(上海柴油機(jī)股份有限公司，上海 200438)

0 引言

硅油離合器風(fēng)扇(簡(jiǎn)稱硅油風(fēng)扇)可以根據(jù)外界環(huán)境溫度和汽車工況改變其轉(zhuǎn)速，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度適宜。與普通直驅(qū)風(fēng)扇相比，硅油離合器風(fēng)扇能夠有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)能量消耗，達(dá)到降低整車油耗和噪聲的效果。從應(yīng)用歷程來看，汽車尤其商用車發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻風(fēng)扇發(fā)展已從最初的直驅(qū)式，到節(jié)能降噪效果更好的雙金屬片式(普通硅油風(fēng)扇)，再到如今性能更優(yōu)的電控式(電控硅油風(fēng)扇)。電控硅油風(fēng)扇雖具有更好的性能，但成本較高，在目前商用車市場(chǎng)使用率還較低。而普通硅油風(fēng)扇成本較低，也可適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，并根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷情況有自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速功能，達(dá)到節(jié)能降噪的效果；但其存在反應(yīng)滯后的特點(diǎn)[1]。因此，為發(fā)揮普通硅油風(fēng)扇最大的冷卻效果，需要準(zhǔn)確了解其滯后特性。本文通過分析普通硅油風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)和工作原理，以實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析普通硅油風(fēng)扇的滯后性，為車輛普通硅油風(fēng)扇設(shè)計(jì)應(yīng)用選型提供參考依據(jù)[2]。

1 普通硅油風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)及工作原理

普通硅油風(fēng)扇是以硅油為介質(zhì)，通過風(fēng)扇離合器來控制其轉(zhuǎn)速。在離合器內(nèi)部有黏性流體(硅油)，靠其剪切黏力傳遞轉(zhuǎn)矩。在風(fēng)扇前端裝有雙金屬片，用來感應(yīng)通過散熱器的空氣溫度，以此控制進(jìn)入離合器工作腔內(nèi)的硅油量，來實(shí)現(xiàn)控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。硅油風(fēng)扇結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，硅油風(fēng)扇的離合器主動(dòng)軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)，但此時(shí)離合器工作腔內(nèi)沒有硅油，風(fēng)扇主要受密封氈圈的摩擦力矩驅(qū)動(dòng)，以很低的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，但是與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有較大的滑差。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷增加時(shí)，流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液溫度迅速上升，發(fā)動(dòng)機(jī)大循環(huán)開啟，流經(jīng)中冷器的冷卻液增多，通過散熱器的熱空氣溫度便迅速升高，雙金屬片受到高溫的熱空氣影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，然后帶動(dòng)離合器內(nèi)閥片軸轉(zhuǎn)動(dòng)，再帶動(dòng)閥片偏轉(zhuǎn)，此時(shí)進(jìn)油孔打開，硅油從儲(chǔ)油腔流入工作腔，風(fēng)扇開始嚙合。當(dāng)流經(jīng)雙金屬片的氣流溫度超過感應(yīng)溫度時(shí)，進(jìn)油孔完全打開，此時(shí)工作腔內(nèi)充滿了硅油，主動(dòng)板即利用硅油的黏性剪切作用，帶動(dòng)風(fēng)扇(殼體)高速旋轉(zhuǎn)，此時(shí)硅油離合器處于完全嚙合狀態(tài)。在此狀態(tài)下，硅油會(huì)不斷從工作腔流到儲(chǔ)油腔，再從儲(chǔ)油腔流回工作腔，往復(fù)循環(huán)，以防止工作腔中的硅油溫度過高而導(dǎo)致離合器產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷下降時(shí)，冷卻液溫度降低，大循環(huán)關(guān)閉。當(dāng)流經(jīng)散熱器后的氣流溫度下降到一定程度時(shí)，雙金屬片會(huì)恢復(fù)到原來的位置，閥片進(jìn)油孔隨即關(guān)閉。此時(shí)，工作腔內(nèi)的硅油不斷從回油孔流回儲(chǔ)油腔，工作腔不再獲得儲(chǔ)油腔中的硅油補(bǔ)給，離合器恢復(fù)到分離狀態(tài)[3-4]，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降低。

2 普通硅油風(fēng)扇延時(shí)性的定義

從上述普通硅油風(fēng)扇工作原理可以看出，普通硅油風(fēng)扇從分離狀態(tài)到嚙合狀態(tài)，需要經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)溫器開啟、散熱器溫升、感溫片轉(zhuǎn)動(dòng)、硅油由儲(chǔ)油腔進(jìn)入工作油腔這一系列響應(yīng)過程，而這一過程被稱為普通硅油風(fēng)扇的延時(shí)性。在這過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷持續(xù)上升，而普通硅油風(fēng)扇尚未進(jìn)入嚙合狀態(tài)。如果延時(shí)時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致冷卻液溫度持續(xù)升高，甚至出現(xiàn)超高報(bào)警現(xiàn)象。因此，研究延時(shí)性對(duì)普通硅油風(fēng)扇的選型及應(yīng)用有重要指導(dǎo)意義。

3 基于實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)的普通硅油風(fēng)扇延時(shí)性分析

某國六車型采用普通硅油風(fēng)扇。在開發(fā)過程中，當(dāng)搭載該發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛大負(fù)荷爬坡時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度有一個(gè)快速上沖過程，從85 ℃左右開始上升，持續(xù)上升到100 ℃以上，到達(dá)冷卻液報(bào)警點(diǎn)，之后快速下降穩(wěn)定在90～95 ℃，如圖2所示。

如果將普通硅油風(fēng)扇鎖死，類似風(fēng)扇直驅(qū)狀態(tài)，車輛在相同爬坡過程中發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度穩(wěn)步上升，最后穩(wěn)定在90 ℃左右，沒有出現(xiàn)上升到100 ℃以上的現(xiàn)象，如圖3所示。

這2種測(cè)試結(jié)果初步說明，該車型冷卻系統(tǒng)的配置滿足發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻性能要求，但風(fēng)扇的嚙合時(shí)間大于冷卻液溫升時(shí)間，如圖4所示。由于風(fēng)扇嚙合溫度為通過散熱器的迎風(fēng)溫度，根據(jù)延時(shí)性定義，普通硅油風(fēng)扇嚙合時(shí)間應(yīng)該包括調(diào)溫器開啟時(shí)間、散熱器溫升時(shí)間和風(fēng)扇內(nèi)部嚙合時(shí)間三者之和，本文通過試驗(yàn)測(cè)試來獲得硅油風(fēng)扇嚙合延時(shí)時(shí)間。

3.1 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)開始前，更換新的硅油風(fēng)扇和調(diào)溫器，以保證零件的準(zhǔn)確性。然后，在試驗(yàn)車輛上安裝采集風(fēng)扇前端溫度、散熱器后端溫度、散熱器進(jìn)水溫度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)的傳感器，來獲取所需測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)點(diǎn)安裝位置及傳感器安裝要求如圖5和表1所示。

表1 測(cè)試傳感器安裝要求

為模擬車型開發(fā)過程中冷卻液報(bào)警工況(滿載大負(fù)荷爬坡)，采用拖車方法在水平道路進(jìn)行試驗(yàn)。車輛起步穩(wěn)定后，即進(jìn)入測(cè)試狀態(tài)：油門全開，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持在1 500 r/min附近，車輛車速維持在15 km/h附近，監(jiān)測(cè)冷卻液升溫情況。當(dāng)溫度達(dá)到平衡狀態(tài)一段時(shí)間后，取消拖車制動(dòng)，監(jiān)測(cè)冷卻液降溫情況。以此作為一個(gè)循環(huán)過程，進(jìn)行2次試驗(yàn)，并分別采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，形成2組測(cè)試數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過程中，調(diào)溫器開啟溫度為82 ～95 ℃。

表2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

測(cè)試數(shù)據(jù)為冷卻液溫度上升至最高點(diǎn)附近、風(fēng)扇剛開始嚙合時(shí)的各測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，結(jié)果如表2所示。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，當(dāng)風(fēng)扇前端溫度達(dá)到83 ℃時(shí)，風(fēng)扇還沒有嚙合，與風(fēng)扇的設(shè)計(jì)嚙合溫度(53～58 ℃，分離轉(zhuǎn)速200 r/min)有較大延遲，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度已達(dá)到98 ℃；而第2組測(cè)量數(shù)據(jù)，發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇前端在89.4 ℃時(shí)，風(fēng)扇還未嚙合，冷卻液溫度已經(jīng)超高報(bào)警。

第2次試驗(yàn)過程中，還測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和冷卻液溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。圖中時(shí)間序列是指設(shè)備采樣的時(shí)間點(diǎn)，采樣頻率是1 s。由圖6可以看出，從風(fēng)扇前端溫度達(dá)到調(diào)溫器開啟溫度再到風(fēng)扇完全嚙合需要一定時(shí)間，待風(fēng)扇完全嚙合后，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度快速下降。從表3統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，從風(fēng)扇前端感應(yīng)到的溫度53 ℃開始，到風(fēng)扇完全嚙合需要約95 s，而此時(shí)間段發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度持續(xù)上升，導(dǎo)致超高報(bào)警。

表3 硅油風(fēng)扇延時(shí)時(shí)間統(tǒng)計(jì)

從試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)可看出，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度超過82 ℃，即達(dá)到調(diào)溫器開啟溫度時(shí)，散熱器進(jìn)水溫度與散熱器溫升響應(yīng)相對(duì)靈敏，風(fēng)扇嚙合時(shí)間在延時(shí)性中占據(jù)主要因素。因此，本文主要研究通過降低風(fēng)扇嚙合時(shí)間來改善風(fēng)扇的延時(shí)特性。影響風(fēng)扇嚙合時(shí)間的因素主要包括前端金屬感溫圈的感應(yīng)溫度(即硅油風(fēng)扇嚙合溫度)和風(fēng)扇的分離轉(zhuǎn)速。其中，感應(yīng)溫度決定感溫圈的開啟時(shí)刻，風(fēng)扇的分離轉(zhuǎn)速是影響硅油由主油腔進(jìn)入副油腔的速度。本文從這2個(gè)因素出發(fā)制訂改善方案。

3.3 方案改進(jìn)驗(yàn)證

參考相關(guān)經(jīng)驗(yàn)資料，將改進(jìn)方案分為2種：方案1硅油風(fēng)扇的嚙合溫度保持不變，分離轉(zhuǎn)速由200 r/min調(diào)整為600 r/min；方案2更改硅油風(fēng)扇的嚙合溫度，由53 ～58 ℃調(diào)整為 50 ～55 ℃，分離轉(zhuǎn)速由200 r/min調(diào)整為600 r/min。按照3.1節(jié)試驗(yàn)方法，各測(cè)試2次，采集2組測(cè)試數(shù)據(jù)，結(jié)果如表4所示。

表4 改進(jìn)方案延時(shí)參數(shù)對(duì)比

從表4中可以看出，2種方案均未出現(xiàn)冷卻液溫度超過報(bào)警現(xiàn)象。通過提高分離轉(zhuǎn)速，對(duì)硅油風(fēng)扇的延遲有較大改善，方案1降低硅油風(fēng)扇延遲約40 s。提高風(fēng)扇分離狀態(tài)轉(zhuǎn)速，可增大硅油轉(zhuǎn)動(dòng)的離心力，當(dāng)風(fēng)扇開始嚙合時(shí)能夠迅速從儲(chǔ)油腔進(jìn)入工作腔。通過耗功測(cè)試，分離轉(zhuǎn)速在900 r/min，耗功約0.8 kW，相對(duì)較少。方案2由于嚙合溫度過低，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后風(fēng)扇很快開始嚙合，中間一直未脫離或處于半嚙合狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液平衡溫度維持在90 ℃以下，也未達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳工作狀態(tài)，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)壽命和油耗均有一定影響。因此，本車型選用改進(jìn)方案1作為應(yīng)用方案。

4 結(jié)論

通過實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，分離轉(zhuǎn)速對(duì)普通硅油風(fēng)扇的延遲性有較大影響，合理的分離轉(zhuǎn)速能夠有效降低嚙合時(shí)間；嚙合溫度太低容易造成風(fēng)扇處于半嚙合狀態(tài)，降低了普通硅油風(fēng)扇降耗降噪的功能。因此，在普通硅油風(fēng)扇選型應(yīng)用時(shí)，需將分離轉(zhuǎn)速作為關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。此外，在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)同一款風(fēng)扇，分離轉(zhuǎn)速、嚙合溫度等參數(shù)有差異，說明普通硅油風(fēng)扇的一致性有待進(jìn)一步研究。此外，由于客觀因素限制，本文沒有細(xì)分不同分離轉(zhuǎn)速對(duì)普通硅油風(fēng)扇延時(shí)的影響。與普通硅油風(fēng)扇延時(shí)性相關(guān)的3部分(調(diào)溫器開啟時(shí)間、散熱器溫升時(shí)間和風(fēng)扇內(nèi)部嚙合時(shí)間)中，對(duì)調(diào)溫器開啟時(shí)間和散熱器溫升時(shí)間未做進(jìn)一步測(cè)試，有待后續(xù)研究。