发动机冷却系统风扇不同驱动控制策略的仿真研究

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1、发动机冷却系统风扇不同驱动控制策略的仿真研究　　摘要：应用商用仿真软件AMESim对某客车柴油机建立冷却系统一维仿真计算模型。针对不同温度和不同形式工况对冷却系统进行仿真计算并分析了系统散热能力。通过匹配不同转速的风扇和不同控制策略的风扇驱动方式，对于系统冷却风扇的耗功进行了优化，在保持系统散热能力不变的情况下，降低系统功耗。　　关键词：发动机冷却系统；电磁风扇离合器；AMESim；匹配计算　　中图分类号：U464.138文献标志码：A文章编号：1005-2550（2013）02-0005-07　　内燃

2、机诞生百余年来，其基本功能结构变化不大。尤其是冷却系统，在近几十年中一直未有重大突破。传统内燃机冷却系统是根据系统最大散热需求来设计和标定的。事实上冷却系统仅有3%～5%的时间在理想状态下运行[2]，发动机长期在过冷状态下运行。时至今日，这种基于系统最大需求设计和标定的冷却系统已经难以满足刻不容缓的节能环保需求和适应日益严苛的排放法规。因此，兼顾发动机性能的同时来减少系统耗功，是发动机冷却系统未来提高与发展的方向。　　本文借助于AMESim软件，以某客车冷却系统为基础，首先校核了不同行驶工况下该系统的散

3、热能力是否满足设计需求；然后研究了系统与不同风扇匹配后，风扇的耗功情况；最后分析了该系统在使用电磁温控式冷却风扇和硅油离合风扇代替机械式定传动比冷却风扇后的耗功改善情况。7　　1冷却风扇的不同驱动形式　　1.1冷却系统热交换基本公式　　散热器中的气―液热交换公式为：　　系统热平衡公式为：　　Q1=m1Cp？驻T1=m1′Cp1′？驻T1′（2）　　式中：Q1为大循环传热量；m1为内部冷却液的质量流；Cp为内部冷却液的比热容；？驻T1为内部冷却液的温差；m1′为外部冷却空气的质量流；Cp1′为外部冷却空气

4、的比热容；？驻T1′为外部冷却空气的温差。　　1.2定传动比机械式冷却风扇　　传统冷却风扇一般置于散热器之后，由驱动水泵和发电机的同一根V带传动。发电机启动时，风扇随之启动，吸进空气使其通过散热器，以增强散热器的散热能力，加速冷却液的冷却。　　由于传统风扇直接与发动机连接，风扇转速与发动机转速成对应的关系，在低速高负荷工况时，会因为风量不足而导致发动机过热；反之，在高速低负荷情况下，发动机过度被冷却是常见的现象。　　某车辆公路实测结果表明，气温10℃～20℃时，90%的行驶时间内，风扇无需工作；气温0℃

5、～10℃时，风扇的工作时间仅为5%[3]。　　1.3硅油离合式风扇与电磁温控式冷却风扇　　硅油离合式风扇主要通过感温元件，确定进入离合器硅油的量，并利用硅油的粘性将动力输出给风扇使其转动。　　液力驱动型风扇是通过水温传感器、ECU发出控制信号，通过比例阀调节系统油压，实现由马达及风扇转速调节。7　　电磁离合式冷却风扇的关键在于温控电磁离合器。电磁离合器是利用线圈通电时电磁产生的吸力，吸引衔铁盘压紧摩擦片以实现扭矩的传递，使风扇工作。断开电路后，衔铁盘与摩擦片分离，风扇空转。一般电磁离合器内部有大小不同的

6、线圈，通过通电后产生不同的吸合力来使风扇可以空转、低速运转及高速运转。　　电动风扇是由电动机直接驱动风扇，可以根据发动机温度和负荷的不同来改变风扇转速。因重型汽车风扇耗功较大，而电动风扇驱动功率受蓄电池的限制，故电动风扇很少运用在重型汽车上。　　2模型建立和冷却系统散热能力分析　　2.1冷却系统建模　　2.2不同工况下系统冷却能力分析　　客车长期在低速高负荷的情况下行驶，若遇到夏季高温天气，极易发生“开锅”现象，对此需要对极端热工况进行校核。　　因此，本文基于额定转速下的目标发动机冷却系统，分别针对冬季

7、（气温0℃）、春秋季（气温20℃）和夏季（气温45℃）三种不同的气候条件下，发动机负荷与车速对系统散热能力的影响。　　系统仿真工况如表2所示，工况1～工况3分别代表车辆在低速、中速及高速行驶的情况。目标冷却系统的基本参数如表3所示。　　当系统工作温度不变而车辆行驶速度提高时，20%负荷工况下的冷却液温度几乎不变；100%负荷工况下的冷却液温度下降明显；50%工况下的冷却液温度变化介于两者之间。7　　当系统工作温度与系统负荷皆不变的情况下，车辆行驶速度由低速提高到中速时冷却液温度下降的程度要高于车辆行驶速

8、度由中速提高到高速时冷却液温度下降的程度。　　不同的环境温度对系统散热能力的影响也很大，0℃与20℃时系统内冷却液温度随车速、负荷变化而改变的程度要小于45℃时冷却液温度相应的改变程度。　　系统的热负荷决定了发动机向冷却系统传递的热量，车辆行驶速度一定程度上影响了冷却空气的流量，而系统工作温度影响的则是冷却空气的进气温度。　　从仿真结果可以看出，当系统处于低温低负荷热状态时，行驶速度的改变对冷却液温度影响很小，冷却液温度很低，系统与发动机处