電控硅油風扇節油效果分析與驗證

楊春麗，鄒興輝，張宗煥，楊賢君

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

隨著市場重型車的競爭越來越激烈，車輛油耗已經成為重型車市場競爭的重要指標，也是客戶購買車輛主要考慮的因素。

而國家標準對油耗的要求也越來越高，GB 30510《重型商用車燃料消耗量限值》目前已發布征求意見稿，預計2020左右年實施第三階段的工信部油耗標準，燃油消耗量限值要在現有標準的基礎上降低15%左右。

隨著市場和國家標準對油耗要求的逐步提高，降低油耗也成了每家車企孜孜不倦追求的目標。為降低油耗，需要充分挖掘每一個能量消耗單元的節能潛力。對于重型商用車，改善發動機附件的功率消耗，是現階段改善燃油經濟性的有效措施之一，本文中采用的電控硅油風扇有助于降低發動機附配件能量損失，提升發動機燃油經濟性。

現重型車冷卻系統主要配備的是溫控硅油風扇，而本文中采用的電控硅油風扇比溫控硅油風扇的綜合油耗降低 1%以上。

1 溫控/電控電控硅油風扇對比

硅油類風扇是基于液體粘性傳動原理來工作的，依靠粘性硅油作為傳動介質，通過控制參與工作的硅油量來控制風扇轉速；

溫控硅油風扇：通過熱敏雙金屬感溫閥門來控制風扇的工作狀態，風扇只有怠速和全嚙合兩種狀態。

溫度小于 T1時，閥針壓住控制銷，硅油在前蓋內，風扇怠速運行，具體見圖1左圖；

溫度大于 T1時，雙金屬片變形，閥針上移，控制銷打開，風扇全嚙合運行，具體見圖1右圖。

備注：T1一般為節溫器開啟溫度值減20°C，為風扇廠家經驗值。

圖1 溫控硅油風扇工作原理

電控硅油風扇：ECU通過收集發動機轉速、散熱器水溫、風扇轉速信號，進行數據整理和計算，輸出電脈沖指令到風扇的電磁線圈，控制電控硅油風扇離合器開度，使其達到風扇的目標轉速；如實際風扇轉速與指令風扇轉速不符，ECU通過計算再發出調整指令，直至實際風扇轉速與指令風扇轉速相符，從而實現風扇怠速、部分嚙合、全嚙合的不同狀態 的精準控制，保證水溫在發動機的最佳工作狀態。

圖2 電控硅油風扇控制策略原理

當水溫大于 T2時：閥門開啟，硅油進入工作腔，風扇全速運轉。當水溫小于T1時：閥門關閉，硅油流回硅油池，風扇怠速運轉。

當 T1＜水溫＜T2時：根據不同的脈沖占空比，閥門有相適應的開啟程度，風扇有相適應轉速運轉。具體見圖3。

備注：T1為節溫器開啟溫度，T2為節溫器全開溫度。

圖3 電控硅油風扇工作原理

2 電控硅油風扇應用方案

2.1 選型確認

根據現有搭載某國五發動機的車型要求，對風扇的狀態進行選型確認。

選型要求：風扇葉片需逆時針；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。

電控硅油風扇旋轉方向、風扇直徑與車型原搭載的溫控硅油風扇保持一致，與發動機安裝接口尺寸相同，扇軸向尺寸為120mm，較現有風扇長30mm，安裝后風扇與散熱器間隙在90mm。

車型搭載發動機額定轉速2200r/min，風扇為皮帶驅動，速比為 1。蠟式節溫器開啟溫度為 T1=79℃，全開溫度為T2=94℃。

節油原理：當水溫小于 T1時：風扇怠速運轉，電控硅油風扇轉速接近 500r/min，溫控硅油風扇轉速在 1200r/min左右，電控硅油風扇轉速低，功率消耗低。

當 T1＜水溫＜T2時：溫控硅油風扇快速達到全嚙合狀態，風扇轉速接近發動機轉速；電控硅油風扇在初始一段溫度范圍處在怠速和部分嚙合狀態，轉速低，風扇功率消耗低。

當水溫大于 T2時：兩者風扇皆為全速運轉，功率消耗相當。

2.2 驗證節油效果

風扇工作狀態占比采集：受使用環境的影響，車輛常年在行駛過程中的環境溫度、道路條件、行駛車速等經常發生變化，在這些復雜的條件下，發動機水溫變化太大，需要花費大量的時間、人力、成本去采集較為準確的風扇工作水溫數據；故本文中計算的風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月采集的風扇嚙合比例，樣本采集時間一共為6個月，該數據具體見圖4：

圖4 溫控/電控工作狀態占比

本項目以此數據作為溫控/電控硅油風扇節油計算依據，綜合油耗以各部分比例加權得出。

2.2.1 軟件模擬

圖5 整車Cruise模型

對整車建立Cruise模型（見圖5），同時增加風扇能耗附件，輸入不同風扇狀態的轉速—功率特性曲線，通過模型計算，對比分析油耗數據。

表1 軟件分析油耗數據

表2 轉轂試驗油耗數據

2.3 熱平衡試驗

原溫控硅油風扇的車輛的熱平衡數據見表3。

表3 功率點和扭矩點熱平衡數據

表4

在功率點及扭矩點的許用環境溫度均大于40°C；滿足使用要求；具體數據見表3。

2.4 噪聲試驗

對溫控/電控硅油風扇的車輛進行定置噪聲及勻速噪聲試驗，從表4和表5的數據可知，電控硅油風扇車輛試驗結果除90km/h處的勻速噪聲稍大外（滿足整車指標），其余指標與溫控硅油風扇的車輛相當。

表5 勻速行駛車內噪聲試驗結果

表6 定置噪聲試驗結果

2.5 成本變動

電控硅油風扇新增電控螺線管、環形斷路器，價格增加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；故電控硅油風扇整體價格高于溫控硅油風扇400元；

3 總結

通過以上理論分析及試驗的對比，關于電控硅油風扇的應用效果，有以下幾點結論：

3.1 電控硅油風扇比溫控硅油風扇節油效果明顯，在發動機怠速和綜合狀態下的各個等速段油耗均能降低1.22%以上。

3.2 電控硅油風扇的風量低于溫控硅油風扇，導致熱平衡功率點和扭矩點的冷卻常數均提高了 5℃左右，但都滿足整車性能要求（≤62℃）。

3.3 電控硅油風扇與溫控硅油風扇的噪聲相當。試驗表明只有90km/h時的勻速噪聲稍大外（滿足整車指標）。

3.4 電控硅油風扇成本高于溫控硅油風扇400元。

電控硅油風扇的節油效果明顯優于溫控硅油風扇，雖然風量、噪聲、成本都有其局限性，但都在可接受范圍內。故電控硅油風扇值得推廣，并在未來作為一項節油技術進行深入研究和開發。

[1] GB/T 12545.2-200l,商用車輛燃料消耗量試驗方法.