淺析重型商用車發動機風扇對空調冷凝器散熱的影響

陳 炳

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

重型商用車（以下簡稱重卡）對于用戶的概念基本與家相同，特別是長途物流，車可認為是移動之家，適宜的車內微氣候是維持車內乘員人體熱平衡，保持體溫調節處于正常狀態的必要條件，若車內微氣候的變動超過一定范圍，人體的體溫調節就會處于一種緊張的狀態，長此以往將影響人體的神經、消化、呼吸和循環系統的功能，造成緊張、疲憊、工作效率低，反應遲鈍或誤操作引發的安全事故，故汽車空調平衡車內的微氣候的作用對于用戶尤為重要[1]。

1 重卡空調制冷系統及布置簡介

空調制冷系統的兩大功能主要為炎熱氣候環境下的降溫，及高濕環境下的除濕，從而平衡車內微氣候，保持車內的舒適環境。該系統由壓縮機、冷凝器、空調主機、控制器及其管路組成（圖1），其中冷凝器是系統中散熱模塊，內部流道流入的制冷劑為高溫高壓氣態制冷劑，通過扁管和翅片，與外界空氣進行熱交換，從而將氣態制冷劑向液態轉變，過程中會釋放出大量熱量，最終在冷凝器內部流道出口處流出的是液態高壓制冷劑[2]。

圖1 空調系統結構布置圖

冷凝器作為系統中唯一的散熱模塊，其散熱性能的優劣直接影響著空調制冷效果，經試驗數據表明（表1），冷凝器的進風風速與冷凝器換熱性能成正比。

表1 冷凝器性能參數表

目前重卡普遍將冷凝器與前端冷卻（中冷器和水箱）集成，且布置在發動機之前，即發動機風扇之前（圖2），整車怠速工況時冷凝器散熱依靠發動機風扇，正常行駛時散熱依靠發動機風扇+迎面風。

圖2 重型商用車布置圖

2 重卡發動機風扇的演變史

重卡的布置結構說明發動機風扇直接影響空調冷凝器的散熱效果，在演變過程中，發動機風扇出現過多種結構型式，最初是剛性風扇，即風扇轉速為發動機轉速與速比乘積，該種結構的風扇不控制，只要整車啟動后風扇就一直處于高速轉動，由于進風風速達，冷凝器散熱良好，空調性能表現不錯，但油耗較高；為解決油耗問題，發動機風扇進入了第二階段，發動機廠開始推廣普通硅油風扇，相比于剛性風扇，該種結構增加了硅油腔（圖3），風扇轉速由發動機轉速和硅油腔內的硅油量決定，而控制硅油量的“控制器”為簡單的感溫包，通過溫度前方的水箱溫度，實現對硅油腔閥門控制，從而控制硅油量，但溫度未達到控制點前，風扇一直以最低轉速（即跟轉）運轉，達到控制點后提速到最大轉速。

圖3 普通硅油風扇實物

通過普通硅油風扇的響應機制中可知，其只對發動機水溫進行響應控制，無法感知到其他的需求，也無法對其他需求開展響應，故推行后，由于空調開啟，風扇并未響應并一直處于最低轉速，此時冷凝器進風風速低，換熱量小，散熱性能差，從而出現市場上普遍反饋空調效果差的問題；為解決油耗與空調性能這一矛盾，發動機風扇結構進入到第三階段，電控階段，即發動機ECU 通過電信號傳輸，采集到水溫、進氣溫度及空調這些對發動機風扇由需求的信號，通過算法分析，精準控制硅油腔的閥門開啟及關閉程度，從而實現風扇轉速的控制（圖4），該種結構同時兼顧空調及發動機，是當前主流技術路線。

圖4 電控硅油風扇原理結構圖

3 電控硅油的幾種響應機制及其對冷凝器散熱的影響

在接收到空調請求信號后，不同發動機ECU 的響應機制也存在略微不同，主要有定轉速控制，直連控制，及雙條件的直連控制，以下主要闡述這幾種的控制方式及對冷凝器散熱的影響。

3.1 定轉速控制響應機制

發動機ECU 接收到空調請求信號后，隨即讓風扇達到某一轉速，該理論轉速與發動機轉速無關，是響應機制下理想的目標值，目前常見的風扇定轉速為800 rpm。

對于空調冷凝器散熱影響：在整車怠速時，受定轉速值和發動機怠速（約650 rpm）實際能提供的轉速值雙影響，風扇實際轉速只能達到其較小值，這也幾乎等于直連，此時發動機轉速低，空調壓縮機轉速也低，空調系統所需的散熱需求不大，故冷凝器散熱良好；正常行駛條件下，發動機一般會落到經濟轉速中（重卡經濟轉速為1 000 rpm～1 500 rpm），此時壓縮機轉速升高，空調系統所需散熱能力加大，如果整車在低速行駛下，由于迎面風不足，定轉速值又限制了冷凝器的散熱，從而影響空調制冷效果，而如果整車在高速行駛，此時迎面風增大，迎面風+定轉速風量滿足冷凝器散熱，空調效果較好；故對于牽引、載貨車這類以高速運行為主的車型，運用該機制風險不大，而對于攪拌、工程、城市灑水/清潔車輛這類低速行駛車輛，具有一定的風險性。

3.2 直連控制響應機制

發動機ECU 接收到空調請求信號后，即讓風扇達到最大轉速，為百分百的響應，該轉速與發動機轉速息息相關，是發動機轉速與風扇速比的乘積，類似剛性結構型式（空調信號控制回路圖見圖5）。

圖5 直連控制原理圖

對于空調冷凝器散熱影響：由于風扇對空調的響應達到最大值，一般都能滿足冷凝器散熱需求，整車制冷效果良好。

3.3 雙條件的直連控制響應機制

某些廠家也認為直連控制并不是最佳平衡點（綜合油耗/空調/水溫下的最理想狀態），比如車輛高速行駛下，整車迎面風就能滿足冷凝器散熱效果，此時ECU 雖然接收到空調開啟信號，但出于節油考慮，風扇無需百分百響應，無需提速到直連狀態，故需在空調信號的基礎上，再引入其他有關空調的條件，常見的是引入空調系統壓力，即空調信號+系統壓力雙條件下的直連控制響應機制，經驗證該方案比直連控制節油約3 %。原理實現方面，在空調請求控制回路上，串聯進系統中壓壓力值（見圖6）。

圖6 雙條件直連控制原理圖

該機制在高速行駛下風險不大，但在低速或者怠速時，由于此時風扇對冷凝器的散熱起到主要作用，冷凝器一旦散熱不良，系統壓力就會上升，達到系統壓力控制點后，才會觸發風扇的響應，而風扇響應后，系統壓力立即會下降，低于控制點后，風扇會立刻停止響應，故風扇會頻繁響應/停止，而空調系統壓力也會出現頻繁跳動問題，對空調系統及風扇都存在可靠性問題，為解決這一矛盾，延時控制（接收到信號后，風扇限制最短工作時間）的思路完美地解決了該問題，比如低速下的180 s 延時控制（車速＜臨界值（9.6 km/h）），及常規下的30 s 延時控制（康明斯控制策略見圖7）：

圖7 康明斯控制策略

對于空調冷凝器散熱影響：理想狀態下，只要設定的壓力值合適，風扇能滿足冷凝器的散熱需求，但實際情況是硅油風扇提速有一定的滯后性，硅油完全進入到硅油腔后才會完全響應，此過程需要物理時間，與硅油腔結構設計、選擇的硅油黏性及當前發動機轉速等都有關系，比如發動機1 300 rpm，環境溫度為35 ℃時，測試出來的物理時間為4 s，而怠速時間就會很長，發動機冷機情況下，物理時間能達到5 min以上，該種響應機制需要更多條件下的道路標定，以匹配系統合適的中壓值。

4 驗證

不管何種響應機制，為降低風險及平衡冷凝器散熱需求，都需要有針對性地開展相關的散熱性能測試，或者整車空調環境倉/道路試驗。

整車道路試驗：按行標QC/T 658 開展汽車空調制冷系統性能道路試驗，整車在完成升溫后，汽車以 40 km/h 的車速穩定行駛45 min 后，再以 60 km/h 的車速穩定行駛 15 min～20 min，采集下系統壓力、出風口溫度、駕駛室內的溫度等數據，并進行評判是否達標。

風速測試及仿真分析：在基礎型車型開發完成后，由于變動變形產品短平快的特點（這種開發模式在重卡上非常常見），這類產品的驗證確認工作就需要開展仿真分析，以確認是否需要再試驗，此時冷凝器仿真模型已經成型，其散熱性能主要要評價整車進風風速，故需要測試整車不同工況下（怠速、低速、高速）冷凝器的進風風速，該風速間接反應發動機風扇的響應情況。

5 結論

重型商用車發動機風扇的不同結構型式以及主流電控硅油風扇的不同響應機制下，都對冷凝器散熱有著直接的影響，并且影響著駕駛室內的微環境，甚至影響著人身安全，故在產品開發過程中，空調系統設計人員需要特別關注發動機風扇這一關鍵邊界點，做好充分的校核及驗證工作，以確保空調冷凝器的散熱需求得到充分滿足。