淺析電控風扇對某重卡等速油耗的影響

曹鳳明

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

為提升發動機的燃油經濟性，提高市場競爭力，許多重型商用車生產廠商在國Ⅴ排放階段，開始匹配電控風扇。電控風扇是一種恒溫扇，采用電控風扇，發動機可通過ECU自動調節風扇的轉速，使整車的水箱溫度、中冷器溫度及冷凝器溫度壓力始終保持在合理的工作范圍，保證發動機一直運行在最佳熱效率的溫度，可改善整車的動力性，明顯提升整車的燃油經濟性。在節能的同時，還可以減少一氧化碳等廢氣的排放，減少發動機磨損，延長發動機的使用壽命。

本次分析及驗證，采用的電控風扇為電控硅油離合器風扇，該類風扇的優點是可實現風扇轉速的連續可調，是目前應用較多的一種電控風扇。

1 測試車輛及測試條件的選擇

1.1 等速油耗改善效果影響因素分析

經分析，電控風扇的節油效果受散熱器和中冷器的散熱能力、冷凝器壓力控制策略、風扇的控制邏輯等諸多因素影響，因此在不同的車型，即使匹配同一款風扇，其節油效果也可能存在較大的差異。電控風扇的影響因素復雜，要全面評估其節油效果較為困難。

本次節油效果的評估，是針對某成熟的牽引車，采用某特定的風扇和特定的風扇控制策略所能達到的節油效果。在分析和試驗過程中，考慮的主要影響因素為水溫，因此選擇采用較低的環境溫度和關閉空調的方法，排除進氣、空調控制等因素的影響。

1.2 整車基本參數

表1 整車基本參數Tab.1 Truck Parameters

整車基本參數如表1所示，車輛常用車速為90km/h。

1.3 測試條件

測試油耗時，保證合理的環境溫度（20℃），關閉空調。風扇轉速與水溫控制策略采用如下的對應關系：

表2 水溫與風扇轉速對應關系表Tab.2 Coolant Temp. vs Fan Speed

2 等速油耗改善效果計算方法

2.1 建立整車CRUISE模型

應用電控風扇后，整車等速油耗的改善效果計算采用目前應用廣泛的AVL公司的CRUISE軟件，在軟件中輸入整車的相關參數，設定計算任務。為了提高仿真的精度，行駛阻力采用道路試驗的滑行阻力。

圖1 整車CRUISE模型Fig.1 Truck CRUISE model

2.2 風扇消耗功率分析

圖2 風扇功率消耗圖

風扇運行時消耗的功率，與扇葉型式、風扇直徑、風扇轉速、每秒通風量相關。本次驗證采用的風扇為某風扇廠家提供的直徑730的環形風扇。考慮通風量對風扇功率影響較小，為簡化計算，可以忽略。經過分析和整理后，風扇的消耗功率近似為如圖2曲線。

2.3 風扇自動控制狀態和風扇直連狀態的整車等速油耗的模擬計算方法

對于匹配電控風扇的發動機，在采用合理并且較低的環境溫度，關閉空調，排除中冷器和冷凝器對風扇轉速的影響的情況下，散熱器的散熱能力對風扇的運行狀態有顯著影響。本次等速油耗的改善效果評估采用的車輛，標配大散熱器，散熱能力強，整車在路況良好的道路上等速行駛時，車輛的迎風可基本滿足散熱需求，等速行駛時，風扇基本處于滑轉狀態，不需要消耗額外的功率，風扇在上坡、不良路面、大功率輸出時，提供輔助散熱。

綜上，風扇自動控制狀態的整車油耗，可近似由風扇滑轉狀態的整車油耗代替，故節油效果可近似由下列公式得到：

上式中各參數含義如下：

E節油效果—應用電控風扇后的節油效果

Q風扇直連—風扇處于直連狀態時，整車的等速油耗

Q風扇滑轉—風扇處于滑轉狀態時，整車的等速油耗

2.3.1 風扇滑轉時等速油耗計算方法

通過風扇廠商提供的信息，風扇在滑轉狀態下轉速約為200r/min，查圖2可知，風扇1000r/min轉速，消耗的能量約2kW，推算在200r/min轉速下，消耗能量會更小。為計算方便，把風扇滑轉時功率消耗近似為0。

2.3.2 風扇直連時等速油耗計算方法

計算風扇直連時的等速油耗時，考慮將風扇的功率消耗，體現到傳動系統傳動效率的改變中。

以60km/h為例，風扇滑轉下發動機輸出功率P滑=，風扇轉速n風扇=，查圖2可得到風扇的消耗功率約為4.5kW。

將風扇的功率消耗折合為傳動效率的損失，折合后的傳動效率為，按該傳動效率重新計算發動機油耗，可得到60km/h車速下風扇直連狀態的等速油耗。

其余車速的計算方法與上述方法相同。

2.4 等速油耗改善效果分析

按1.2.3.1及1.2.3.2的計算方法，得到如下計算匯總結果：

表3 不同風扇狀態油耗對比（理論值）Tab.3 Diesel Consumption of Different Fan Status (Calculation)

如表 3，應用電控硅油離合器風扇后，預計理論節油效果約為5-8%，且隨著車速增加，等速油耗改善效果更為明顯。

3 試驗驗證

在轉轂試驗臺架上進行測試驗證，在風扇自動控制狀態、直連狀態按車輛動力經濟性試驗規范各進行一次試驗，記錄等速油耗。試驗數據記錄如下：

表4 整車油耗及風扇轉速（風扇自動控制狀態）Tab.4 Diesel Consumption and Fan Speed (With Electric Controlled Viscous Clutch Fan)

表5 整車油耗及風扇轉速（風扇直連狀態）Tab.5 Diesel Consumption and Fan Speed (With Direct Connected Fan)

3.1 cruise計算模型精度驗證

由于風扇直連狀態整車油耗理論計算值是在風扇滑轉基礎上進行的，故通過表3中風扇滑轉狀態等速油耗與表4中等速油耗進行對比，對cruise模型計算精度進行驗證，驗證結果如下如下：

表6 cruise計算模型精度驗證Tab.6 Cruise Model Accuracy Verification

通過表 6對比看出，理論計算值與試驗值偏差均在 5%以內，Cruise模型的計算精度較好。

3.2 節油效果試驗驗證

表7 不同風扇狀態油耗對比（試驗值）Tab.7 Diesel Consumption of Different Fan Status (Experiment)

經過試驗驗證，應用電控硅油離合器風扇后，試驗驗證的節油效果約為1-8%，且隨著車速增加，節油效果也逐漸明顯。節油效果的變化趨勢與理論分析基本保持一致。

4 數據偏差分析

4.1 理論油耗值與試驗油耗值的偏差分析

Cruise模型中，傳動效率設置原則會影響等速油耗的計算值。

對于車輛的最高檔，車輛的變速箱傳動效率η變速箱≥98%，后橋傳動效率η后橋≥94%，總傳動效率η實車=η變速箱×η后橋≥92.12%。

為計算方便，在計算模型中，變速箱傳動效率設置為98%，后橋傳動效率設置為94%，均為下限值，導致油耗理論值比試驗值偏大。

4.2 理論節油效果與試驗節油效果偏差分析

應用電控硅油離合器風扇后，節油效果試驗值要差于計算值，經分析主要有以下幾個因素：

4.2.1 風扇滑轉時

也會消耗功率，但該功率很小，為計算方便，忽略了風扇滑轉的功率消耗。在計算節油效果時，會導致節油效果略偏高。

4.2.2 試驗時

風扇自動控制狀態下，風扇的轉速并非一直處于滑轉狀態，存在一定的轉速波動，風扇轉速提高也會相應地增加油耗，故該狀態下油耗計算值比理想狀態下會略高。

5 結論

匹配電控風扇對整車的油耗會有較為改善，本文主要目的是對改善的效果做定量分析，并進行試驗驗證。經過分析和驗證，可得出如下結論：

5.1 相對于直連風扇

電控風扇理論分析的節油效果約為5-8%，試驗驗證的節油效果約為 1-8%，理論分析與試驗驗證的節油效果基本一致。

5.2 在某一確定的檔位下

應用電控風扇后等速油耗的改善效果與車速密切相關，車速越高，等速油耗的改善越明顯。等速油耗的改善效果的變化趨勢與理論分析保持一致。

5.3 在風扇相關的參數不完整的情況下

可以將不同車速下的風扇功率整合并體現在傳動系統的傳動效率的損失中。經過試驗驗證，該方法的精度可以滿足分析的需求。

參考文獻

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