基于PWM风扇的某车型冷却系统能耗研究

吴昌庆，刘聪聪

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于PWM风扇的某车型冷却系统能耗研究

吴昌庆，刘聪聪

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

针对某皮卡冷却系统节能降耗需求，将原发动机自带硅油离合器风扇更改为PWM冷却风扇。对硅油风扇和PWM风扇进行台架试验，同时对两种风扇在NEDC工况下的油耗进行理论分析；对整车NEDC工况进行试验测试，分析不同风扇对发动机水温及油耗的影响。结果表明，采用PWM风扇后，整车NEDC工况油耗降低明显，同时，冷却系统热平衡满足要求，NVH性能提升。

PWM风扇；硅油风扇；油耗；水温

CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-124-03

引言

安全、节能、环保是汽车发展的方向，随着排放和油耗标准的提升，发动机附配件的性能优化将决定发动机是否在最佳的工况下进行工作，从而影响整车的经济性和动力性。风扇作为发动机冷却系统中功耗较大部件，对其进行优化将有效降低整车能耗。目前，小型乘用车大都使用电子风扇，更多高级别车型选择PWM电子风扇[1]。但是，商用车基本匹配带硅油风扇柴油发动机，发动机水温受风扇及发动机工况影响，对整车油耗影响的评估没有详细开展研究[2]，目前在开发过程中，对于冷却系统，重点考虑空间布置、NVH、热平衡等性能，对于商用车采用PWM电子风扇的节能降耗工作一直没有深入研究[3]。

1 硅油风扇的能耗测试

某平台皮卡项目，搭载2.0柴油发动机，额定功率100KW，扭矩320N.M，发动机匹配硅油离合风扇；根据冷却系统节油方案分析，硅油风扇能耗和发动机工作水温是影响整车经济性的重要因素；针对这两个因素，开展冷却系统验证工作。

针对发动机匹配的硅油风扇进行分析验证[4]，硅油风扇采用硅油离合器进行控制，根据温度传感器控制离合器锁止；在低于控制温度时，离合器分离，风扇因滑差随发动机转动，在高于控制温度时，离合器锁止，风扇随发动机强制转动。在台架进行硅油风扇的能耗验证，采集两种状态下能耗数据。

图1 硅油风扇台架功耗测试结果

根据发动机台架采集发动机硅油风扇能耗数据，在硅油风扇离合器锁止和非锁止两种状态下，硅油风扇最大能耗差达到0.6kW，锁止状态下硅油风扇最大能耗达到1.2kW。占发动机总功率的1.2%。

图2 CRUISE测试工况

图3 硅油风扇瞬态油耗图

在发动机台架采集发动机万有特性数据，通过CRUISE进行计算，对比硅油风扇离合器不锁止以及锁止状态下NEDC循环油耗数据，计算结果如下：

表1 硅油风扇NEDC工况油耗计算结果

根据计算结果，发动机硅油风扇离合器不锁止状态，风扇能耗0.17L/100km，相对于原状态节油2.03%；发动机硅油风扇离合器锁止状态，风扇能耗0.31L/100km，相对于原状态节油3.71%。由于机械风扇起始硅油离合器为非锁止，最终为锁止状态，根据风扇消耗功率，取消机械风扇后油耗会有有较明显的下降，理论计算风扇本身带来节油效果应该在0.17L/100km ～0.31 L/100km之间。

2 PWM风扇的能耗测试

PWM风扇，根据水温、车速、空调等信号采集，由ECU设定控制器工作判断逻辑[5]。根据PWM控制逻辑，水温低于94℃，风扇不运转，94℃-98℃之间，风扇开度由0逐渐增大到40%。根据NEDC循环测试结果，风扇开启水温94℃，最高水温98℃，开启时间120s。

表2 PWM风扇控制逻辑

图4 NEDC工况下水温曲线

图5 PWM风扇台架功耗及性能

根据NEDC冷机循环条件下水温识别出PWM风扇工作时间及相应的开度，依据风扇不同开度下风扇功率，计算在NEDC工况下PWM风扇的功耗，折合消耗0.00125L/100km。

表3 PWM风扇运行功耗

根据以上分析计算，在NEDC工况下发动机硅油风扇能耗为0.17L/100km～0.31 L/100km，PWM风扇能耗0.00125L/100km；匹配PWM风扇后，在NEDC循环工况下，整车节油0.17L/100km～0.31 L/100km之间。

3 发动机水温对能耗影响台架测试结果

通过发动机台架在四种水温工况(80℃、85℃、90℃、95℃)下试验，采集发动机万有特性参数，通过CURUISE进行计算分析，对比水温对发动机油耗的影响，根据计算结果，95℃水温工况相对于80℃工况，整车油耗降低1.18%；

图6 80℃、85℃、90℃、95℃发动机外特性图

表4 水温对油耗影响结果

图7 两种风扇NEDC工况水温对比图

表5 不同风扇水温上升速度对比表

根据测试结果，在NEDC循环工况下，采用PWM风扇状态，发动机程升温更快，发动机工作水温更高；从50℃-90℃，PWM风扇状态比硅油风扇状态平均升温快38S，在相同的时间点，PWM风扇状态，发动机水温比硅油风扇水温高4.2℃。按照NEDC工况水温相差5℃计算，水温对整车NEDC循环工况的油耗贡献0.04L/100km，节油约0.47%。

4 整车热平衡测试

表6 热平衡测试工况要求

冷却系统匹配PWM风扇，相对于硅油风扇风量有一定的衰减，必须开展热平衡验证工作。按照《XY-0003-2016-轻型商用车转毂试验方法__热平衡试验》试验标准，完成热平衡验证。 根据试验结果，通过热平衡验证。

表7 热平衡测试结果

5 车外加速噪声测试

冷却系统匹配PWM风扇优化方案，实现整车经济性的提升；同时必须进行整车车外加速噪声测试，按照试验标准《GB 1495-2002》完成车外加速噪声测试，车外加速通过噪声72.4dB；满足《GB 1495-2002》法规78dB标准要求。

表8 车外加速噪声测试结果

6 结论

本文对某皮卡搭载的2.0柴油机的原车硅油风扇和匹配的PWM冷却风扇进行试验研究，同时在NEDC工况下对两种风扇自身功耗对经济性的影响进行分析，对不同风扇引起水温的变化对经济性影响进行研究，并且通过热平衡试验和车外加速噪声对比试验验证。PWM冷却风扇能够满足现阶段整车的冷却性能要求，同时在NEDC工况下，较硅油风扇节能2.5%-4.1%。后期将针对PWM风扇在各工况下运行效果进行测试，并最终应用到量产车型中。

[1] 蔡兴旺,付晓光.汽车构造与原理[M].北京:机械工业出版社,2009.

[2] 韩晓峰,张士路等.车用 PWM 冷却风扇控制策略实验研究[J].内燃机与动力装置,2014 (6):8-9,44.

[3] 王胜,周从源.江淮中型卡车冷却系统的设计[J]合肥工业大学学报,2007,12（30）:35-36.

[4] 张杰．简述发动机冷却系的设计及散热量的计算，装备制造技术,2004( 2 ) :21 - 24 .

[5] 汪金德,高伟.汽车发动机冷却风扇控制 器综合参数测试[J]仪表技术,2016（3）:25-28.

Energy consumption of a certain type of cooling system based on PWM fan

Wu Changqing, Liu Congcong
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

In order to reduce energy and consumption demand of the cooling system of a pickup truck, the original engine was changed into a PWM cooling fan by the original engine with a silicon oil clutch fan.The use of the silicon oil fan and the PWM fan was carried out, and the fuel consumption of the two fans was analyzed in the NEDC mode.The test of the NEDC condition of the vehicle was carried out to analyze the influence of different fans on the temperature and fuel consumption of the engine.The results showed that the fuel consumption of NEDC was reduced obviously after the PWM fan was adopted,while the thermal balance of cooling system met the requirements, and the performance of NVH was improved.

PWM fan; silicon oil fan; Fuel consumption; water temperature

U464 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)19-124-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.042

吴昌庆（1985-）男，工程师，就职于安徽江淮汽车股份有限公司。