張 毅，陸國棟，俞小莉，石海民,，張文鋒，夏立峰

(1.浙江銀輪機(jī)械股份有限公司，天臺(tái) 317200； 2.溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，溫州 325035； 3.浙江大學(xué)能源系，杭州 310027)

前言

為滿足節(jié)能與環(huán)保法規(guī)要求，汽車行業(yè)對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[1]中對(duì)乘用車采用電子水泵和節(jié)溫器的冷卻系統(tǒng)方案進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2]中對(duì)柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的不同布置方案進(jìn)行了研究，以縮短冷起動(dòng)時(shí)間，降低排放并節(jié)能。文獻(xiàn)[3]中利用一維和三維耦合仿真分析方法對(duì)乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱系統(tǒng)進(jìn)行了研究，但是在發(fā)動(dòng)機(jī)后置的旅行車和公交車等商用車上，早先對(duì)消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率較大的冷卻風(fēng)扇主要采用離合器或者液力驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可變，以降低能耗，現(xiàn)在開始采用多個(gè)電動(dòng)風(fēng)扇的冷卻模塊。相關(guān)道路試驗(yàn)表明，冷卻效果良好，噪聲降低而且節(jié)能6%～15%[4]。文獻(xiàn)[5]中對(duì)多個(gè)風(fēng)扇與散熱器的交互作用以及風(fēng)扇之間的相互作用進(jìn)行了深入研究，但是這種多風(fēng)扇-多散熱器冷卻模塊的匹配研究在國內(nèi)還較少報(bào)導(dǎo)，因此，文中針對(duì)某款客車?yán)鋮s系統(tǒng)的傳統(tǒng)冷卻模塊、多電動(dòng)風(fēng)扇-多散熱器串聯(lián)方案和并聯(lián)方案進(jìn)行了測(cè)試與匹配分析。

1 傳統(tǒng)冷卻模塊匹配分析

1.1 傳統(tǒng)冷卻模塊試驗(yàn)

在后置增壓柴油機(jī)的城市客車和旅行車等商用車中，中冷器CAC和散熱器RAD作為一個(gè)模塊前后串聯(lián)布置于冷卻風(fēng)道中，并通過大尺寸的冷卻風(fēng)扇提供冷卻空氣帶走發(fā)動(dòng)機(jī)多余的熱量，結(jié)構(gòu)如圖1所示。某車型中配置的冷卻模塊經(jīng)過路試，沒有出現(xiàn)過熱問題，該冷卻模塊的參數(shù)見表1。風(fēng)扇為8葉，直徑700mm，厚76mm，由于風(fēng)扇性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)不全，僅根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)要求，計(jì)算了風(fēng)扇的性能參數(shù)，見表2。

部件散熱面積/m2迎風(fēng)面積/m2芯體尺寸/mm散熱器38.20.59878×672.5×56中冷器23.590.52820×632×65

表2 原風(fēng)扇技術(shù)要求

基于等溫差試驗(yàn)方法[6]，對(duì)中冷器、散熱器以及中冷器和散熱器模塊在散熱器風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室完成了發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率點(diǎn)(工況1)和標(biāo)定轉(zhuǎn)矩點(diǎn)(工況2)時(shí)散熱器的換熱和壓差性能試驗(yàn)。其中工況1時(shí)，保持散熱器的熱水和中冷器的熱空氣與發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率工況時(shí)的參數(shù)相近；工況2時(shí)，保持散熱器的熱水和中冷器的熱空氣與發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩工況時(shí)的參數(shù)相近。

1.2 傳統(tǒng)冷卻模塊與風(fēng)扇匹配分析

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)繪制中冷器和散熱器組成的冷卻模塊的壓差特性，并在該圖上添加風(fēng)扇性能數(shù)據(jù)，見圖2，由于風(fēng)扇性能數(shù)據(jù)不完整，對(duì)傳統(tǒng)冷卻模塊匹配僅作定性分析。

冷卻模塊處于工況1條件，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速約為2 200r/min，從圖2可知，當(dāng)系統(tǒng)中產(chǎn)生的壓差為738Pa時(shí)，求得風(fēng)速va約為6.98m/s，小于原車要求的風(fēng)速9m/s(對(duì)應(yīng)體積流量5.32m3/s)。圖3為散熱器、中冷器和冷卻模塊散熱性能曲線。從圖3中曲線上插值求得中冷器和散熱器的散熱量分別為41.8和109.2kW，見表3。根據(jù)原車型匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率點(diǎn)中冷器散熱需求為39kW，散熱器的散熱需求為134kW，這說明在原型系統(tǒng)中，中冷器的散熱性能超過需求，散熱器性能不足。

冷卻模塊處于工況2條件，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為1 500r/min，壓差為360Pa時(shí)，從圖2中求得風(fēng)速va約為4.72m/s，從圖3中插值求得中冷器和散熱器的散熱量分別為34.2和76.5kW，見表3，測(cè)試數(shù)據(jù)與表3中系統(tǒng)需求數(shù)據(jù)對(duì)比，表明該冷卻模塊在發(fā)動(dòng)機(jī)處于最大轉(zhuǎn)矩工況時(shí)滿足冷卻要求。

表3 不同方案散熱器性能參數(shù) kW

為滿足爬坡和加速的需要，商用車的儲(chǔ)備功率較大，在實(shí)際使用中，最大轉(zhuǎn)矩工況應(yīng)用較多，而標(biāo)定功率工況的應(yīng)用較少，因此，盡管傳統(tǒng)冷卻模塊中散熱器散熱性能與標(biāo)定功率點(diǎn)的散熱要求有一定差距，但在通常條件下使用，該車不會(huì)出現(xiàn)過熱問題。但由表2的風(fēng)扇輸入軸功率數(shù)據(jù)可以看出，大尺寸機(jī)械傳動(dòng)風(fēng)扇耗能大，為節(jié)能和便于控制，對(duì)采用多個(gè)電動(dòng)風(fēng)扇與多散熱器組成可控冷卻模塊的多種方案進(jìn)行匹配分析。

2.1 匹配方案

根據(jù)散熱器尺寸和整車廠給定的安裝尺寸，并結(jié)合對(duì)國內(nèi)外大量電動(dòng)風(fēng)扇廠家參數(shù)的對(duì)比，選擇相同靜壓下風(fēng)量大的風(fēng)扇，本文中選擇某直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)扇，其扇葉尺寸為Ф305mm，安裝尺寸為Ф340mm，根據(jù)該風(fēng)扇的測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算得到該風(fēng)扇的輸入電功率約為0.36kW。風(fēng)扇與中冷器和散熱器的安裝方案主要有兩種。

(1) 串聯(lián)散熱器模塊方案 如圖4所示，中冷器CAC、散熱器RAD和風(fēng)扇前后布置，并基于散熱器尺寸和風(fēng)量考慮，假設(shè)選取4、5、6個(gè)電動(dòng)風(fēng)扇，分別對(duì)應(yīng)以下方案：串聯(lián)1#、串聯(lián)2#和串聯(lián)3#。串聯(lián)方案對(duì)整車布置改動(dòng)較少。

(2) 并聯(lián)散熱器模塊方案 把圖4中的中冷器和散熱器各自與多個(gè)電動(dòng)風(fēng)扇組成并聯(lián)式冷卻模塊，或者稱為分布式布置方案。并聯(lián)方案包括：并聯(lián)1#，散熱器+4個(gè)風(fēng)扇，中冷器+1個(gè)風(fēng)扇；并聯(lián)2#，散熱器+5個(gè)風(fēng)扇，中冷器+2個(gè)風(fēng)扇；并聯(lián)3#，散熱器+6個(gè)風(fēng)扇，中冷器+3個(gè)風(fēng)扇。實(shí)際上是單獨(dú)對(duì)散熱器和中冷器進(jìn)行匹配，該方案對(duì)整車布置改動(dòng)大，安裝空間也更大。

2.2 各方案匹配分析

通過試驗(yàn)獲得電動(dòng)風(fēng)扇、散熱器、中冷器以及散熱器+中冷器模塊的測(cè)試數(shù)據(jù)，并根據(jù)傳統(tǒng)的風(fēng)扇匹配方法，得到圖5～圖7所示的風(fēng)扇-散熱器的匹配曲線。

根據(jù)所得匹配曲線，通過插值求得不同個(gè)數(shù)風(fēng)扇曲線與散熱器壓差特性曲線的交點(diǎn)，求得對(duì)應(yīng)的風(fēng)速va，然后根據(jù)va在圖3曲線中插值求得各方案在發(fā)動(dòng)機(jī)工況1和工況2時(shí)的散熱量，數(shù)據(jù)匯總在表3中。分析表3中數(shù)據(jù)可知如下情況。

(1) 串聯(lián)方案 ①中冷器的散熱性能在兩種工況下都滿足系統(tǒng)要求；②兩種工況中散熱器散熱量遠(yuǎn)小于發(fā)動(dòng)機(jī)工況1的散熱需求(134kW)，而且風(fēng)扇由4個(gè)增加到6個(gè)，散熱器的散熱量由60.1kW增加到66.9kW，增加11.3%，而風(fēng)扇個(gè)數(shù)增加50%。這主要是因?yàn)榭?空中冷器的特性使中冷器的冷卻空氣側(cè)通風(fēng)面積較小，冷卻風(fēng)的阻力大，而散熱器水側(cè)管徑很小，冷卻空氣側(cè)通風(fēng)面積大，使冷卻空氣側(cè)壓差小，但兩者串聯(lián)布置時(shí)，大阻力的中冷器使冷卻空氣流量大大減小，導(dǎo)致散熱器散熱量降低很多。使用大風(fēng)扇時(shí)，由于壓頭高，風(fēng)量大，容易滿足車輛散熱要求，但改用多個(gè)電動(dòng)風(fēng)扇的方案，較難滿足大壓頭、大流量的要求。需要改進(jìn)中冷器，并大量增加散熱器的換熱面積。另外，由于該方案不易實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度和冷卻液溫度的單獨(dú)控制，這背離了采用電動(dòng)風(fēng)扇使發(fā)動(dòng)機(jī)恒溫工作的初衷。但由于該方案符合整機(jī)廠對(duì)冷卻系統(tǒng)布置改動(dòng)較小的要求，而且相對(duì)并聯(lián)方案而言，其安裝空間較小，因此，該方案也具有一定適用性。

(2) 并聯(lián)方案 ①所有方案在工況2的散熱器散熱量均大于發(fā)動(dòng)機(jī)在標(biāo)定轉(zhuǎn)矩點(diǎn)的散熱需求，而且也大于傳統(tǒng)冷卻模塊方案中的散熱量，說明該多風(fēng)扇-散熱器模塊可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在標(biāo)定轉(zhuǎn)矩點(diǎn)的散熱需求，而標(biāo)定轉(zhuǎn)矩點(diǎn)的散熱需求通常是傳統(tǒng)商用車?yán)鋮s系統(tǒng)中皮帶驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇難以達(dá)到的，它是導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)過熱的主要原因之一，因此多電動(dòng)風(fēng)扇-散熱器模塊在滿足標(biāo)定轉(zhuǎn)矩點(diǎn)工況時(shí)有優(yōu)勢(shì)；②所有方案在工況1的散熱量均比發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率點(diǎn)散熱需求(134kW)低，說明該多風(fēng)扇-散熱器模塊在標(biāo)定功率點(diǎn)無法滿足需求，但與串聯(lián)方案“中冷器-散熱器-多風(fēng)扇串聯(lián)模塊”的散熱量相比提高了34.9～46.1kW，性能提高58%～69%。因此，相對(duì)于串聯(lián)方案而言，并聯(lián)方案中的散熱器通過增加散熱面積和增加風(fēng)扇個(gè)數(shù)更容易滿足標(biāo)定功率點(diǎn)的散熱需求，但安裝空間更大；③中冷器與風(fēng)扇匹配時(shí)，1個(gè)風(fēng)扇在標(biāo)定功率點(diǎn)時(shí)散熱性能稍顯不足，選用2～3個(gè)風(fēng)扇時(shí)，兩種工況下都能滿足中冷器的散熱需求，而且增加風(fēng)扇個(gè)數(shù)對(duì)性能提高很少，因此，通過合理匹配與選型，只需采用1～2個(gè)風(fēng)扇就可滿足中冷器的散熱需求。

綜上所述，采用散熱器+6個(gè)風(fēng)扇和中冷器+2個(gè)風(fēng)扇的方案比傳統(tǒng)冷卻模塊的散熱性能稍強(qiáng)，而8個(gè)電動(dòng)風(fēng)扇消耗功率為0.36×8=2.88kW，即使考慮發(fā)電機(jī)的效率，電動(dòng)風(fēng)扇所耗功率與表2中大尺寸機(jī)械傳動(dòng)風(fēng)扇所耗功率相比，仍然具有較大優(yōu)勢(shì)。因此，采用多電動(dòng)風(fēng)扇-散熱器模塊的方案可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

3 結(jié)論

通過多電動(dòng)風(fēng)扇冷卻模塊測(cè)試和匹配分析表明：(1)為滿足安裝傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的商用車的散熱需求，采用壓頭小，風(fēng)量較小的多電動(dòng)風(fēng)扇-散熱器模塊方案，僅靠簡(jiǎn)單增加電動(dòng)風(fēng)扇的數(shù)量，散熱性能提升很??；(2)中冷器+散熱器+多電動(dòng)風(fēng)扇串聯(lián)式方案由于與傳統(tǒng)冷卻模塊方案在結(jié)構(gòu)上相似，對(duì)整車布置改動(dòng)較小，因此，在一定使用環(huán)境，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)功率較小或者散熱量較小的新能源車中具有一定適用性，其缺點(diǎn)是須增加冷卻系統(tǒng)的安裝空間；(3)在并聯(lián)式布置方案中，散熱器和中冷器都容易滿足發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)矩點(diǎn)的散熱需求，通過改進(jìn)散熱器設(shè)計(jì)以及合理匹配，也容易滿足標(biāo)定功率點(diǎn)的系統(tǒng)散熱需求，而且并聯(lián)式方案可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度和水溫的獨(dú)立控制，進(jìn)一步提高節(jié)能效果，但是該方案對(duì)安裝空間的要求比串聯(lián)式方案更高。

綜上所述，在傳統(tǒng)商用車中采用何種風(fēng)扇+散熱器冷卻模塊方案，需要綜合考慮性能、系統(tǒng)復(fù)雜性、成本和安裝空間等方面的要求，審慎選擇。

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