硅油離合器風扇與發動機匹配研究

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中心，上海 201206)

硅油離合器風扇與發動機匹配研究

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中心，上海 201206)

以安裝有硅油離合器風扇的四缸發動機為研究對象，采用了試驗對比分析方法，對不同嚙合溫度和不同嚙合轉速的硅油離合器風扇進行試驗，研究硅油離合器與發動機的匹配。通過對比試驗得出：當發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扇冷卻能力，嚙合溫度只與發動機暖機有關，同時硅油離合器的嚙合轉速高低決定風扇冷卻能力大小。

硅油風扇離合器；發動機；匹配

0 引言

社會經濟不斷發展，人們的環保意識以及節能意識也都在不斷地加強，對發動機的性能要求也越來越高。在發動機上冷卻系統的傳統設計中，風扇是和發動機剛性連接的，即發動機運轉、風扇就運轉。因此只要發動機運行，風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，有80%以上的時間是不需要風扇轉動的，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。為了節約這部分能量，硅油離合器風扇應運而生[1]。現在硅油離合器風扇為新技術，國內外針對硅油離合器風扇與發動機的匹配研究較少，以往這種風扇的選型都是通過經驗或對標來實現，無法實現最優方案。

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

1 硅油離合器風扇工作原理

硅油離合器風扇以硅油為傳動介質，利用其高黏度特性傳遞扭矩，它可以隨發動機溫度變化自動調節風扇的風量。硅油離合器風扇的基本原理為：當發動機溫度較低時，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；當發動機溫度較高時，硅油離合器可提供有效嚙合，從保證正常驅動能力[2]。

2 試驗原理

發動機和整車冷卻系統零部件(水泵、散熱器、風扇、節溫器等零部件)如圖1所示。當發動機出水溫度低于節溫器初開溫度時，發動機運行小循環；出水溫度高于全開溫度時發動機則運行大循環；介于初開溫度和全開溫度的情況下發動機大小循環同時運行。對于不同發動機，節溫器的初開和全開溫度也不相同，同時風扇的轉速也不相同。

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

3 試驗條件

試驗環境為：標準大氣壓，溫度為28 ℃。試驗室開抽氣機，在發動機正前方放置一鼓風機，來模擬整車狀態。風扇和散熱器以及護風圈之間的距離完全符合整車要求。

選用3個規格的硅油離合器風扇 A、B、C，其參數如表1所示。

表1 3個規格的硅油離合器風扇參數匯總

發動機的運行工況是：轉速3 500 r/min(風扇轉速為4 375 r/min),功率105 kW。

4 試驗方法

在同一臺發動機上，發動機在一定工況下運轉，通過選用不同參數的硅油離合器風扇，監測發動機的進水溫TWI、出水溫度TWO、機油溫度TOIL、暖機時間t，綜合評價3個參數，從而得出發動機冷卻系統的優劣[3]。

根據一些發動機設計咨詢公司經驗，發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

對于硅油離合器風扇與發動機匹配評價，主要考慮發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 發動機工作溫度分析

通過3輪試驗，得到3種規格硅油離合器風扇下，發動機工作溫度數據如圖2—4所示。

從圖2可以得出規格A硅油離合器風扇與發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:發動機出水最高是92 ℃左右，最低77 ℃左右，同時發動機水溫已基本穩定,但是發動機的穩定水溫偏低。

從圖3可以得出規格B硅油離合器風扇與發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:發動機出水最高是97 ℃左右,最低84 ℃左右，同時發動機水溫已基本穩定,發動機的穩定水溫在比較合理的水溫范圍內。

從圖4可以得出規格C硅油離合器風扇與發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勢，發動機長時間運行時，會導致發動機過熱。

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

5.2 發動機暖機時間評價

發動機暖機過程指的是發動機點火成功后，機內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種規格硅油離合器風扇情況下的發動機實際暖機時間，如表2所示。

表2 不同規格硅油離合器風扇的發動機暖機時間

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

5.3 硅油離合器風扇對功耗影響

通過硅油離合器風扇的臺架試驗，得出了硅油離合器風扇功耗與轉速之間的關系，如圖5所示。

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

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

6 結論

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

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

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

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

(4)在保證發動機冷卻系統正常工作情況下，硅油離合器風扇的嚙合轉速應盡量低，以降低發動機的功耗。

上述原則對于指導硅油離合器風扇與發動機的匹配有重要意義，為以后發動機的開發提供參考。

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

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

【3】 關立哲,王威.發動機冷卻系統研究綜述[J].內燃機與配件,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，學士，工程師，研究方向為發動機熱管理。E-mail:dsxing1985@163.com。