發動機冷卻系統風扇不同驅動控制策略的仿真研究

牛曉冬，倪計民，徐向陽，徐宸原

（1.同濟大學汽車學院，上海 201804；2.一汽客車（無錫）有限公司，無錫 214177；3.山東大學，濟南 250100）

內燃機誕生百余年來，其基本功能結構變化不大。尤其是冷卻系統，在近幾十年中一直未有重大突破。傳統內燃機冷卻系統是根據系統最大散熱需求來設計和標定的。事實上冷卻系統僅有3%~5%的時間在理想狀態下運行［2］，發動機長期在過冷狀態下運行。時至今日，這種基于系統最大需求設計和標定的冷卻系統已經難以滿足刻不容緩的節能環保需求和適應日益嚴苛的排放法規。因此，兼顧發動機性能的同時來減少系統耗功，是發動機冷卻系統未來提高與發展的方向。

本文借助于AMESim軟件，以某客車冷卻系統為基礎，首先校核了不同行駛工況下該系統的散熱能力是否滿足設計需求；然后研究了系統與不同風扇匹配后，風扇的耗功情況；最后分析了該系統在使用電磁溫控式冷卻風扇和硅油離合風扇代替機械式定傳動比冷卻風扇后的耗功改善情況。

1 冷卻風扇的不同驅動形式

1.1 冷卻系統熱交換基本公式

散熱器中的氣—液熱交換公式為：

式中：Q1為大循環傳熱量；m1為內部冷卻液的質量流；Cp為內部冷卻液的比熱容；△T1為內部冷卻液的溫差；m1′為外部冷卻空氣的質量流；Cp1′為外部冷卻空氣的比熱容；△T1′為外部冷卻空氣的溫差。

1.2 定傳動比機械式冷卻風扇

傳統冷卻風扇一般置于散熱器之后，由驅動水泵和發電機的同一根V帶傳動。發電機啟動時，風扇隨之啟動，吸進空氣使其通過散熱器，以增強散熱器的散熱能力，加速冷卻液的冷卻。

由于傳統風扇直接與發動機連接，風扇轉速與發動機轉速成對應的關系，在低速高負荷工況時，會因為風量不足而導致發動機過熱；反之，在高速低負荷情況下，發動機過度被冷卻是常見的現象。

某車輛公路實測結果表明，氣溫10℃~20℃時，90%的行駛時間內，風扇無需工作；氣溫0℃~10℃時，風扇的工作時間僅為 5%［3］。

為避免發動機過熱或過冷現象頻繁發生，各種能夠改變風扇轉速的驅動裝置和控制策略應運而生（見圖1）。

系統熱平衡公式為：

1.3 硅油離合式風扇與電磁溫控式冷卻風扇

硅油離合式風扇主要通過感溫元件，確定進入離合器硅油的量，并利用硅油的粘性將動力輸出給風扇使其轉動。

液力驅動型風扇是通過水溫傳感器、ECU發出控制信號，通過比例閥調節系統油壓，實現由馬達及風扇轉速調節。

電磁離合式冷卻風扇的關鍵在于溫控電磁離合器。電磁離合器是利用線圈通電時電磁產生的吸力，吸引銜鐵盤壓緊摩擦片以實現扭矩的傳遞，使風扇工作。斷開電路后，銜鐵盤與摩擦片分離，風扇空轉。一般電磁離合器內部有大小不同的線圈，通過通電后產生不同的吸合力來使風扇可以空轉、低速運轉及高速運轉。

電動風扇是由電動機直接驅動風扇，可以根據發動機溫度和負荷的不同來改變風扇轉速。因重型汽車風扇耗功較大，而電動風扇驅動功率受蓄電池的限制，故電動風扇很少運用在重型汽車上。

2 模型建立和冷卻系統散熱能力分析

某客車柴油機冷卻系統（見圖2）使用機械式傳動方式來驅動水泵，并且匹配定轉速比機械式風扇。

2.1 冷卻系統建模

發動機基本參數如表1所示。使用AMESim軟件建立發動機冷卻系統仿真計算模型，模型如圖3所示。

表1 發動機基本參數

2.2不同工況下系統冷卻能力分析

客車長期在低速高負荷的情況下行駛，若遇到夏季高溫天氣，極易發生“開鍋”現象，對此需要對極端熱工況進行校核。

因此，本文基于額定轉速下的目標發動機冷卻系統，分別針對冬季（氣溫0℃）、春秋季（氣溫20℃）和夏季（氣溫45℃）三種不同的氣候條件下，發動機負荷與車速對系統散熱能力的影響。

系統仿真工況如表2所示，工況1~工況3分別代表車輛在低速、中速及高速行駛的情況。目標冷卻系統的基本參數如表3所示。

仿真結果如圖4~圖6所示。根據圖4~圖6可以看出：所有工況的發動機出口處冷卻液溫度皆低于設計要求的103℃，該系統在高溫低速高負荷的行駛條件下，系統內冷卻液溫度也只有99.4℃。所以，該系統滿足設計需求，發動機不會“開鍋”。

表2 仿真工況

表3 冷卻系統基本參數

當系統工作溫度不變而車輛行駛速度提高時，20%負荷工況下的冷卻液溫度幾乎不變；100%負荷工況下的冷卻液溫度下降明顯；50%工況下的冷卻液溫度變化介于兩者之間。

當系統工作溫度與系統負荷皆不變的情況下，車輛行駛速度由低速提高到中速時冷卻液溫度下降的程度要高于車輛行駛速度由中速提高到高速時冷卻液溫度下降的程度。

不同的環境溫度對系統散熱能力的影響也很大，0℃與20℃時系統內冷卻液溫度隨車速、負荷變化而改變的程度要小于45℃時冷卻液溫度相應的改變程度。

系統的熱負荷決定了發動機向冷卻系統傳遞的熱量，車輛行駛速度一定程度上影響了冷卻空氣的流量，而系統工作溫度影響的則是冷卻空氣的進氣溫度。

從仿真結果可以看出，當系統處于低溫低負荷熱狀態時，行駛速度的改變對冷卻液溫度影響很小，冷卻液溫度很低，系統與發動機處于過冷狀態。

同時，當系統內冷卻液溫度過低時，該溫度很接近節溫器設定的開啟與閉合大循環的溫度，就會產生如圖7所示的節溫器振蕩現象。此時節溫器不停開啟與閉合，系統無法穩定工作，長期如此會降低節溫器的工作壽命。

根據初步仿真結果分析和判斷，該系統的散熱能力滿足系統最大冷卻需求，在極端高熱狀況下不會發生發動機過熱的現象。但是，系統使用的是定傳動比機械式風扇與機械式水泵，當車輛在同一轉速行駛時，風扇和水泵的轉速不隨系統溫度及熱負荷的改變而發生相應的變化。這也就造成了目標車輛在其他普通熱狀況和低熱狀況行駛時，風扇和水泵提供的冷卻介質流量很大，發動機長期過冷，且會產生節溫器振蕩現象。

3 采用不同驅動方式的冷卻風扇匹配分析

從廠商處了解到：系統使用的機械式風扇共有 5 種轉速（1 800 r/min；2 100 r/min；2 400 r/min；2 700 r/min；3 000 r/min）可以選擇。為防止系統過熱，原系統選擇了轉速最大的那一擋。

現結合初步仿真結果中發現的系統過冷及節溫器振蕩的問題，對剩余4個風扇轉速進行進一步匹配計算。

3.1 風扇與水泵的耗功

通常對冷卻系統而言，系統所消耗的功率主要表現為水泵和風扇所消耗的功率。

水泵所消耗的功率計算公式［5］為：

式中：Nw為水泵消耗的功率；qvw為水泵流量；pw為水泵泵水壓力；ηw為水泵總效率。

風扇所消耗的功率計算公式［5］為：

式中：Na為風扇消耗的功率；qva為風扇流量；pa為風扇的供氣壓力；ηa為風扇總效率。

其中，水冷式冷卻系統空氣通道的阻力，也就是風扇的供氣壓力一般為［5］：式中：△pR為散熱器的阻力；△pL為除散熱器外所有空氣通道的阻力，對一般的汽車，△pL=（0.4~1.1）△pR。

3.2 不同工況下風扇的匹配分析

本文選擇了如表4所示的四種工況，分別代表了該系統的低速高負荷、低速低負荷、高速高負荷和高速低負荷四種不同的行駛工況。

表4 不同轉速風扇仿真工況

不同轉速的風扇特性曲線見圖8，圖8顯示了風扇在風扇轉速為1 800 r/min、2 100 r/min、2 400 r/min和2 700 r/min時風扇的流量與靜壓的關系曲線。

針對系統在四種工況對應四種不同風扇情況下的散熱能力和耗功進行仿真計算，結果如圖9~圖11所示。

根據此仿真結果可以看出，當系統處于低速高負荷行駛工況時，提高風扇轉速可以有效降低系統內冷卻液的溫度；而當系統處于低速低負荷、高速高負荷和高速低負荷等行駛工況時，風扇轉速的提高對系統內冷卻液溫度影響不大，但此時，系統冷卻風扇耗功會相應增加。

同時，當系統處于低速高負荷工況時，若風扇轉速降低（1 800 r/min、2 100 r/min），系統內的冷卻液溫度會超過系統設計要求所規定的103℃，發動機過熱，此情況需要注意并避免。

因為系統采取的是定轉速比機械式水泵，當發動機為額定轉速2 300 r/min，水泵轉速不變，因此在仿真結果中水泵耗功幾乎不變，皆為1.5 kW。

系統的換熱量如表5所示。根據表5中小循環散熱量 （數值上等于發動機散入冷卻系統的熱量與冷卻空氣帶走的熱量的差值）、節溫器開度設定（見圖12）及通過系統大小循環的冷卻液流量值（見圖13）可以看出：除了低速高負荷工況之外，提高冷卻空氣流動速度已經無法降低冷卻液溫度；在高速低負荷工況下，因為系統內冷卻液溫度低于或剛剛接近節溫器設定的開啟溫度，冷卻液基本上通過小循環散熱，通過系統大循環的冷卻液流量極少。因此，此時應當降低風扇轉速，以提高冷卻液的溫度，增加流入大循環的冷卻液流量，并減少冷卻風扇的耗功。

表5 不同轉速下系統與風扇匹配仿真結果

綜上所述，該系統冷卻風扇與系統匹配不合理。

3.3 風扇不同驅動方式匹配分析

為解決之前仿真過程中發現的風扇匹配問題，采用兩款不同的驅動方式，即硅油離合器（見圖14）和電磁離合器（見圖15）。仿真工況如表6所示，兩款離合器參數如表7和表8所示。

表6 不同車速及負荷的加速仿真工況

表7 硅油離合器控制策略

表8 電磁離合器控制策略

仿真結果如圖16、圖17所示。采用硅油離合式風扇和電磁離合式風扇后的冷卻系統相對于原系統在風扇耗功方面有了較大的改善，特別是低負荷情況下，系統風扇耗功下降更為明顯。擋位更多的電磁離合方案相比較硅油離合方案在耗功方案也有著自己的優勢。

4 結論

（1）根據某客車的冷卻系統結構，建立了發動機冷卻系統仿真模型。

（2）根據系統在不同溫度、速度及負荷下行駛時，系統內冷卻液的溫度來分析系統散熱能力。

（3）針對系統在不同工況下匹配不同轉速的風扇運行的情況，進一步分析了系統風扇和水泵的耗功，認為原設計系統大部分時間冷卻過度，風扇與系統匹配不佳。

（4）經過計算得到：改變風扇控制策略可以有效降低系統風扇耗功；風扇擋位越多，風扇耗功降低越明顯。

［1］倪計民.汽車內燃機原理 ［M］.上海：同濟大學出版社，1997.

［2］ F.Melzer，U.Hesse，G.Rocklage and M.Schmitt Thermomanagemant［C］.SAE，1999，01：0238.

［3］廉昭，張鳳巖，朱政.東風EQ-140型汽車電磁風扇離合器的研制［J］.北京：東北林業學報，1984，12（3）：111-123.

［4］吳海榮，郭新民.發動機冷卻系統設計參數的確定［J］.農業化研究，2007：223-224.

［5］楊連生.內燃機設計［M］.北京：中國農業出版社，1981.

［6］王金華，孫長亮.發動機冷卻系統的選型［J］.工程機械與維修，2008：152-153.

［7］Jimin Ni，Wanying Yu，Xiuyong Shi，et al.Optimization of Combination among Key Components at Air Side in Vehicle Thermal Management System ［C］.2010 International Conference on System Science，Engineering Design and Manufacturing Informatization （ICSEM 2010），Yichang，2010：310-313.

［8］GU Ning，NI Jimin.Simulation of Engine Cooling System Based on AMESim［C］.the Second International Conference on Information and Computing Science （ICIC2009），Manchester，2009：117-120.

［9］柴油機設計手冊編撰委員會.柴油機設計手冊 ［M］.北京：中國農業機械出版社，1984.