基于實車測試的普通硅油風扇延時性研究

(上海柴油機股份有限公司，上海 200438)

0 引言

硅油離合器風扇(簡稱硅油風扇)可以根據(jù)外界環(huán)境溫度和汽車工況改變其轉(zhuǎn)速，使發(fā)動機工作溫度適宜。與普通直驅(qū)風扇相比，硅油離合器風扇能夠有效降低發(fā)動機能量消耗，達到降低整車油耗和噪聲的效果。從應用歷程來看，汽車尤其商用車發(fā)動機的冷卻風扇發(fā)展已從最初的直驅(qū)式，到節(jié)能降噪效果更好的雙金屬片式(普通硅油風扇)，再到如今性能更優(yōu)的電控式(電控硅油風扇)。電控硅油風扇雖具有更好的性能，但成本較高，在目前商用車市場使用率還較低。而普通硅油風扇成本較低，也可適應惡劣的工作環(huán)境，并根據(jù)發(fā)動機熱負荷情況有自動調(diào)節(jié)風扇轉(zhuǎn)速功能，達到節(jié)能降噪的效果；但其存在反應滯后的特點[1]。因此，為發(fā)揮普通硅油風扇最大的冷卻效果，需要準確了解其滯后特性。本文通過分析普通硅油風扇的結(jié)構(gòu)和工作原理，以實車測試數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析普通硅油風扇的滯后性，為車輛普通硅油風扇設計應用選型提供參考依據(jù)[2]。

1 普通硅油風扇的結(jié)構(gòu)及工作原理

普通硅油風扇是以硅油為介質(zhì)，通過風扇離合器來控制其轉(zhuǎn)速。在離合器內(nèi)部有黏性流體(硅油)，靠其剪切黏力傳遞轉(zhuǎn)矩。在風扇前端裝有雙金屬片，用來感應通過散熱器的空氣溫度，以此控制進入離合器工作腔內(nèi)的硅油量，來實現(xiàn)控制風扇轉(zhuǎn)速。硅油風扇結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當發(fā)動機低負荷運行時，硅油風扇的離合器主動軸高速運轉(zhuǎn)，但此時離合器工作腔內(nèi)沒有硅油，風扇主要受密封氈圈的摩擦力矩驅(qū)動，以很低的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，但是與發(fā)動機轉(zhuǎn)速有較大的滑差。當發(fā)動機熱負荷增加時，流經(jīng)發(fā)動機的冷卻液溫度迅速上升，發(fā)動機大循環(huán)開啟，流經(jīng)中冷器的冷卻液增多，通過散熱器的熱空氣溫度便迅速升高，雙金屬片受到高溫的熱空氣影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，然后帶動離合器內(nèi)閥片軸轉(zhuǎn)動，再帶動閥片偏轉(zhuǎn)，此時進油孔打開，硅油從儲油腔流入工作腔，風扇開始嚙合。當流經(jīng)雙金屬片的氣流溫度超過感應溫度時，進油孔完全打開，此時工作腔內(nèi)充滿了硅油，主動板即利用硅油的黏性剪切作用，帶動風扇(殼體)高速旋轉(zhuǎn)，此時硅油離合器處于完全嚙合狀態(tài)。在此狀態(tài)下，硅油會不斷從工作腔流到儲油腔，再從儲油腔流回工作腔，往復循環(huán)，以防止工作腔中的硅油溫度過高而導致離合器產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。

當發(fā)動機負荷下降時，冷卻液溫度降低，大循環(huán)關(guān)閉。當流經(jīng)散熱器后的氣流溫度下降到一定程度時，雙金屬片會恢復到原來的位置，閥片進油孔隨即關(guān)閉。此時，工作腔內(nèi)的硅油不斷從回油孔流回儲油腔，工作腔不再獲得儲油腔中的硅油補給，離合器恢復到分離狀態(tài)[3-4]，風扇轉(zhuǎn)速降低。

2 普通硅油風扇延時性的定義

從上述普通硅油風扇工作原理可以看出，普通硅油風扇從分離狀態(tài)到嚙合狀態(tài)，需要經(jīng)過發(fā)動機調(diào)溫器開啟、散熱器溫升、感溫片轉(zhuǎn)動、硅油由儲油腔進入工作油腔這一系列響應過程，而這一過程被稱為普通硅油風扇的延時性。在這過程中，發(fā)動機熱負荷持續(xù)上升，而普通硅油風扇尚未進入嚙合狀態(tài)。如果延時時間過長，會導致冷卻液溫度持續(xù)升高，甚至出現(xiàn)超高報警現(xiàn)象。因此，研究延時性對普通硅油風扇的選型及應用有重要指導意義。

3 基于實車測試數(shù)據(jù)的普通硅油風扇延時性分析

某國六車型采用普通硅油風扇。在開發(fā)過程中，當搭載該發(fā)動機的車輛大負荷爬坡時，發(fā)動機冷卻液溫度有一個快速上沖過程，從85 ℃左右開始上升，持續(xù)上升到100 ℃以上，到達冷卻液報警點，之后快速下降穩(wěn)定在90～95 ℃，如圖2所示。

如果將普通硅油風扇鎖死，類似風扇直驅(qū)狀態(tài)，車輛在相同爬坡過程中發(fā)動機冷卻液溫度穩(wěn)步上升，最后穩(wěn)定在90 ℃左右，沒有出現(xiàn)上升到100 ℃以上的現(xiàn)象，如圖3所示。

這2種測試結(jié)果初步說明，該車型冷卻系統(tǒng)的配置滿足發(fā)動機冷卻性能要求，但風扇的嚙合時間大于冷卻液溫升時間，如圖4所示。由于風扇嚙合溫度為通過散熱器的迎風溫度，根據(jù)延時性定義，普通硅油風扇嚙合時間應該包括調(diào)溫器開啟時間、散熱器溫升時間和風扇內(nèi)部嚙合時間三者之和，本文通過試驗測試來獲得硅油風扇嚙合延時時間。

3.1 試驗過程

試驗開始前，更換新的硅油風扇和調(diào)溫器，以保證零件的準確性。然后，在試驗車輛上安裝采集風扇前端溫度、散熱器后端溫度、散熱器進水溫度、風扇轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)的傳感器，來獲取所需測量數(shù)據(jù)。測點安裝位置及傳感器安裝要求如圖5和表1所示。

表1 測試傳感器安裝要求

為模擬車型開發(fā)過程中冷卻液報警工況(滿載大負荷爬坡)，采用拖車方法在水平道路進行試驗。車輛起步穩(wěn)定后，即進入測試狀態(tài)：油門全開，發(fā)動機轉(zhuǎn)速維持在1 500 r/min附近，車輛車速維持在15 km/h附近，監(jiān)測冷卻液升溫情況。當溫度達到平衡狀態(tài)一段時間后，取消拖車制動，監(jiān)測冷卻液降溫情況。以此作為一個循環(huán)過程，進行2次試驗，并分別采集試驗數(shù)據(jù)，形成2組測試數(shù)據(jù)。試驗過程中，調(diào)溫器開啟溫度為82 ～95 ℃。

表2 試驗測試結(jié)果

3.2 試驗數(shù)據(jù)分析

測試數(shù)據(jù)為冷卻液溫度上升至最高點附近、風扇剛開始嚙合時的各測點的實時數(shù)據(jù)。對試驗數(shù)據(jù)進行整理分析，結(jié)果如表2所示。從試驗數(shù)據(jù)看出，當風扇前端溫度達到83 ℃時，風扇還沒有嚙合，與風扇的設計嚙合溫度(53～58 ℃，分離轉(zhuǎn)速200 r/min)有較大延遲，此時發(fā)動機冷卻液溫度已達到98 ℃；而第2組測量數(shù)據(jù)，發(fā)動機風扇前端在89.4 ℃時，風扇還未嚙合，冷卻液溫度已經(jīng)超高報警。

第2次試驗過程中，還測試發(fā)動機轉(zhuǎn)速、風扇轉(zhuǎn)速和冷卻液溫度隨時間的變化關(guān)系，測試結(jié)果如圖6所示。圖中時間序列是指設備采樣的時間點，采樣頻率是1 s。由圖6可以看出，從風扇前端溫度達到調(diào)溫器開啟溫度再到風扇完全嚙合需要一定時間，待風扇完全嚙合后，發(fā)動機冷卻液溫度快速下降。從表3統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，從風扇前端感應到的溫度53 ℃開始，到風扇完全嚙合需要約95 s，而此時間段發(fā)動機冷卻液溫度持續(xù)上升，導致超高報警。

表3 硅油風扇延時時間統(tǒng)計

從試驗采集的數(shù)據(jù)可看出，當發(fā)動機冷卻液溫度超過82 ℃，即達到調(diào)溫器開啟溫度時，散熱器進水溫度與散熱器溫升響應相對靈敏，風扇嚙合時間在延時性中占據(jù)主要因素。因此，本文主要研究通過降低風扇嚙合時間來改善風扇的延時特性。影響風扇嚙合時間的因素主要包括前端金屬感溫圈的感應溫度(即硅油風扇嚙合溫度)和風扇的分離轉(zhuǎn)速。其中，感應溫度決定感溫圈的開啟時刻，風扇的分離轉(zhuǎn)速是影響硅油由主油腔進入副油腔的速度。本文從這2個因素出發(fā)制訂改善方案。

3.3 方案改進驗證

參考相關(guān)經(jīng)驗資料，將改進方案分為2種：方案1硅油風扇的嚙合溫度保持不變，分離轉(zhuǎn)速由200 r/min調(diào)整為600 r/min；方案2更改硅油風扇的嚙合溫度，由53 ～58 ℃調(diào)整為 50 ～55 ℃，分離轉(zhuǎn)速由200 r/min調(diào)整為600 r/min。按照3.1節(jié)試驗方法，各測試2次，采集2組測試數(shù)據(jù)，結(jié)果如表4所示。

表4 改進方案延時參數(shù)對比

從表4中可以看出，2種方案均未出現(xiàn)冷卻液溫度超過報警現(xiàn)象。通過提高分離轉(zhuǎn)速，對硅油風扇的延遲有較大改善，方案1降低硅油風扇延遲約40 s。提高風扇分離狀態(tài)轉(zhuǎn)速，可增大硅油轉(zhuǎn)動的離心力，當風扇開始嚙合時能夠迅速從儲油腔進入工作腔。通過耗功測試，分離轉(zhuǎn)速在900 r/min，耗功約0.8 kW，相對較少。方案2由于嚙合溫度過低，導致發(fā)動機起動后風扇很快開始嚙合，中間一直未脫離或處于半嚙合狀態(tài)，發(fā)動機的冷卻液平衡溫度維持在90 ℃以下，也未達到發(fā)動機的最佳工作狀態(tài)，對于發(fā)動機壽命和油耗均有一定影響。因此，本車型選用改進方案1作為應用方案。

4 結(jié)論

通過實車測試數(shù)據(jù)可以看出，分離轉(zhuǎn)速對普通硅油風扇的延遲性有較大影響，合理的分離轉(zhuǎn)速能夠有效降低嚙合時間；嚙合溫度太低容易造成風扇處于半嚙合狀態(tài)，降低了普通硅油風扇降耗降噪的功能。因此，在普通硅油風扇選型應用時，需將分離轉(zhuǎn)速作為關(guān)鍵設計參數(shù)。此外，在試驗過程中發(fā)現(xiàn)同一款風扇，分離轉(zhuǎn)速、嚙合溫度等參數(shù)有差異，說明普通硅油風扇的一致性有待進一步研究。此外，由于客觀因素限制，本文沒有細分不同分離轉(zhuǎn)速對普通硅油風扇延時的影響。與普通硅油風扇延時性相關(guān)的3部分(調(diào)溫器開啟時間、散熱器溫升時間和風扇內(nèi)部嚙合時間)中，對調(diào)溫器開啟時間和散熱器溫升時間未做進一步測試，有待后續(xù)研究。