基于实车测试的普通硅油风扇延时性研究

(上海柴油机股份有限公司，上海 200438)

0 引言

硅油离合器风扇(简称硅油风扇)可以根据外界环境温度和汽车工况改变其转速，使发动机工作温度适宜。与普通直驱风扇相比，硅油离合器风扇能够有效降低发动机能量消耗，达到降低整车油耗和噪声的效果。从应用历程来看，汽车尤其商用车发动机的冷却风扇发展已从最初的直驱式，到节能降噪效果更好的双金属片式(普通硅油风扇)，再到如今性能更优的电控式(电控硅油风扇)。电控硅油风扇虽具有更好的性能，但成本较高，在目前商用车市场使用率还较低。而普通硅油风扇成本较低，也可适应恶劣的工作环境，并根据发动机热负荷情况有自动调节风扇转速功能，达到节能降噪的效果；但其存在反应滞后的特点[1]。因此，为发挥普通硅油风扇最大的冷却效果，需要准确了解其滞后特性。本文通过分析普通硅油风扇的结构和工作原理，以实车测试数据为依据，分析普通硅油风扇的滞后性，为车辆普通硅油风扇设计应用选型提供参考依据[2]。

1 普通硅油风扇的结构及工作原理

普通硅油风扇是以硅油为介质，通过风扇离合器来控制其转速。在离合器内部有黏性流体(硅油)，靠其剪切黏力传递转矩。在风扇前端装有双金属片，用来感应通过散热器的空气温度，以此控制进入离合器工作腔内的硅油量，来实现控制风扇转速。硅油风扇结构如图1所示。

当发动机低负荷运行时，硅油风扇的离合器主动轴高速运转，但此时离合器工作腔内没有硅油，风扇主要受密封毡圈的摩擦力矩驱动，以很低的转速运转，但是与发动机转速有较大的滑差。当发动机热负荷增加时，流经发动机的冷却液温度迅速上升，发动机大循环开启，流经中冷器的冷却液增多，通过散热器的热空气温度便迅速升高，双金属片受到高温的热空气影响而发生偏转，然后带动离合器内阀片轴转动，再带动阀片偏转，此时进油孔打开，硅油从储油腔流入工作腔，风扇开始啮合。当流经双金属片的气流温度超过感应温度时，进油孔完全打开，此时工作腔内充满了硅油，主动板即利用硅油的黏性剪切作用，带动风扇(壳体)高速旋转，此时硅油离合器处于完全啮合状态。在此状态下，硅油会不断从工作腔流到储油腔，再从储油腔流回工作腔，往复循环，以防止工作腔中的硅油温度过高而导致离合器产生过热现象。

当发动机负荷下降时，冷却液温度降低，大循环关闭。当流经散热器后的气流温度下降到一定程度时，双金属片会恢复到原来的位置，阀片进油孔随即关闭。此时，工作腔内的硅油不断从回油孔流回储油腔，工作腔不再获得储油腔中的硅油补给，离合器恢复到分离状态[3-4]，风扇转速降低。

2 普通硅油风扇延时性的定义

从上述普通硅油风扇工作原理可以看出，普通硅油风扇从分离状态到啮合状态，需要经过发动机调温器开启、散热器温升、感温片转动、硅油由储油腔进入工作油腔这一系列响应过程，而这一过程被称为普通硅油风扇的延时性。在这过程中，发动机热负荷持续上升，而普通硅油风扇尚未进入啮合状态。如果延时时间过长，会导致冷却液温度持续升高，甚至出现超高报警现象。因此，研究延时性对普通硅油风扇的选型及应用有重要指导意义。

3 基于实车测试数据的普通硅油风扇延时性分析

某国六车型采用普通硅油风扇。在开发过程中，当搭载该发动机的车辆大负荷爬坡时，发动机冷却液温度有一个快速上冲过程，从85 ℃左右开始上升，持续上升到100 ℃以上，到达冷却液报警点，之后快速下降稳定在90～95 ℃，如图2所示。

如果将普通硅油风扇锁死，类似风扇直驱状态，车辆在相同爬坡过程中发动机冷却液温度稳步上升，最后稳定在90 ℃左右，没有出现上升到100 ℃以上的现象，如图3所示。

这2种测试结果初步说明，该车型冷却系统的配置满足发动机冷却性能要求，但风扇的啮合时间大于冷却液温升时间，如图4所示。由于风扇啮合温度为通过散热器的迎风温度，根据延时性定义，普通硅油风扇啮合时间应该包括调温器开启时间、散热器温升时间和风扇内部啮合时间三者之和，本文通过试验测试来获得硅油风扇啮合延时时间。

3.1 试验过程

试验开始前，更换新的硅油风扇和调温器，以保证零件的准确性。然后，在试验车辆上安装采集风扇前端温度、散热器后端温度、散热器进水温度、风扇转速等数据的传感器，来获取所需测量数据。测点安装位置及传感器安装要求如图5和表1所示。

表1 测试传感器安装要求

为模拟车型开发过程中冷却液报警工况(满载大负荷爬坡)，采用拖车方法在水平道路进行试验。车辆起步稳定后，即进入测试状态：油门全开，发动机转速维持在1 500 r/min附近，车辆车速维持在15 km/h附近，监测冷却液升温情况。当温度达到平衡状态一段时间后，取消拖车制动，监测冷却液降温情况。以此作为一个循环过程，进行2次试验，并分别采集试验数据，形成2组测试数据。试验过程中，调温器开启温度为82 ～95 ℃。

表2 试验测试结果

3.2 试验数据分析

测试数据为冷却液温度上升至最高点附近、风扇刚开始啮合时的各测点的实时数据。对试验数据进行整理分析，结果如表2所示。从试验数据看出，当风扇前端温度达到83 ℃时，风扇还没有啮合，与风扇的设计啮合温度(53～58 ℃，分离转速200 r/min)有较大延迟，此时发动机冷却液温度已达到98 ℃；而第2组测量数据，发动机风扇前端在89.4 ℃时，风扇还未啮合，冷却液温度已经超高报警。

第2次试验过程中，还测试发动机转速、风扇转速和冷却液温度随时间的变化关系，测试结果如图6所示。图中时间序列是指设备采样的时间点，采样频率是1 s。由图6可以看出，从风扇前端温度达到调温器开启温度再到风扇完全啮合需要一定时间，待风扇完全啮合后，发动机冷却液温度快速下降。从表3统计数据可以看出，从风扇前端感应到的温度53 ℃开始，到风扇完全啮合需要约95 s，而此时间段发动机冷却液温度持续上升，导致超高报警。

表3 硅油风扇延时时间统计

从试验采集的数据可看出，当发动机冷却液温度超过82 ℃，即达到调温器开启温度时，散热器进水温度与散热器温升响应相对灵敏，风扇啮合时间在延时性中占据主要因素。因此，本文主要研究通过降低风扇啮合时间来改善风扇的延时特性。影响风扇啮合时间的因素主要包括前端金属感温圈的感应温度(即硅油风扇啮合温度)和风扇的分离转速。其中，感应温度决定感温圈的开启时刻，风扇的分离转速是影响硅油由主油腔进入副油腔的速度。本文从这2个因素出发制订改善方案。

3.3 方案改进验证

参考相关经验资料，将改进方案分为2种：方案1硅油风扇的啮合温度保持不变，分离转速由200 r/min调整为600 r/min；方案2更改硅油风扇的啮合温度，由53 ～58 ℃调整为 50 ～55 ℃，分离转速由200 r/min调整为600 r/min。按照3.1节试验方法，各测试2次，采集2组测试数据，结果如表4所示。

表4 改进方案延时参数对比

从表4中可以看出，2种方案均未出现冷却液温度超过报警现象。通过提高分离转速，对硅油风扇的延迟有较大改善，方案1降低硅油风扇延迟约40 s。提高风扇分离状态转速，可增大硅油转动的离心力，当风扇开始啮合时能够迅速从储油腔进入工作腔。通过耗功测试，分离转速在900 r/min，耗功约0.8 kW，相对较少。方案2由于啮合温度过低，导致发动机起动后风扇很快开始啮合，中间一直未脱离或处于半啮合状态，发动机的冷却液平衡温度维持在90 ℃以下，也未达到发动机的最佳工作状态，对于发动机寿命和油耗均有一定影响。因此，本车型选用改进方案1作为应用方案。

4 结论

通过实车测试数据可以看出，分离转速对普通硅油风扇的延迟性有较大影响，合理的分离转速能够有效降低啮合时间；啮合温度太低容易造成风扇处于半啮合状态，降低了普通硅油风扇降耗降噪的功能。因此，在普通硅油风扇选型应用时，需将分离转速作为关键设计参数。此外，在试验过程中发现同一款风扇，分离转速、啮合温度等参数有差异，说明普通硅油风扇的一致性有待进一步研究。此外，由于客观因素限制，本文没有细分不同分离转速对普通硅油风扇延时的影响。与普通硅油风扇延时性相关的3部分(调温器开启时间、散热器温升时间和风扇内部啮合时间)中，对调温器开启时间和散热器温升时间未做进一步测试，有待后续研究。