汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇選型方法

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇選型方法賀航淳B浪;張鑫【摘要】為了提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱效果，該文介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇的基本選型設(shè)計(jì)方法.首先根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱器性能的計(jì)算方法及冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果，給出冷卻風(fēng)量和系統(tǒng)風(fēng)阻的估算方法，再根據(jù)冷卻系統(tǒng)各部件間的性能匹配和優(yōu)化，對冷卻風(fēng)扇進(jìn)行設(shè)計(jì)選型及校核計(jì)算，從而選出工作效率高且功耗低的風(fēng)扇.該性能計(jì)算及匹配方法對發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)熱平衡分析具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值.【期刊名稱】《汽車工程師》【年(卷)，期】2017(000)003【總頁數(shù)】3頁(P34-36)【關(guān)鍵詞】汽車散熱器;熱量;冷卻風(fēng)扇;設(shè)計(jì)匹配【作者】賀航;郭浪;張鑫【作者單位】泛亞汽車技術(shù)中心有限公司;泛亞汽車技術(shù)中心有限公司;泛亞汽車技術(shù)中心有限公司【正文語種】中文汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇是汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的重要組成部分，風(fēng)扇性能直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱效果，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能。隨著增壓技術(shù)的廣泛應(yīng)用，發(fā)動(dòng)機(jī)功率得到大幅提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷問題也就突顯出來。因此對發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)也提出了更高的要求。一方面為了滿足更大的散熱量需求，要求冷卻風(fēng)扇要具有更高的轉(zhuǎn)速以承受更大的負(fù)荷；另一方面為了降低噪聲對生存環(huán)境的污染，又要求冷卻風(fēng)扇具有較低的噪聲輻射。若風(fēng)扇選取不當(dāng)，則會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻不足或冷卻過度，造成發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境惡化，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和使用壽命。盡管計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法已經(jīng)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計(jì)中，但由于計(jì)算周期及精度問題，實(shí)際工程應(yīng)用中多數(shù)情況下還是按照經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行初步計(jì)算選型。文章介紹了一種風(fēng)扇快速設(shè)計(jì)選型方法，可以快速地確定風(fēng)扇葉型的尺寸參數(shù)，并根據(jù)冷卻系統(tǒng)散熱目標(biāo)和理論計(jì)算進(jìn)行散熱器的理論設(shè)計(jì)及冷卻風(fēng)扇選型。因此能有效地縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，在滿足氣動(dòng)性能的基礎(chǔ)上，降低風(fēng)扇噪聲，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)性能。1發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算在設(shè)計(jì)或選用冷卻系統(tǒng)部件時(shí)，一般把流入冷卻系統(tǒng)的熱量作為原始數(shù)據(jù)，從而計(jì)算出冷卻系統(tǒng)的循環(huán)水量和冷卻空氣量［1］，以便設(shè)計(jì)或選用散熱器和風(fēng)扇。1.1散熱量發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)應(yīng)散發(fā)出去的熱量即稱為散熱量（QW/（kJ/s）），它受發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)型式、壓縮比及功率大小等因素影響，很難進(jìn)行精確計(jì)算。在初始設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行快速計(jì)算，如式（1）所示。式中：a——傳給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能的百分比，取同類機(jī)型的統(tǒng)計(jì)量；ge 燃料消耗率，kg/kW?h;Pe——發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率，kW;hu 燃料低熱值，kJ/kg。1.2冷卻水循環(huán)流量在計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的QW后，根據(jù)熱平衡方程計(jì)算冷卻水循環(huán)量（VW/（m3/s））,如式(2)所示。式中：&W——冷卻水循環(huán)的容許溫差，°c；△rW——冷卻水的體積質(zhì)量，kg/m3;△CW——水比熱，J/(kg-C)o1.3冷卻空氣需要量冷卻空氣的需要量，即稱為冷卻風(fēng)扇的通風(fēng)量(Va/(m3/s)),也是根據(jù)QW及熱平衡方程來確定，如式(3)所示。式中：Ata——散熱器前后流動(dòng)空氣的溫度差，C;ra 空氣體積質(zhì)量，kg/m3;Cpa——空氣的定壓比熱，J/(kg%)。2風(fēng)阻特性曲線風(fēng)冷散熱器的散熱芯體需要靠風(fēng)扇的強(qiáng)制通風(fēng)才可完全發(fā)揮其冷卻性能，實(shí)際通過的有效風(fēng)量與散熱效果關(guān)系密切，通過散熱器需要克服的阻力即為散熱器風(fēng)阻。國內(nèi)汽車散熱器性能主要是通過風(fēng)洞試驗(yàn)臺測得，通常根據(jù)風(fēng)量與進(jìn)出口壓強(qiáng)差繪制出靜壓-流量曲線，相同壓差下，風(fēng)阻越小，風(fēng)量越大；相同風(fēng)量下，風(fēng)阻越大，壓差越大。車內(nèi)流場系統(tǒng)除了散熱模塊和風(fēng)扇之外，還包括許多其他氣流所經(jīng)過的組件，如管道、彎頭、擴(kuò)散或聚攏裝置及過濾器等，其中每個(gè)物體都會(huì)對氣流產(chǎn)生阻礙作用，具體表現(xiàn)為靜壓降低，所有阻力之和稱為系統(tǒng)阻力。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中，風(fēng)扇產(chǎn)生的冷卻氣流在風(fēng)道中會(huì)受到冷凝器和散熱器等發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部件的影響。因此發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)阻力指冷卻氣流沿風(fēng)道流動(dòng)時(shí)所受阻力之和［2］。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)靜壓-流量曲線，如圖1所示。圖1汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)靜壓-流量曲線圖發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)阻力包括散熱器、冷凝器、中冷器、低溫水箱及其他風(fēng)道產(chǎn)生的阻力。其中主機(jī)廠在計(jì)算其他風(fēng)道阻力時(shí)，會(huì)減去發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部分空氣回流帶來的影響，系統(tǒng)阻力計(jì)算，如式（4）所示。式中：APs——系統(tǒng)阻力，Pa；△Pr——散熱器阻力，Pa;△Pc——冷凝器阻力，Pa;△P0——其他阻力（空氣流經(jīng)柵格、護(hù)風(fēng)圈、發(fā)動(dòng)機(jī)及艙內(nèi)附件等），Pa。通過試驗(yàn)測出流體經(jīng)過管件時(shí)的阻力損失（AP/Pa）及流體通過管路的流速（u/（m/s）），進(jìn)而確定阻力系數(shù)。在初始計(jì)算過程中，通常將管道長度、管件直徑及摩擦因數(shù)統(tǒng)一為局部阻力系數(shù)，最終的系統(tǒng)阻力轉(zhuǎn)化為空氣密度和流速的方程。具體的阻力表現(xiàn)形式為靜壓差或壓差，如式（5）所示。式中：Z——局部阻力系數(shù)。通過對每個(gè)部件的阻力計(jì)算，可以得到冷卻系統(tǒng)的阻力性能曲線。汽車行駛時(shí)產(chǎn)生的進(jìn)口氣流和車體周圍環(huán)境風(fēng)對風(fēng)扇抽風(fēng)及散熱器換熱性能也會(huì)造成影響，在進(jìn)行初步模擬計(jì)算時(shí)，一般不考慮環(huán)境風(fēng)影響。冷卻系統(tǒng)通常選擇汽車怠速、50km/h及90km/h3種工況作為主要考核點(diǎn)，不同車速下的進(jìn)口風(fēng)速不同。不同車速下冷卻系統(tǒng)風(fēng)阻性能曲線，如圖2所示。圖2不同車速下冷卻系統(tǒng)風(fēng)阻性能曲線圖3風(fēng)扇選型對于給定的車型，在確定好散熱器芯體尺寸、結(jié)構(gòu)型式及通過芯體的風(fēng)速和散熱量的基礎(chǔ)上，選擇風(fēng)扇時(shí)有很多種方案，不同系列的風(fēng)扇匹配點(diǎn)的轉(zhuǎn)速、噪聲及效率是不同的。風(fēng)扇選型的主要目標(biāo)是風(fēng)扇風(fēng)量能夠滿足空調(diào)系統(tǒng)冷凝器的熱交換需要，同時(shí)盡可能提高風(fēng)扇效率，降低風(fēng)扇噪聲。3.1風(fēng)扇工作點(diǎn)確定風(fēng)扇的氣動(dòng)性能通常指風(fēng)扇的流量與靜壓和流量與功率之間的關(guān)系。風(fēng)扇的流量等于其在單位時(shí)間內(nèi)的吸氣或排氣量，即性能試驗(yàn)中單位時(shí)間通過風(fēng)道的氣體體積流量風(fēng)扇的靜壓表示氣體克服風(fēng)道中各種阻力流動(dòng)的能力。性能試驗(yàn)中氣體的入口靜壓等于風(fēng)道中各種阻力之和。試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)公式所得風(fēng)扇的靜壓-流量曲線，與相應(yīng)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)下的風(fēng)道阻力曲線的交點(diǎn)所對應(yīng)的流量，即為理論匹配點(diǎn)的冷卻風(fēng)量，風(fēng)扇與冷卻系統(tǒng)性能匹配曲線，如圖3所示。圖3風(fēng)扇與冷卻系統(tǒng)性能匹配曲線圖3.2風(fēng)扇的匹配選型根據(jù)已確定的冷卻系統(tǒng)來選擇相匹配的風(fēng)扇，即對每款風(fēng)扇分別進(jìn)行匹配分析，通過比較得到符合冷卻要求、噪聲及功耗最低的風(fēng)扇［3］。風(fēng)扇在冷卻系統(tǒng)中穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，靜壓與冷卻系統(tǒng)阻力相等，此時(shí)的流量就是該風(fēng)扇與冷卻系統(tǒng)的匹配流量。研究風(fēng)扇與冷卻系統(tǒng)的匹配，首先要確定風(fēng)扇與冷卻系統(tǒng)的匹配流量，進(jìn)而判斷該流量下冷卻力是否符合冷卻系統(tǒng)的要求，最后從符合要求的風(fēng)扇中選取最合適的一款［4］。在優(yōu)選過程中，在確定車頭空間條件和發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量，確定風(fēng)扇外徑、轉(zhuǎn)速等參數(shù)后，初選風(fēng)扇類型。不同風(fēng)阻下的風(fēng)扇選型曲線，如圖4所示。當(dāng)系統(tǒng)阻力為風(fēng)阻曲線1時(shí)，風(fēng)扇1工作點(diǎn)的靜壓大于風(fēng)扇2，也可理解為該靜壓下風(fēng)扇1的流量性能更大，效率更高，此時(shí)應(yīng)選風(fēng)扇1；若系統(tǒng)阻力為風(fēng)阻曲線2時(shí)，風(fēng)扇2更優(yōu)，應(yīng)選風(fēng)扇2。實(shí)際選型過程中，常常需要綜合考慮，兼顧到多個(gè)工作點(diǎn)的要求和噪聲。圖4不同風(fēng)阻下的風(fēng)扇選型性能曲線圖3.3風(fēng)扇冷卻性能校核在整車熱管理系統(tǒng)中，通過對使用上述方法選定的風(fēng)扇類型進(jìn)行CFD模擬或者經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對冷卻系統(tǒng)流場性能模擬，可以得到通風(fēng)量與各散熱模塊散熱量間的相關(guān)關(guān)系，由此檢測校核現(xiàn)有風(fēng)扇工作點(diǎn)下的發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量是否可以達(dá)到散熱目標(biāo)，從而選取一款風(fēng)扇在工作點(diǎn)效率最高且功耗最低的風(fēng)扇。4結(jié)論文章介紹了車用散熱器的冷卻風(fēng)扇選型計(jì)算方法，該方法包括從發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量到冷卻系統(tǒng)冷卻部件（風(fēng)扇、中冷器及散熱器等）及冷卻風(fēng)扇性能參數(shù)匹配分析的計(jì)算，最終以節(jié)約能耗為出發(fā)點(diǎn)對風(fēng)扇進(jìn)行優(yōu)選。通過實(shí)際應(yīng)用證明，該方法可優(yōu)選出功率、噪聲及效率綜合性能最好的風(fēng)扇，并滿足發(fā)動(dòng)機(jī)散熱性能的要求。該方法具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值，能夠?yàn)榇蟛糠掷鋮s系統(tǒng)風(fēng)扇匹配選型提供簡潔明了的參考，在積累大量數(shù)據(jù)后可建立系統(tǒng)與零部件間的性能數(shù)據(jù)庫，能有效地減少設(shè)計(jì)工作量，節(jié)約成本并提高效率。參考文獻(xiàn)【相關(guān)文獻(xiàn)】姚仲鵬，王新國.車輛冷卻傳熱[M].北京