商用车多风扇冷却模块匹配研究*

张 毅，陆国栋，俞小莉，石海民,，张文锋，夏立峰

(1.浙江银轮机械股份有限公司，天台 317200； 2.温州大学机电工程学院，温州 325035； 3.浙江大学能源系，杭州 310027)

前言

为满足节能与环保法规要求，汽车行业对传统内燃机汽车的冷却系统进行了大量研究。文献[1]中对乘用车采用电子水泵和节温器的冷却系统方案进行了研究。文献[2]中对柴油机冷却系统的不同布置方案进行了研究，以缩短冷起动时间，降低排放并节能。文献[3]中利用一维和三维耦合仿真分析方法对乘用车发动机舱热系统进行了研究，但是在发动机后置的旅行车和公交车等商用车上，早先对消耗发动机功率较大的冷却风扇主要采用离合器或者液力驱动方式实现风扇转速可变，以降低能耗，现在开始采用多个电动风扇的冷却模块。相关道路试验表明，冷却效果良好，噪声降低而且节能6%～15%[4]。文献[5]中对多个风扇与散热器的交互作用以及风扇之间的相互作用进行了深入研究，但是这种多风扇-多散热器冷却模块的匹配研究在国内还较少报导，因此，文中针对某款客车冷却系统的传统冷却模块、多电动风扇-多散热器串联方案和并联方案进行了测试与匹配分析。

1 传统冷却模块匹配分析

1.1 传统冷却模块试验

在后置增压柴油机的城市客车和旅行车等商用车中，中冷器CAC和散热器RAD作为一个模块前后串联布置于冷却风道中，并通过大尺寸的冷却风扇提供冷却空气带走发动机多余的热量，结构如图1所示。某车型中配置的冷却模块经过路试，没有出现过热问题，该冷却模块的参数见表1。风扇为8叶，直径700mm，厚76mm，由于风扇性能试验数据不全，仅根据设计技术要求，计算了风扇的性能参数，见表2。

部件散热面积/m2迎风面积/m2芯体尺寸/mm散热器38.20.59878×672.5×56中冷器23.590.52820×632×65

表2 原风扇技术要求

基于等温差试验方法[6]，对中冷器、散热器以及中冷器和散热器模块在散热器风洞实验室完成了发动机标定功率点(工况1)和标定转矩点(工况2)时散热器的换热和压差性能试验。其中工况1时，保持散热器的热水和中冷器的热空气与发动机标定功率工况时的参数相近；工况2时，保持散热器的热水和中冷器的热空气与发动机最大转矩工况时的参数相近。

1.2 传统冷却模块与风扇匹配分析

根据测试数据绘制中冷器和散热器组成的冷却模块的压差特性，并在该图上添加风扇性能数据，见图2，由于风扇性能数据不完整，对传统冷却模块匹配仅作定性分析。

冷却模块处于工况1条件，风扇转速约为2 200r/min，从图2可知，当系统中产生的压差为738Pa时，求得风速va约为6.98m/s，小于原车要求的风速9m/s(对应体积流量5.32m3/s)。图3为散热器、中冷器和冷却模块散热性能曲线。从图3中曲线上插值求得中冷器和散热器的散热量分别为41.8和109.2kW，见表3。根据原车型匹配的发动机的热平衡试验数据得知，发动机标定功率点中冷器散热需求为39kW，散热器的散热需求为134kW，这说明在原型系统中，中冷器的散热性能超过需求，散热器性能不足。

冷却模块处于工况2条件，风扇转速为1 500r/min，压差为360Pa时，从图2中求得风速va约为4.72m/s，从图3中插值求得中冷器和散热器的散热量分别为34.2和76.5kW，见表3，测试数据与表3中系统需求数据对比，表明该冷却模块在发动机处于最大转矩工况时满足冷却要求。

表3 不同方案散热器性能参数 kW

为满足爬坡和加速的需要，商用车的储备功率较大，在实际使用中，最大转矩工况应用较多，而标定功率工况的应用较少，因此，尽管传统冷却模块中散热器散热性能与标定功率点的散热要求有一定差距，但在通常条件下使用，该车不会出现过热问题。但由表2的风扇输入轴功率数据可以看出，大尺寸机械传动风扇耗能大，为节能和便于控制，对采用多个电动风扇与多散热器组成可控冷却模块的多种方案进行匹配分析。

2.1 匹配方案

根据散热器尺寸和整车厂给定的安装尺寸，并结合对国内外大量电动风扇厂家参数的对比，选择相同静压下风量大的风扇，本文中选择某直流无刷电机驱动的风扇，其扇叶尺寸为Ф305mm，安装尺寸为Ф340mm，根据该风扇的测试数据，计算得到该风扇的输入电功率约为0.36kW。风扇与中冷器和散热器的安装方案主要有两种。

(1) 串联散热器模块方案 如图4所示，中冷器CAC、散热器RAD和风扇前后布置，并基于散热器尺寸和风量考虑，假设选取4、5、6个电动风扇，分别对应以下方案：串联1#、串联2#和串联3#。串联方案对整车布置改动较少。

(2) 并联散热器模块方案 把图4中的中冷器和散热器各自与多个电动风扇组成并联式冷却模块，或者称为分布式布置方案。并联方案包括：并联1#，散热器+4个风扇，中冷器+1个风扇；并联2#，散热器+5个风扇，中冷器+2个风扇；并联3#，散热器+6个风扇，中冷器+3个风扇。实际上是单独对散热器和中冷器进行匹配，该方案对整车布置改动大，安装空间也更大。

2.2 各方案匹配分析

通过试验获得电动风扇、散热器、中冷器以及散热器+中冷器模块的测试数据，并根据传统的风扇匹配方法，得到图5～图7所示的风扇-散热器的匹配曲线。

根据所得匹配曲线，通过插值求得不同个数风扇曲线与散热器压差特性曲线的交点，求得对应的风速va，然后根据va在图3曲线中插值求得各方案在发动机工况1和工况2时的散热量，数据汇总在表3中。分析表3中数据可知如下情况。

(1) 串联方案 ①中冷器的散热性能在两种工况下都满足系统要求；②两种工况中散热器散热量远小于发动机工况1的散热需求(134kW)，而且风扇由4个增加到6个，散热器的散热量由60.1kW增加到66.9kW，增加11.3%，而风扇个数增加50%。这主要是因为空-空中冷器的特性使中冷器的冷却空气侧通风面积较小，冷却风的阻力大，而散热器水侧管径很小，冷却空气侧通风面积大，使冷却空气侧压差小，但两者串联布置时，大阻力的中冷器使冷却空气流量大大减小，导致散热器散热量降低很多。使用大风扇时，由于压头高，风量大，容易满足车辆散热要求，但改用多个电动风扇的方案，较难满足大压头、大流量的要求。需要改进中冷器，并大量增加散热器的换热面积。另外，由于该方案不易实现对发动机进气温度和冷却液温度的单独控制，这背离了采用电动风扇使发动机恒温工作的初衷。但由于该方案符合整机厂对冷却系统布置改动较小的要求，而且相对并联方案而言，其安装空间较小，因此，该方案也具有一定适用性。

(2) 并联方案 ①所有方案在工况2的散热器散热量均大于发动机在标定转矩点的散热需求，而且也大于传统冷却模块方案中的散热量，说明该多风扇-散热器模块可以满足发动机在标定转矩点的散热需求，而标定转矩点的散热需求通常是传统商用车冷却系统中皮带驱动风扇难以达到的，它是导致冷却系统过热的主要原因之一，因此多电动风扇-散热器模块在满足标定转矩点工况时有优势；②所有方案在工况1的散热量均比发动机标定功率点散热需求(134kW)低，说明该多风扇-散热器模块在标定功率点无法满足需求，但与串联方案“中冷器-散热器-多风扇串联模块”的散热量相比提高了34.9～46.1kW，性能提高58%～69%。因此，相对于串联方案而言，并联方案中的散热器通过增加散热面积和增加风扇个数更容易满足标定功率点的散热需求，但安装空间更大；③中冷器与风扇匹配时，1个风扇在标定功率点时散热性能稍显不足，选用2～3个风扇时，两种工况下都能满足中冷器的散热需求，而且增加风扇个数对性能提高很少，因此，通过合理匹配与选型，只需采用1～2个风扇就可满足中冷器的散热需求。

综上所述，采用散热器+6个风扇和中冷器+2个风扇的方案比传统冷却模块的散热性能稍强，而8个电动风扇消耗功率为0.36×8=2.88kW，即使考虑发电机的效率，电动风扇所耗功率与表2中大尺寸机械传动风扇所耗功率相比，仍然具有较大优势。因此，采用多电动风扇-散热器模块的方案可以实现节能减排的目的。

3 结论

通过多电动风扇冷却模块测试和匹配分析表明：(1)为满足安装传统发动机的商用车的散热需求，采用压头小，风量较小的多电动风扇-散热器模块方案，仅靠简单增加电动风扇的数量，散热性能提升很小；(2)中冷器+散热器+多电动风扇串联式方案由于与传统冷却模块方案在结构上相似，对整车布置改动较小，因此，在一定使用环境，特别是发动机功率较小或者散热量较小的新能源车中具有一定适用性，其缺点是须增加冷却系统的安装空间；(3)在并联式布置方案中，散热器和中冷器都容易满足发动机标定转矩点的散热需求，通过改进散热器设计以及合理匹配，也容易满足标定功率点的系统散热需求，而且并联式方案可以实现发动机进气温度和水温的独立控制，进一步提高节能效果，但是该方案对安装空间的要求比串联式方案更高。

综上所述，在传统商用车中采用何种风扇+散热器冷却模块方案，需要综合考虑性能、系统复杂性、成本和安装空间等方面的要求，审慎选择。

参考文献

[1] Choi K W, Kim K B, Lee K H. Effect of New Cooling System in a Diesel Engine on Engine Performance and Emission Characteristics[J]. SAE International Journal of Engines,2009,2(1):77-82.

[2] Torregrosa A. Assessment of the Influence of Different Cooling System Configurations on Engine Warm-up, Emissions and Fuel Consumption[J]. International Journal of Automotive Technology,2008,9(4):447-458.

[3] 张宝亮,范秦寅,胡广洪,等.整车热管理的一维与三维耦合仿真[J].汽车工程,2011,33(6):493-496.

[4] 付强,朱陶锋.电子风扇在海格客车上的节能应用[J].客车技术与研究,2011(6):36-38.

[5] Stephens T, Cross T. Fan and Heat Exchanger Flow Interactions[C]. SAE Paper 2005-01-2004.

[6] 王忠,历宝录,黄成海,等.后置发动机客车机舱空间温度场的试验研究[J].汽车工程,2006,28(3):262-266.