电控硅油风扇节油效果分析与验证

杨春丽，邹兴辉，张宗焕，杨贤君

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

随着市场重型车的竞争越来越激烈，车辆油耗已经成为重型车市场竞争的重要指标，也是客户购买车辆主要考虑的因素。

而国家标准对油耗的要求也越来越高，GB 30510《重型商用车燃料消耗量限值》目前已发布征求意见稿，预计2020左右年实施第三阶段的工信部油耗标准，燃油消耗量限值要在现有标准的基础上降低15%左右。

随着市场和国家标准对油耗要求的逐步提高，降低油耗也成了每家车企孜孜不倦追求的目标。为降低油耗，需要充分挖掘每一个能量消耗单元的节能潜力。对于重型商用车，改善发动机附件的功率消耗，是现阶段改善燃油经济性的有效措施之一，本文中采用的电控硅油风扇有助于降低发动机附配件能量损失，提升发动机燃油经济性。

现重型车冷却系统主要配备的是温控硅油风扇，而本文中采用的电控硅油风扇比温控硅油风扇的综合油耗降低 1%以上。

1 温控/电控电控硅油风扇对比

硅油类风扇是基于液体粘性传动原理来工作的，依靠粘性硅油作为传动介质，通过控制参与工作的硅油量来控制风扇转速；

温控硅油风扇：通过热敏双金属感温阀门来控制风扇的工作状态，风扇只有怠速和全啮合两种状态。

温度小于 T1时，阀针压住控制销，硅油在前盖内，风扇怠速运行，具体见图1左图；

温度大于 T1时，双金属片变形，阀针上移，控制销打开，风扇全啮合运行，具体见图1右图。

备注：T1一般为节温器开启温度值减20°C，为风扇厂家经验值。

图1 温控硅油风扇工作原理

电控硅油风扇：ECU通过收集发动机转速、散热器水温、风扇转速信号，进行数据整理和计算，输出电脉冲指令到风扇的电磁线圈，控制电控硅油风扇离合器开度，使其达到风扇的目标转速；如实际风扇转速与指令风扇转速不符，ECU通过计算再发出调整指令，直至实际风扇转速与指令风扇转速相符，从而实现风扇怠速、部分啮合、全啮合的不同状态 的精准控制，保证水温在发动机的最佳工作状态。

图2 电控硅油风扇控制策略原理

当水温大于 T2时：阀门开启，硅油进入工作腔，风扇全速运转。当水温小于T1时：阀门关闭，硅油流回硅油池，风扇怠速运转。

当 T1＜水温＜T2时：根据不同的脉冲占空比，阀门有相适应的开启程度，风扇有相适应转速运转。具体见图3。

备注：T1为节温器开启温度，T2为节温器全开温度。

图3 电控硅油风扇工作原理

2 电控硅油风扇应用方案

2.1 选型确认

根据现有搭载某国五发动机的车型要求，对风扇的状态进行选型确认。

选型要求：风扇叶片需逆时针；扇叶直径为558.8mm；2.硅油离合器安装面为螺纹连接；硅油离合器前后端面距离小于130mm。

电控硅油风扇旋转方向、风扇直径与车型原搭载的温控硅油风扇保持一致，与发动机安装接口尺寸相同，扇轴向尺寸为120mm，较现有风扇长30mm，安装后风扇与散热器间隙在90mm。

车型搭载发动机额定转速2200r/min，风扇为皮带驱动，速比为 1。蜡式节温器开启温度为 T1=79℃，全开温度为T2=94℃。

节油原理：当水温小于 T1时：风扇怠速运转，电控硅油风扇转速接近 500r/min，温控硅油风扇转速在 1200r/min左右，电控硅油风扇转速低，功率消耗低。

当 T1＜水温＜T2时：温控硅油风扇快速达到全啮合状态，风扇转速接近发动机转速；电控硅油风扇在初始一段温度范围处在怠速和部分啮合状态，转速低，风扇功率消耗低。

当水温大于 T2时：两者风扇皆为全速运转，功率消耗相当。

2.2 验证节油效果

风扇工作状态占比采集：受使用环境的影响，车辆常年在行驶过程中的环境温度、道路条件、行驶车速等经常发生变化，在这些复杂的条件下，发动机水温变化太大，需要花费大量的时间、人力、成本去采集较为准确的风扇工作水温数据；故本文中计算的风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月采集的风扇啮合比例，样本采集时间一共为6个月，该数据具体见图4：

图4 温控/电控工作状态占比

本项目以此数据作为温控/电控硅油风扇节油计算依据，综合油耗以各部分比例加权得出。

2.2.1 软件模拟

图5 整车Cruise模型

对整车建立Cruise模型（见图5），同时增加风扇能耗附件，输入不同风扇状态的转速—功率特性曲线，通过模型计算，对比分析油耗数据。

表1 软件分析油耗数据

表2 转毂试验油耗数据

2.3 热平衡试验

原温控硅油风扇的车辆的热平衡数据见表3。

表3 功率点和扭矩点热平衡数据

表4

在功率点及扭矩点的许用环境温度均大于40°C；满足使用要求；具体数据见表3。

2.4 噪声试验

对温控/电控硅油风扇的车辆进行定置噪声及匀速噪声试验，从表4和表5的数据可知，电控硅油风扇车辆试验结果除90km/h处的匀速噪声稍大外（满足整车指标），其余指标与温控硅油风扇的车辆相当。

表5 匀速行驶车内噪声试验结果

表6 定置噪声试验结果

2.5 成本变动

电控硅油风扇新增电控螺线管、环形断路器，价格增加250元；电控硅油离合器铸压件成本高于温控离合器铸压件150元；故电控硅油风扇整体价格高于温控硅油风扇400元；

3 总结

通过以上理论分析及试验的对比，关于电控硅油风扇的应用效果，有以下几点结论：

3.1 电控硅油风扇比温控硅油风扇节油效果明显，在发动机怠速和综合状态下的各个等速段油耗均能降低1.22%以上。

3.2 电控硅油风扇的风量低于温控硅油风扇，导致热平衡功率点和扭矩点的冷却常数均提高了 5℃左右，但都满足整车性能要求（≤62℃）。

3.3 电控硅油风扇与温控硅油风扇的噪声相当。试验表明只有90km/h时的匀速噪声稍大外（满足整车指标）。

3.4 电控硅油风扇成本高于温控硅油风扇400元。

电控硅油风扇的节油效果明显优于温控硅油风扇，虽然风量、噪声、成本都有其局限性，但都在可接受范围内。故电控硅油风扇值得推广，并在未来作为一项节油技术进行深入研究和开发。

[1] GB/T 12545.2-200l,商用车辆燃料消耗量试验方法.