发动机冷却系统风扇不同驱动控制策略的仿真研究

牛晓冬，倪计民，徐向阳，徐宸原

（1.同济大学汽车学院，上海 201804；2.一汽客车（无锡）有限公司，无锡 214177；3.山东大学，济南 250100）

内燃机诞生百余年来，其基本功能结构变化不大。尤其是冷却系统，在近几十年中一直未有重大突破。传统内燃机冷却系统是根据系统最大散热需求来设计和标定的。事实上冷却系统仅有3%~5%的时间在理想状态下运行［2］，发动机长期在过冷状态下运行。时至今日，这种基于系统最大需求设计和标定的冷却系统已经难以满足刻不容缓的节能环保需求和适应日益严苛的排放法规。因此，兼顾发动机性能的同时来减少系统耗功，是发动机冷却系统未来提高与发展的方向。

本文借助于AMESim软件，以某客车冷却系统为基础，首先校核了不同行驶工况下该系统的散热能力是否满足设计需求；然后研究了系统与不同风扇匹配后，风扇的耗功情况；最后分析了该系统在使用电磁温控式冷却风扇和硅油离合风扇代替机械式定传动比冷却风扇后的耗功改善情况。

1 冷却风扇的不同驱动形式

1.1 冷却系统热交换基本公式

散热器中的气—液热交换公式为：

式中：Q1为大循环传热量；m1为内部冷却液的质量流；Cp为内部冷却液的比热容；△T1为内部冷却液的温差；m1′为外部冷却空气的质量流；Cp1′为外部冷却空气的比热容；△T1′为外部冷却空气的温差。

1.2 定传动比机械式冷却风扇

传统冷却风扇一般置于散热器之后，由驱动水泵和发电机的同一根V带传动。发电机启动时，风扇随之启动，吸进空气使其通过散热器，以增强散热器的散热能力，加速冷却液的冷却。

由于传统风扇直接与发动机连接，风扇转速与发动机转速成对应的关系，在低速高负荷工况时，会因为风量不足而导致发动机过热；反之，在高速低负荷情况下，发动机过度被冷却是常见的现象。

某车辆公路实测结果表明，气温10℃~20℃时，90%的行驶时间内，风扇无需工作；气温0℃~10℃时，风扇的工作时间仅为 5%［3］。

为避免发动机过热或过冷现象频繁发生，各种能够改变风扇转速的驱动装置和控制策略应运而生（见图1）。

系统热平衡公式为：

1.3 硅油离合式风扇与电磁温控式冷却风扇

硅油离合式风扇主要通过感温元件，确定进入离合器硅油的量，并利用硅油的粘性将动力输出给风扇使其转动。

液力驱动型风扇是通过水温传感器、ECU发出控制信号，通过比例阀调节系统油压，实现由马达及风扇转速调节。

电磁离合式冷却风扇的关键在于温控电磁离合器。电磁离合器是利用线圈通电时电磁产生的吸力，吸引衔铁盘压紧摩擦片以实现扭矩的传递，使风扇工作。断开电路后，衔铁盘与摩擦片分离，风扇空转。一般电磁离合器内部有大小不同的线圈，通过通电后产生不同的吸合力来使风扇可以空转、低速运转及高速运转。

电动风扇是由电动机直接驱动风扇，可以根据发动机温度和负荷的不同来改变风扇转速。因重型汽车风扇耗功较大，而电动风扇驱动功率受蓄电池的限制，故电动风扇很少运用在重型汽车上。

2 模型建立和冷却系统散热能力分析

某客车柴油机冷却系统（见图2）使用机械式传动方式来驱动水泵，并且匹配定转速比机械式风扇。

2.1 冷却系统建模

发动机基本参数如表1所示。使用AMESim软件建立发动机冷却系统仿真计算模型，模型如图3所示。

表1 发动机基本参数

2.2不同工况下系统冷却能力分析

客车长期在低速高负荷的情况下行驶，若遇到夏季高温天气，极易发生“开锅”现象，对此需要对极端热工况进行校核。

因此，本文基于额定转速下的目标发动机冷却系统，分别针对冬季（气温0℃）、春秋季（气温20℃）和夏季（气温45℃）三种不同的气候条件下，发动机负荷与车速对系统散热能力的影响。

系统仿真工况如表2所示，工况1~工况3分别代表车辆在低速、中速及高速行驶的情况。目标冷却系统的基本参数如表3所示。

仿真结果如图4~图6所示。根据图4~图6可以看出：所有工况的发动机出口处冷却液温度皆低于设计要求的103℃，该系统在高温低速高负荷的行驶条件下，系统内冷却液温度也只有99.4℃。所以，该系统满足设计需求，发动机不会“开锅”。

表2 仿真工况

表3 冷却系统基本参数

当系统工作温度不变而车辆行驶速度提高时，20%负荷工况下的冷却液温度几乎不变；100%负荷工况下的冷却液温度下降明显；50%工况下的冷却液温度变化介于两者之间。

当系统工作温度与系统负荷皆不变的情况下，车辆行驶速度由低速提高到中速时冷却液温度下降的程度要高于车辆行驶速度由中速提高到高速时冷却液温度下降的程度。

不同的环境温度对系统散热能力的影响也很大，0℃与20℃时系统内冷却液温度随车速、负荷变化而改变的程度要小于45℃时冷却液温度相应的改变程度。

系统的热负荷决定了发动机向冷却系统传递的热量，车辆行驶速度一定程度上影响了冷却空气的流量，而系统工作温度影响的则是冷却空气的进气温度。

从仿真结果可以看出，当系统处于低温低负荷热状态时，行驶速度的改变对冷却液温度影响很小，冷却液温度很低，系统与发动机处于过冷状态。

同时，当系统内冷却液温度过低时，该温度很接近节温器设定的开启与闭合大循环的温度，就会产生如图7所示的节温器振荡现象。此时节温器不停开启与闭合，系统无法稳定工作，长期如此会降低节温器的工作寿命。

根据初步仿真结果分析和判断，该系统的散热能力满足系统最大冷却需求，在极端高热状况下不会发生发动机过热的现象。但是，系统使用的是定传动比机械式风扇与机械式水泵，当车辆在同一转速行驶时，风扇和水泵的转速不随系统温度及热负荷的改变而发生相应的变化。这也就造成了目标车辆在其他普通热状况和低热状况行驶时，风扇和水泵提供的冷却介质流量很大，发动机长期过冷，且会产生节温器振荡现象。

3 采用不同驱动方式的冷却风扇匹配分析

从厂商处了解到：系统使用的机械式风扇共有 5 种转速（1 800 r/min；2 100 r/min；2 400 r/min；2 700 r/min；3 000 r/min）可以选择。为防止系统过热，原系统选择了转速最大的那一挡。

现结合初步仿真结果中发现的系统过冷及节温器振荡的问题，对剩余4个风扇转速进行进一步匹配计算。

3.1 风扇与水泵的耗功

通常对冷却系统而言，系统所消耗的功率主要表现为水泵和风扇所消耗的功率。

水泵所消耗的功率计算公式［5］为：

式中：Nw为水泵消耗的功率；qvw为水泵流量；pw为水泵泵水压力；ηw为水泵总效率。

风扇所消耗的功率计算公式［5］为：

式中：Na为风扇消耗的功率；qva为风扇流量；pa为风扇的供气压力；ηa为风扇总效率。

其中，水冷式冷却系统空气通道的阻力，也就是风扇的供气压力一般为［5］：式中：△pR为散热器的阻力；△pL为除散热器外所有空气通道的阻力，对一般的汽车，△pL=（0.4~1.1）△pR。

3.2 不同工况下风扇的匹配分析

本文选择了如表4所示的四种工况，分别代表了该系统的低速高负荷、低速低负荷、高速高负荷和高速低负荷四种不同的行驶工况。

表4 不同转速风扇仿真工况

不同转速的风扇特性曲线见图8，图8显示了风扇在风扇转速为1 800 r/min、2 100 r/min、2 400 r/min和2 700 r/min时风扇的流量与静压的关系曲线。

针对系统在四种工况对应四种不同风扇情况下的散热能力和耗功进行仿真计算，结果如图9~图11所示。

根据此仿真结果可以看出，当系统处于低速高负荷行驶工况时，提高风扇转速可以有效降低系统内冷却液的温度；而当系统处于低速低负荷、高速高负荷和高速低负荷等行驶工况时，风扇转速的提高对系统内冷却液温度影响不大，但此时，系统冷却风扇耗功会相应增加。

同时，当系统处于低速高负荷工况时，若风扇转速降低（1 800 r/min、2 100 r/min），系统内的冷却液温度会超过系统设计要求所规定的103℃，发动机过热，此情况需要注意并避免。

因为系统采取的是定转速比机械式水泵，当发动机为额定转速2 300 r/min，水泵转速不变，因此在仿真结果中水泵耗功几乎不变，皆为1.5 kW。

系统的换热量如表5所示。根据表5中小循环散热量 （数值上等于发动机散入冷却系统的热量与冷却空气带走的热量的差值）、节温器开度设定（见图12）及通过系统大小循环的冷却液流量值（见图13）可以看出：除了低速高负荷工况之外，提高冷却空气流动速度已经无法降低冷却液温度；在高速低负荷工况下，因为系统内冷却液温度低于或刚刚接近节温器设定的开启温度，冷却液基本上通过小循环散热，通过系统大循环的冷却液流量极少。因此，此时应当降低风扇转速，以提高冷却液的温度，增加流入大循环的冷却液流量，并减少冷却风扇的耗功。

表5 不同转速下系统与风扇匹配仿真结果

综上所述，该系统冷却风扇与系统匹配不合理。

3.3 风扇不同驱动方式匹配分析

为解决之前仿真过程中发现的风扇匹配问题，采用两款不同的驱动方式，即硅油离合器（见图14）和电磁离合器（见图15）。仿真工况如表6所示，两款离合器参数如表7和表8所示。

表6 不同车速及负荷的加速仿真工况

表7 硅油离合器控制策略

表8 电磁离合器控制策略

仿真结果如图16、图17所示。采用硅油离合式风扇和电磁离合式风扇后的冷却系统相对于原系统在风扇耗功方面有了较大的改善，特别是低负荷情况下，系统风扇耗功下降更为明显。挡位更多的电磁离合方案相比较硅油离合方案在耗功方案也有着自己的优势。

4 结论

（1）根据某客车的冷却系统结构，建立了发动机冷却系统仿真模型。

（2）根据系统在不同温度、速度及负荷下行驶时，系统内冷却液的温度来分析系统散热能力。

（3）针对系统在不同工况下匹配不同转速的风扇运行的情况，进一步分析了系统风扇和水泵的耗功，认为原设计系统大部分时间冷却过度，风扇与系统匹配不佳。

（4）经过计算得到：改变风扇控制策略可以有效降低系统风扇耗功；风扇挡位越多，风扇耗功降低越明显。

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