硅油离合器风扇与发动机匹配研究

赵前进，邢东仕，郭强，王玉军，段昭

(上汽集团股份有限公司技术中心，上海 201206)

硅油离合器风扇与发动机匹配研究

赵前进，邢东仕，郭强，王玉军，段昭

(上汽集团股份有限公司技术中心，上海 201206)

以安装有硅油离合器风扇的四缸发动机为研究对象，采用了试验对比分析方法，对不同啮合温度和不同啮合转速的硅油离合器风扇进行试验，研究硅油离合器与发动机的匹配。通过对比试验得出：当发动机的最大放热量一定情况下，硅油离合器的啮合温度不影响风扇冷却能力，啮合温度只与发动机暖机有关，同时硅油离合器的啮合转速高低决定风扇冷却能力大小。

硅油风扇离合器；发动机；匹配

0 引言

社会经济不断发展，人们的环保意识以及节能意识也都在不断地加强，对发动机的性能要求也越来越高。在发动机上冷却系统的传统设计中，风扇是和发动机刚性连接的，即发动机运转、风扇就运转。因此只要发动机运行，风扇就一直在消耗着能量。

而实际上，在汽车的整个使用周期内，有80%以上的时间是不需要风扇转动的，比如：冬天、早上刚启动期间、高速行驶的时候、下坡的时候、空载的时候等。为了节约这部分能量，硅油离合器风扇应运而生[1]。现在硅油离合器风扇为新技术，国内外针对硅油离合器风扇与发动机的匹配研究较少，以往这种风扇的选型都是通过经验或对标来实现，无法实现最优方案。

文中通过在某四缸发动机上试验，研究硅油离合器风扇与发动机的匹配策略，并对不同参数硅油离合器风扇与发动机的匹配方案进行了探讨。

1 硅油离合器风扇工作原理

硅油离合器风扇以硅油为传动介质，利用其高黏度特性传递扭矩，它可以随发动机温度变化自动调节风扇的风量。硅油离合器风扇的基本原理为：当发动机温度较低时，硅油离合器无法提供有效啮合功能，此时离合器处于分离状态；当发动机温度较高时，硅油离合器可提供有效啮合，从保证正常驱动能力[2]。

2 试验原理

发动机和整车冷却系统零部件(水泵、散热器、风扇、节温器等零部件)如图1所示。当发动机出水温度低于节温器初开温度时，发动机运行小循环；出水温度高于全开温度时发动机则运行大循环；介于初开温度和全开温度的情况下发动机大小循环同时运行。对于不同发动机，节温器的初开和全开温度也不相同，同时风扇的转速也不相同。

理论上，风扇转速越大发动机的冷却效果越好，但是会造成发动机暖机慢、功耗高。在风扇低转速或不旋转情况下，发动机可实现快速暖机，从而减少发动机功耗。但风扇低转速或不旋转时，在高速高负荷下，会造成发动机冷却效果差，从而冷却系统开锅。为了使发动机既能快速暖机又不会使发动机在高速高负荷情况下冷却不足，需要寻找合理的风扇转速。

3 试验条件

试验环境为：标准大气压，温度为28 ℃。试验室开抽气机，在发动机正前方放置一鼓风机，来模拟整车状态。风扇和散热器以及护风圈之间的距离完全符合整车要求。

选用3个规格的硅油离合器风扇 A、B、C，其参数如表1所示。

表1 3个规格的硅油离合器风扇参数汇总

发动机的运行工况是：转速3 500 r/min(风扇转速为4 375 r/min),功率105 kW。

4 试验方法

在同一台发动机上，发动机在一定工况下运转，通过选用不同参数的硅油离合器风扇，监测发动机的进水温TWI、出水温度TWO、机油温度TOIL、暖机时间t，综合评价3个参数，从而得出发动机冷却系统的优劣[3]。

根据一些发动机设计咨询公司经验，发动机一般最佳工作温度是:出水温度90～100 ℃,进水温度83～105 ℃ 。暖机完成的标识为：机油温度达到90 ℃以上，水温达到85 ℃两个条件。

5 试验匹配分析

对于硅油离合器风扇与发动机匹配评价，主要考虑发动机实际工作温度和暖机时间。只有两者都达到要求，匹配工作才能最终完成。

5.1 发动机工作温度分析

通过3轮试验，得到3种规格硅油离合器风扇下，发动机工作温度数据如图2—4所示。

从图2可以得出规格A硅油离合器风扇与发动机匹配下的出水温度、进水温度以及机油温度的曲线，由此图可以看出:发动机出水最高是92 ℃左右，最低77 ℃左右，同时发动机水温已基本稳定,但是发动机的稳定水温偏低。

从图3可以得出规格B硅油离合器风扇与发动机匹配下的出水温度、进水温度以及机油温度的曲线，由此图可以看出:发动机出水最高是97 ℃左右,最低84 ℃左右，同时发动机水温已基本稳定,发动机的稳定水温在比较合理的水温范围内。

从图4可以得出规格C硅油离合器风扇与发动机匹配下出水温度、进水温度以及机油温度的曲线，由此图可以看出：发动机出水最高是100 ℃左右、最低97 ℃左右，但是水温一直处于上升态势，发动机长时间运行时，会导致发动机过热。

通过综合分析图2—4可以得出：规格B硅油离合器风扇最优，此时发动机的进水温度、出水温度和机油温度都在理想数值范围内。另外两种规格的硅油离合器风扇会导致发动机工作温度过低或过热，都不利于发动机的正常运转。

5.2 发动机暖机时间评价

发动机暖机过程指的是发动机点火成功后，机内冷却水和机油从较低温度上升至正常温度的过程，该过程主要包括拖动、启动、后起动和暖机4个阶段。该过程的长短，直接影响发动机各总成的磨损和整机的排放性能。

通过多轮试验，得出3种规格硅油离合器风扇情况下的发动机实际暖机时间，如表2所示。

表2 不同规格硅油离合器风扇的发动机暖机时间

从表2可以得出：硅油离合器风扇的啮合转速对发动机暖机时间影响很小，发动机暖机时间主要取决于硅油离合器风扇的啮合温度。

5.3 硅油离合器风扇对功耗影响

通过硅油离合器风扇的台架试验，得出了硅油离合器风扇功耗与转速之间的关系，如图5所示。

由图5可得出：风扇的功耗比较高，尤其是高转速下。如果选用硅油离合器风扇可以很明显地降低功耗，达到节油效果。

同时从图5可得出：硅油离合器风扇在相同的啮合温度下，转速越高消耗发动机的功率越大，所以在不影响发动机的冷却能力情况下，尽量降低硅油离合器的啮合转速。

6 结论

通过硅油离合器风扇与发动机的匹配试验，得出硅油离合器风扇与发动机匹配一般原则：

(1)硅油离合器风扇选择与发动机的进水温度、出水温度、机油温度和暖机时间有关。

(2)选择硅油离合器风扇时，应保证发动机工作在最佳温度范围内，不能过低或过高。

(3)硅油离合器风扇的啮合温度决定了发动机暖机时间长短，啮合转速对发动机暖机影响较小。

(4)在保证发动机冷却系统正常工作情况下，硅油离合器风扇的啮合转速应尽量低，以降低发动机的功耗。

上述原则对于指导硅油离合器风扇与发动机的匹配有重要意义，为以后发动机的开发提供参考。

【1】 张文昌.硅油风扇离合器[J].柴油机设计与制造,2005(1)：56-57.

【2】 冉振亚,韩兆运,赵树恩.中型车用新型硅油风扇离合器的设计[J].机械制造和设计,2003(3)：12-13.

【3】 关立哲,王威.发动机冷却系统研究综述[J].内燃机与配件,2012(8):31-33.

MatchingoftheDriversforVisctronicFanandEngine

ZHAO Qianjin, XING Dongshi,GUO Qiang, WANG Yujun,DUAN Zhao

(Technical Center, SAIC Group Co., Ltd., Shanghai 201206,China)

Engine with visctronic fan driver was researched, by testing the visctronic fan driver with different meshed temperature and meshed speed. The matching way between visctronic fan driver and engine was introduced. Through several tests, some important principles were gotten: as to a number of heat release, meshed temperature does not affect cooling ability of fan, but meshed temperature determines warm temperature of engine. At the same time, meshed speed determines the cooling ability of fan.

Visctronic fan driver; Engine; Matching

2014-05-13

赵前进(1981—)，男，学士，工程师，研究方向为发动机热管理。E-mail:dsxing1985@163.com。