硅油離合器風(fēng)扇與發(fā)動機匹配研究

趙前進，邢東仕，郭強，王玉軍，段昭

(上汽集團股份有限公司技術(shù)中心，上海 201206)

硅油離合器風(fēng)扇與發(fā)動機匹配研究

趙前進，邢東仕，郭強，王玉軍，段昭

(上汽集團股份有限公司技術(shù)中心，上海 201206)

以安裝有硅油離合器風(fēng)扇的四缸發(fā)動機為研究對象，采用了試驗對比分析方法，對不同嚙合溫度和不同嚙合轉(zhuǎn)速的硅油離合器風(fēng)扇進行試驗，研究硅油離合器與發(fā)動機的匹配。通過對比試驗得出：當(dāng)發(fā)動機的最大放熱量一定情況下，硅油離合器的嚙合溫度不影響風(fēng)扇冷卻能力，嚙合溫度只與發(fā)動機暖機有關(guān)，同時硅油離合器的嚙合轉(zhuǎn)速高低決定風(fēng)扇冷卻能力大小。

硅油風(fēng)扇離合器；發(fā)動機；匹配

0 引言

社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，人們的環(huán)保意識以及節(jié)能意識也都在不斷地加強，對發(fā)動機的性能要求也越來越高。在發(fā)動機上冷卻系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計中，風(fēng)扇是和發(fā)動機剛性連接的，即發(fā)動機運轉(zhuǎn)、風(fēng)扇就運轉(zhuǎn)。因此只要發(fā)動機運行，風(fēng)扇就一直在消耗著能量。

而實際上，在汽車的整個使用周期內(nèi)，有80%以上的時間是不需要風(fēng)扇轉(zhuǎn)動的，比如：冬天、早上剛啟動期間、高速行駛的時候、下坡的時候、空載的時候等。為了節(jié)約這部分能量，硅油離合器風(fēng)扇應(yīng)運而生[1]。現(xiàn)在硅油離合器風(fēng)扇為新技術(shù)，國內(nèi)外針對硅油離合器風(fēng)扇與發(fā)動機的匹配研究較少，以往這種風(fēng)扇的選型都是通過經(jīng)驗或?qū)?biāo)來實現(xiàn)，無法實現(xiàn)最優(yōu)方案。

文中通過在某四缸發(fā)動機上試驗，研究硅油離合器風(fēng)扇與發(fā)動機的匹配策略，并對不同參數(shù)硅油離合器風(fēng)扇與發(fā)動機的匹配方案進行了探討。

1 硅油離合器風(fēng)扇工作原理

硅油離合器風(fēng)扇以硅油為傳動介質(zhì)，利用其高黏度特性傳遞扭矩，它可以隨發(fā)動機溫度變化自動調(diào)節(jié)風(fēng)扇的風(fēng)量。硅油離合器風(fēng)扇的基本原理為：當(dāng)發(fā)動機溫度較低時，硅油離合器無法提供有效嚙合功能，此時離合器處于分離狀態(tài)；當(dāng)發(fā)動機溫度較高時，硅油離合器可提供有效嚙合，從保證正常驅(qū)動能力[2]。

2 試驗原理

發(fā)動機和整車?yán)鋮s系統(tǒng)零部件(水泵、散熱器、風(fēng)扇、節(jié)溫器等零部件)如圖1所示。當(dāng)發(fā)動機出水溫度低于節(jié)溫器初開溫度時，發(fā)動機運行小循環(huán)；出水溫度高于全開溫度時發(fā)動機則運行大循環(huán)；介于初開溫度和全開溫度的情況下發(fā)動機大小循環(huán)同時運行。對于不同發(fā)動機，節(jié)溫器的初開和全開溫度也不相同，同時風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速也不相同。

理論上，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越大發(fā)動機的冷卻效果越好，但是會造成發(fā)動機暖機慢、功耗高。在風(fēng)扇低轉(zhuǎn)速或不旋轉(zhuǎn)情況下，發(fā)動機可實現(xiàn)快速暖機，從而減少發(fā)動機功耗。但風(fēng)扇低轉(zhuǎn)速或不旋轉(zhuǎn)時，在高速高負(fù)荷下，會造成發(fā)動機冷卻效果差，從而冷卻系統(tǒng)開鍋。為了使發(fā)動機既能快速暖機又不會使發(fā)動機在高速高負(fù)荷情況下冷卻不足，需要尋找合理的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

3 試驗條件

試驗環(huán)境為：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度為28 ℃。試驗室開抽氣機，在發(fā)動機正前方放置一鼓風(fēng)機，來模擬整車狀態(tài)。風(fēng)扇和散熱器以及護風(fēng)圈之間的距離完全符合整車要求。

選用3個規(guī)格的硅油離合器風(fēng)扇 A、B、C，其參數(shù)如表1所示。

表1 3個規(guī)格的硅油離合器風(fēng)扇參數(shù)匯總

發(fā)動機的運行工況是：轉(zhuǎn)速3 500 r/min(風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為4 375 r/min),功率105 kW。

4 試驗方法

在同一臺發(fā)動機上，發(fā)動機在一定工況下運轉(zhuǎn)，通過選用不同參數(shù)的硅油離合器風(fēng)扇，監(jiān)測發(fā)動機的進水溫TWI、出水溫度TWO、機油溫度TOIL、暖機時間t，綜合評價3個參數(shù)，從而得出發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的優(yōu)劣[3]。

根據(jù)一些發(fā)動機設(shè)計咨詢公司經(jīng)驗，發(fā)動機一般最佳工作溫度是:出水溫度90～100 ℃,進水溫度83～105 ℃ 。暖機完成的標(biāo)識為：機油溫度達到90 ℃以上，水溫達到85 ℃兩個條件。

5 試驗匹配分析

對于硅油離合器風(fēng)扇與發(fā)動機匹配評價，主要考慮發(fā)動機實際工作溫度和暖機時間。只有兩者都達到要求，匹配工作才能最終完成。

5.1 發(fā)動機工作溫度分析

通過3輪試驗，得到3種規(guī)格硅油離合器風(fēng)扇下，發(fā)動機工作溫度數(shù)據(jù)如圖2—4所示。

從圖2可以得出規(guī)格A硅油離合器風(fēng)扇與發(fā)動機匹配下的出水溫度、進水溫度以及機油溫度的曲線，由此圖可以看出:發(fā)動機出水最高是92 ℃左右，最低77 ℃左右，同時發(fā)動機水溫已基本穩(wěn)定,但是發(fā)動機的穩(wěn)定水溫偏低。

從圖3可以得出規(guī)格B硅油離合器風(fēng)扇與發(fā)動機匹配下的出水溫度、進水溫度以及機油溫度的曲線，由此圖可以看出:發(fā)動機出水最高是97 ℃左右,最低84 ℃左右，同時發(fā)動機水溫已基本穩(wěn)定,發(fā)動機的穩(wěn)定水溫在比較合理的水溫范圍內(nèi)。

從圖4可以得出規(guī)格C硅油離合器風(fēng)扇與發(fā)動機匹配下出水溫度、進水溫度以及機油溫度的曲線，由此圖可以看出：發(fā)動機出水最高是100 ℃左右、最低97 ℃左右，但是水溫一直處于上升態(tài)勢，發(fā)動機長時間運行時，會導(dǎo)致發(fā)動機過熱。

通過綜合分析圖2—4可以得出：規(guī)格B硅油離合器風(fēng)扇最優(yōu)，此時發(fā)動機的進水溫度、出水溫度和機油溫度都在理想數(shù)值范圍內(nèi)。另外兩種規(guī)格的硅油離合器風(fēng)扇會導(dǎo)致發(fā)動機工作溫度過低或過熱，都不利于發(fā)動機的正常運轉(zhuǎn)。

5.2 發(fā)動機暖機時間評價

發(fā)動機暖機過程指的是發(fā)動機點火成功后，機內(nèi)冷卻水和機油從較低溫度上升至正常溫度的過程，該過程主要包括拖動、啟動、后起動和暖機4個階段。該過程的長短，直接影響發(fā)動機各總成的磨損和整機的排放性能。

通過多輪試驗，得出3種規(guī)格硅油離合器風(fēng)扇情況下的發(fā)動機實際暖機時間，如表2所示。

表2 不同規(guī)格硅油離合器風(fēng)扇的發(fā)動機暖機時間

從表2可以得出：硅油離合器風(fēng)扇的嚙合轉(zhuǎn)速對發(fā)動機暖機時間影響很小，發(fā)動機暖機時間主要取決于硅油離合器風(fēng)扇的嚙合溫度。

5.3 硅油離合器風(fēng)扇對功耗影響

通過硅油離合器風(fēng)扇的臺架試驗，得出了硅油離合器風(fēng)扇功耗與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，如圖5所示。

由圖5可得出：風(fēng)扇的功耗比較高，尤其是高轉(zhuǎn)速下。如果選用硅油離合器風(fēng)扇可以很明顯地降低功耗，達到節(jié)油效果。

同時從圖5可得出：硅油離合器風(fēng)扇在相同的嚙合溫度下，轉(zhuǎn)速越高消耗發(fā)動機的功率越大，所以在不影響發(fā)動機的冷卻能力情況下，盡量降低硅油離合器的嚙合轉(zhuǎn)速。

6 結(jié)論

通過硅油離合器風(fēng)扇與發(fā)動機的匹配試驗，得出硅油離合器風(fēng)扇與發(fā)動機匹配一般原則：

(1)硅油離合器風(fēng)扇選擇與發(fā)動機的進水溫度、出水溫度、機油溫度和暖機時間有關(guān)。

(2)選擇硅油離合器風(fēng)扇時，應(yīng)保證發(fā)動機工作在最佳溫度范圍內(nèi)，不能過低或過高。

(3)硅油離合器風(fēng)扇的嚙合溫度決定了發(fā)動機暖機時間長短，嚙合轉(zhuǎn)速對發(fā)動機暖機影響較小。

(4)在保證發(fā)動機冷卻系統(tǒng)正常工作情況下，硅油離合器風(fēng)扇的嚙合轉(zhuǎn)速應(yīng)盡量低，以降低發(fā)動機的功耗。

上述原則對于指導(dǎo)硅油離合器風(fēng)扇與發(fā)動機的匹配有重要意義，為以后發(fā)動機的開發(fā)提供參考。

【1】 張文昌.硅油風(fēng)扇離合器[J].柴油機設(shè)計與制造,2005(1)：56-57.

【2】 冉振亞,韓兆運,趙樹恩.中型車用新型硅油風(fēng)扇離合器的設(shè)計[J].機械制造和設(shè)計,2003(3)：12-13.

【3】 關(guān)立哲,王威.發(fā)動機冷卻系統(tǒng)研究綜述[J].內(nèi)燃機與配件,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

趙前進(1981—)，男，學(xué)士，工程師，研究方向為發(fā)動機熱管理。E-mail:dsxing1985@163.com。