance of NVH was improved.

PWM fan; silicon oil fan; Fuel consumption; water temperature

U464 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)19-124-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.042

吳昌慶（1985-）男，工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。