商用車電控硅油風扇轉速高故障分析與優化

0 引言

電控硅油風扇是商用車領域中一種應用較為普遍的風扇類型，已經成為車用發動機冷卻系統的重要部件之一。電控硅油風扇的硅油離合器不僅可以減少發動機的有效功率損耗提高發動機經濟性，而且可以減少發動機排放，降低發動機振動與噪聲，提高發動機使用壽命

。因風扇離合器無法嚙合或嚙合效果不佳導致的失效，進而引起整車冷卻效果不佳及水溫高的故障已有成熟的經驗和應對方案

。因風扇硬件故障或電控數據標定原因導致風扇轉速異常偏高，進而引起風扇長時間無法準確響應ECU控制的故障，在當前ECU策略中無法識別、缺少診斷邏輯，但風扇已經處于異常工作狀態，會導致整車運行水溫偏低、油耗增高問題。

1 風扇介紹及對比

商用車風扇主要包括機械剛性風扇、普通硅油風扇、電磁風扇、電控硅油開環風扇、電控硅油閉環風扇、電子風扇和液壓風扇等類型。

式中,x為輸出向量,ε為加性噪聲污染。假設加性噪聲ε符合均值為0,方差為的正態分布,即則觀察值y的先驗分布為

機械剛性類型風扇與發動機通過皮帶直接連接，與發動機轉速一直保持固定速比，功耗浪費現象嚴重，而且當發動機低速運轉時，冷卻系溫度強制散熱，容易造成發動機溫度過低。

普通硅油類型風扇通過硅油做介質，當發動機負荷增加水溫升高時，從散熱器吹來的熱空氣使雙金屬感溫片受熱而扭轉變形，帶動閥銷一起轉動并通過感溫片變形量的大小控制進油閥開度，在液體摩擦作用下，風扇離合器嚙合，從動板隨主動板一起轉動，風扇開始工作。當發動機熱負荷降低時，氣流溫度也隨之降低，感溫片回轉帶動閥銷關閉閥孔，工作腔內的硅油在慣性力作用下流回貯油室，風扇離合器脫開，“空轉”運行避免了一定的功耗浪費

。但普通硅油風扇存在無法連續調速的缺點，而且感溫片感知的散熱器后處環境溫度與散熱器內的冷卻水真實溫度存在差異，部分工況下存在感知溫度與實際冷卻水溫度差異大的問題。普通硅油風扇的外形實物圖見圖1。

電控硅油開環類型風扇是一種“開關”型風扇，控制線束只有控制電磁閥的兩個針腳，只需設定風扇的開啟溫度和關閉溫度。硅油開環風扇通過控制電磁閥的開關狀態來實現風扇離合器工作腔內的硅油量發生變化，繼而實現風扇空轉或全速運轉，功能類似于兩速電磁風速。電控硅油開環類型風扇標定簡單，占用時間短，但水溫波動范圍大，風扇不帶風扇轉速傳感器，只能實現兩級轉速調節，同樣存在無法連續調速和轉速精準控制的缺點

。

近紅外光譜儀（Near Infrared Spectrum Instrument，NIRS）是介于可見光（Vis）和中紅外（MIR）之間的電磁輻射波，美國材料檢測協會（ASTM）將近紅外光譜區定為780～2 526nm，是人們在吸收光譜中發現的第一個非可見光區。

電磁類型風扇主要根據發動機回水管水溫變化或整車部件冷卻需求來控制風扇轉速，由于其傳遞和切斷動力時都受電磁力的作用，因此稱為電磁離合器風扇。電磁類型風扇的轉速響應快于硅油類型風扇。電磁離合器風扇一般分為兩速電磁風扇和三速電磁風扇兩種，根據電磁閥溫控開關的數量(一般為一個或兩個)來實現風扇的兩級或三級轉速調節，使得風扇工作更合理。當發動機剛起動或水溫較低時，電磁閥處于斷開狀態，風扇在軸承慣性作用下維持怠速空轉，水溫升高或整車相關部件散熱需求達到標定溫度時，發動機控制器或整車控制器輸出電磁閥閉合指令，風速轉速從怠速空轉提高至二檔轉速或三檔轉速進行冷卻，但存在無法連續調速和故障率高的缺點。

電控硅油閉環類型風扇實際上是指風扇的電控硅油離合器閉環控制。電控硅油閉環風扇的外形實物圖見圖2，控制線束含有5個針腳，2個針腳控制電磁閥開度，另外3個針腳為風扇轉速傳感器用。風扇離合器閉環控制，首先基于發動機冷卻液溫度、發動機進氣溫度、發動機潤滑油溫度、空調信號、緩速器信號、制動信號、整車信號、風扇熱滑差保護等因素，確定風扇設定目標轉速。然后根據當前發動機轉速和風扇設定轉速查詢預設的前饋控制MAP值，并根據風扇設定轉速與當前實際風扇轉速的偏差通過PID標定參數調節得到電磁閥 開度修正值，該修正值重新調整電磁閥開度，從而使電控硅油離合器工作腔內硅油量發生變化，繼而調整風扇轉速。得到新的風扇轉速再與風扇設定值比較，再通過PID調節電磁閥開度，這樣反復修正，始終保持風扇當前轉速與風扇設定轉速一致

。電控硅油閉環類型風扇可以連續調速，風扇轉速實現了精準控制，節能降噪效果明顯，但硅油介質的屬性決定了硅油風扇從全嚙合狀態分離至怠速空轉狀態的時間一般比電磁風扇和電子風扇慢。

“我不走，我的家鄉本來就已經回不去了，我要和你一起堅守在這里。”我握住了他的手，那是我第一次握他的手，他的手溫潤、厚實，上面還有著鮮血的溫度。握著他的手，我感到前所未有的踏實。只要和他在一起，我忽然覺得什么都不怕了，我不怕他心中有她人，我不怕城破人亡，我只知道，我要和他在一起面對，永遠不離不棄。

試驗車上通過復現相應工況和多個穩態工況，對電控硅油閉合類型風扇的轉速PID標定參數進行多組優化嘗試，轉速異常偏高現象沒有得到改善，分析此次故障不是PID參數標定不合理造成，而且電控數據標定原因一般會帶來批量的同類型故障，出現偶發性故障的概率較低。嘗試更換同批次的另一個風扇離合器硬件，安裝完成后再次復現該工況，風扇轉速可以正常跟隨設定轉速0r/min，風扇轉速異常偏高現象消失，風扇表現見圖4，更換其他工況后同樣沒有再出現風扇轉速異常偏高現象，認為問題得到解決。

2 風扇故障及分析

一款匹配電控硅油閉環類型風扇的重型自卸車，在整車油耗路譜循環試驗中發現，風扇的實際轉速存在長時間異常偏高問題，具體表現為：發動機控制器ECU中的策略輸出的風扇設定目標轉速一直為0，風扇離合器雖然分離(表現為風扇實際轉速低于發動機轉速)但風扇實際轉速遠高于正常怠速(該款風扇廠家提供的正常怠速空轉值為100r/min-200r/min，從全速嚙合狀態分離至怠速空轉狀態的時間低于30s)，故障數據見圖3。

例如在實驗“粗鹽的提純”中，教師首先在實驗室播放相關的實驗視頻，要求集體學生認真觀看.而后教師按照標準步驟和實驗要求復原該實驗過程，并詳細講述“操作不慎導致坩堝炸裂”、“酒精燈傾倒在桌面上”等問題，令學生明白化學實驗的的潛在危險性，進而在腦海中樹立強烈的保護自我的意識，將自身行為和思想統一到“謹言慎行”的地步，最終安全順利的完成該實驗.

診斷邏輯具體說明如下：

電控硅油閉環類型風扇的常見故障中，有些故障原因為離合器硬件功能失效，表現為風扇脫離不開即風扇一直同發動機同步運轉或一直怠速運轉；有些故障原因為中心軸承斷裂或燒死；有些故障原因為線束裝配時沒有裝好，或者線束線圈卡死造成線束插接件脫落、線束被打斷、短路或斷路致使風扇不能正常運轉；有些故障原因為焊縫開裂漏硅油、法蘭斷裂；有些故障原因為局部溫度高導致硅油碳化，硅油粘度下降使得風扇離合器滑差增大或不嚙合，硬件或工藝類的原因往往較難排查。

情況二、風扇離合器已經分離但實際轉速長時間遠高于正常怠速的情況判定：

當前計算機程序設計的主線仍舊是面向客戶要求的程序設計和數據抽象。為了提高計算機編程語言的簡單便捷、適應大眾，編程語言必須簡單易學，不需要較高的專業性。編程語言要以能夠為使用者提供便捷性的方向發展，使具備一定基礎概念和基本使用能力的使用可以使用軟件進行簡單的工作流程編寫工作，提升操作的簡便性和軟件的適用范圍。

電控硅油閉環風扇相比前4種類型風扇，通過自帶轉速傳感器和ECU策略設定實現風扇轉速閉環的精確控制，相比全速或開環運轉，減少能耗浪費和車輛噪音；相比電子風扇，不存在缺少大功率成熟產品而無法解決極端工況散熱的情況，可以廣泛用于重型商用車；相比液壓風扇，無需液壓馬達/泵及管路等額外部件，價格便宜，布置方便

。

3 風扇故障的診斷優化

結合本次電控硅油閉環類型風扇的故障現象和分析處理經驗，本文給出一種此類軟故障的診斷邏輯，實現自動診斷和故障碼生成，改善因風扇故障帶來的水溫低、油耗高現象，邏輯見圖5。

圖3中，黑色曲線為路譜循環的車速信號，紅色曲線為發動機轉速信號，綠色曲線為風扇實際轉速信號，紫色曲線為風扇設定目標轉速，橫坐標為時間信號。圖3中的前600秒時間內(橫坐標值1000s～1600s時間段)，風扇實際轉速上沖并在300r/min-750r/min持續波動，高于風扇正常怠速值；600秒后(橫坐標值1630s～1820s時間段)，整車路譜循環運行至高速分部，車速和發動機轉速提高并穩定在較高數值狀態，此時風扇轉速出現上沖并在900r/min-1100r/min范圍內持續波動，長時間不響應設定目標轉速0r/min，整個過程中無電控故障碼報出，但風扇轉速異常偏高，導致整車運行水溫降低、油耗增高。

“在崖洞邊上，我找到了一個蛋，你看。”我吃驚地看著她朝我伸出空無所有的細爪，喉嚨一陣陣發緊。“我追那些一閃一閃的白影子，累得胸膛都破碎了。”

情況一、風扇離合器長時間無法分離判定：

3.1.1)風扇當前沒有電磁閥開路故障報錯；

3.1.2)風扇設定轉速與發動機轉速的差值小于判定限值Nset1，認為ECU策略要求風扇離合器分離并降低轉速；

3.1.3)風扇實際轉速與發動機轉速的差值高于判定限值Nset2，認為風扇離合器實際未分離 ；

3.1.4)上述三個條件同時滿足，且持續時間超過離合器允許最長分離時間閾值T0；

結合電控硅油閉合類型風扇的電控和機械原理，分析此次風扇故障時的整車試驗過程數據，推測故障原因有兩方面可能，一方面是控制器中預設的風扇PID控制參數標定不合理或未兼顧常用轉速區域

，另一方面是風扇離合器出現內部貯油腔密封不良、內部閥孔失效等硬件故障。

3.2.1)風扇實際轉速與發動機轉速的差值小于或等于判定限值Nset2，認為風扇離合器實際已分離；

3.2.2)風扇設定轉速為0；

3.2.3)每一個計數周期T內的風扇實際轉速取算式平均值Nt，Nt與風扇正常怠速標準值比較，差值高于判定限值Nset3時，認為風扇實際轉速長時間遠高于正常怠速(風扇正常怠速標準值，由風扇廠家或風扇零部件試驗臺測試后提供，需要風扇在正常狀態下取怠速波動范圍的算術平均值)。

如今，藍寶石是國際公認的五大寶石之一，位于鉆石、紅寶石之后，排名第三。藍寶石和紅寶石互為姐妹寶石，他們都屬于剛玉礦物，是除了鉆石以外地球上最硬的天然礦物，基本化學成分都為氧化鋁。

3.2.4)上述三個條件同時滿足，且持續時間超過離合器允許最長分離時間閾值T0；

其中，限值Nset1、限值Nset2、分離時間閾值T0 、限值Nset3的默認取值，可以根據不同車輛及風扇特性的差別進行修改和標定。

當上述的兩種情況滿足任意一種時，認為電控硅油閉環風扇存在離合器長時間無法分離或雖然分離但實際轉速遠高于正常怠速的異常現象，ECU報出風扇轉速異常偏高類故障，可以及時提醒，縮短故障發現和排查周期。

紗線條干不勻常以質量不勻率(線密度不勻率、條下不勻率)、直徑不勻率和捻度不勻率等不同的形式表現，其中直徑不勻率對紡織品外觀質量的影響最突出[1]，直徑不勻率是由于紗線表面有形狀不規則的突出物。目前沒有相關文獻對紗線表面突出物進行詳細的描述。遲開龍、潘如如以4種不同規格的純棉紗線為例，提出一種基于數字圖像處理技術檢測紗線條干不勻率的方法，并發現紗線表面具有突起[2]。毛羽作為紗線突出物最主要的組成部分，國外對紗線毛羽有了一定的研究。Zheng-Xue和Tang研究了環錠紡毛羽對紗線表面摩擦系數的影響，發現表面摩擦系數隨著錠速增加而減小，當錠速達到一定程度，表面摩擦系數趨向于零[3]。

4 結論

本文基于一款商用車電控硅油風扇故障，分析故障原因并完成解決和驗證，將故障分析經驗固化成診斷邏輯，對電控硅油閉環風扇轉速異常偏高的一類軟故障的診斷和分析具有一定指導意義。

[1]賈衛,孫軍等.發動機硅油風扇離合器研究現狀、討論與展望. 機械設計,2019,36(05).

[2]劉正耀,胡水洋等.硅油風扇離合器失效模式分析. 裝備維修技術, 2016,(01).

[3]王益有.硅油風扇離合器匹配設計的研究.華南理工大學，2010.

[4]王奕睿,郭虎等.開關型電控硅油風扇標定策略及離合器性能分析.內燃機與配件,2018,(03).

[5]李邦松.電控硅油風扇離合器結構設計和控制分析.自動化應用，2018,(06).

[6]馮永安.客車冷卻風扇液壓系統設計.客車技術與研究,2019,41(02).

[7]張小康,王磊等.重卡電控硅油風扇標定優化及試驗驗證.汽車實用技術,2015,(08).