多风扇冷却模块节能控制的试验研究*

石海民,俞小莉,陆国栋,黄钰期,刘震涛,黄 瑞

(1.浙江大学动力机械及车辆工程研究所,杭州 310027; 2.浙江银轮机械股份有限公司,天台 317200)

多风扇冷却模块节能控制的试验研究*

石海民1,2,俞小莉1,陆国栋2,黄钰期1,刘震涛1,黄 瑞1

(1.浙江大学动力机械及车辆工程研究所,杭州 310027; 2.浙江银轮机械股份有限公司,天台 317200)

为降低多风扇冷却模块风扇功耗,搭建了模块性能测试平台,对由4个冷却单元(风扇+散热器)不同组合构成的模块方案进行试验研究。结果表明:在对比4种不同模块性能的基础上提出的基于散热量要求的分段式控制方案可满足不同工况下风扇的节能要求。接着通过进一步改进发现,在风扇通风道上增设可调节的百叶窗,可使低散热需求段的模块性能提升7.27%～17.73%;而将散热器低、高温区域风扇转速比调至0.9时,又可使模块性能进一步提高约1.02%～2.13%。

商用车;多风扇冷却模块;节能控制;测试

前言

为满足日益严格的节能、环保要求,冷却系统精确控制成为发动机热管理技术发展的趋势。这些技术包括电子节温器技术[1]、电子水泵和节温器组合的热管理技术[2]以及节温器、水泵和风扇全部电子化的“电子化冷却系统”[3-4]。由多个电子风扇和各种散热器组成多风扇冷却模块也逐步在客车[4]、轻型货车[5]和中型货车[6]等商用车中得到应用。由于商用车功率大,冷却系统电子化所需能耗大,其中风_扇能耗占比又最大[7]。因此,对商用车中采用的多风扇冷却模块进行优化控制研究以降低风扇功耗非常必要。

现有报道中,文献[8]中利用CFD技术研究了多风扇与散热器的交互作用和风扇间的相互作用,但缺乏试验验证;文献[9]中研究了多风扇冷却模块匹配问题,提出了可满足发动机散热需求的匹配技术;文献[10]和文献[11]中对某六风扇冷却模块控制策略进行了研究,但未能结合模块应用情况做深入优化。

因此,为实现多风扇冷却模块中各电子风扇的组合匹配优化控制,并测试不同控制和匹配方法对模块性能的影响,特搭建多风扇冷却模块性能测试平台,对模块的优化控制策略进行试验研究,并结合模块安装结构做进一步优化,以实现相同风扇功耗下模块性能的最佳。

1 试验装置与试验方法

1.1 试验装置

本文中采用的试验装置如图1所示。试验台主要由冷却液循环与控制系统、冷却风道和数据采集分析系统等组成。为节省试验能耗,冷却液循环系统采用闭式系统,主要由冷却液蓄水箱、电加热器组、搅拌装置、电动水泵、流量调节阀和控制模块组成。冷却风道采用自由进、出口形式,未设置整流装置和引风机,以避免对测试流场造成干扰。冷却风道和测试管路都进行保温处理,以减小试验段的热量损失。

图1 试验装置示意图

1.2 试验方法

1.2.1 散热器冷却液温度和流量测量

冷却液采用50%乙二醇水溶液,冷却液温度采用PT100铂电阻温度传感器测量,精度为0.1℃。流量采用科氏力质量流量计测量,精度为0.15%。

1.2.2 散热器冷却液进、出口压差测量

压差采用在散热器进、出口管布置测压孔,利用压差变送器测量,精度为0.25%。

1.2.3 冷却风道空气温度测量

参考 GB/T 17758—2010《单元式空气调节机》[12],冷却风道进、出口采用“钉耙法”进行空气取样,用PT100铂电阻温度传感器测量取样温度,精度为0.1℃。同时,在风道出口段、距离芯子表面70mm处布置25个热电偶的测温网,测量出风口的温度分布,热电偶经标定后精度为0.1℃。

1.2.4 冷却风道空气流量测量

冷却空气流量采用文献[13]中提出的“斜压管不均匀冷却气流测量”方法,经校核后精度为0.5%。同时,在风道出口段、距离芯子表面40mm处采用热线风速仪等间距测量100个点的风速,以测量出风口的风速分布。

1.2.5 冷却风道空气压差测量

在进风口、风扇与散热器间和出风口布置3排测压孔,分别测量风扇静压和散热器前、后压差,压差由压差变送器测量,精度为0.25%。

1.2.6 风扇工作电流、电压测量

采用万用表测量风扇端电压,精度为0.15%。采用电流钳测量风扇工作电流,精度为0.15%。

1.3 数据采集与处理

试验中须确保达到热平衡稳定工况才能采集数据:冷却液流量调到设定值并保持稳定;冷热侧进、出口稳定并持续10min。热平衡计算模型为

式中:φ为热流量,kW;qm为质量流量,kg/s;Cp比定压热容,kJ/(kg·K);t为温度,℃;下标c为冷却液侧;下标a为空气侧;下标 in为进口;下标 out为出口。

尽管采取了保温措施,但管路热损失和测试误差仍不能完全消除,实际测试中很难完全满足式(3)的热平衡,而存在误差。相对热平衡误差为

JB/T 8577—2015《内燃机 水散热器 技术条件》[14]要求Δ≤5%。

表1 热平衡误差分析表

按式(4),对冷却液流量为3.0kg/s、风扇全部运转、转速为2 900r/min的测试点,进行热平衡误差分析,如表1所示,可见Δ=3.4%＜5%,满足要求。但为统一比较基础,本文散热器的散热量均采用φc值。

此外,由于测试系统控制精度的影响,测试时冷却液与空气进口温差即气液温差,很难恒定在要求值60℃,存在一定偏差值。故须将上述实际散热量φc转换为等效散热量φ′c:

式中Δtc-a为实测的气液温差,℃。

风扇功耗为

式中:I为电流;U为电压。

2 试验方案和条件

本文中研究对象是由4个电子风扇和单个散热器组成的多风扇冷却模块,模块安装测试情况如图2所示。散热器芯宽为810mm,高为802mm,厚为70mm。电子风扇性能如图3所示,图中标记下标为风扇转速。由图3可见,风扇效率随着风扇转速的降低而下降。另外,因受限于无刷无霍尔驱动技术,电子风扇均存在最低转速,本文中采用的电子风扇最低转速为1 025r/min。

图2 模块安装测试图

图3 电子风扇性能曲线

冷却液流经各风扇对应的散热芯子的流向安排为:高温冷却液从进口管流入后分为两部分:一部分先后流经风扇1和风扇3对应的散热芯子;另一部分先后流经风扇2和风扇4对应的散热芯子;两股冷却液在出水管汇合后流出散热器。各风扇对应散热芯子的气液温差大小关系为:风扇1≈风扇2＞风扇3≈风扇4。基于气液温差越大散热效果越好的原理,首先提出了4种模块风扇控制方案:方案1仅驱动风扇1,方案2仅驱动风扇1和2,方案3仅驱动风扇1～3,方案4驱动全部风扇;各方案风扇从1 025～4 100r/min等比例设置5个转速进行测试。其余试验条件:冷却液流量为3.0kg/s,冷却液进口温度与环境温度差为 60℃,环境温度为(24± 1.5)℃,直流电压为26.5V。

3 测试结果分析

图4为风扇转速在1 025～4 100r/min间等比例变化,方案1～4模块散热量随风扇功耗的变化情况。由图可见:随着风扇功耗的增加,各方案散热量增大;但增加幅度有显著不同,相同风扇功耗下,同时运转的风扇数量越多,单位风扇功率带走的散热量越大。以风扇功耗为0.52kW为例,方案4的散热量是方案1的近2倍。这一规律与文献[10]中的研究结论类似。因此,散热量超过一定值(φ≥33.38kW),采用方案4较其他方案节能效果明显。但由于前文所述原因,本文中电子风扇最小转速为1 025r/min,方案4的最小散热量为33.38kW,这不足以满足发动机全工况散热需求。以潍柴WP10.375柴油机为例,发动机转速为900r/min,转矩在10.56～78.89N·m之间变化,热平衡试验测得冷却液带走的热量为2.02～37.62kW。

图4 方案1～4模块散热量随风扇功耗变化

因此,本文中提出基于散热量要求的分段式控制方案(方案5),如图5所示。散热量φ≥33.38kW时,同时驱动4个风扇,风扇转速根据散热量大小调节;24.83kW≤φ＜33.38kW时,驱动1～3号风扇,风扇转速根据散热量在1 025～1 260r/min间调节; 17.05kW≤φ＜24.83kW时,驱动1和2号风扇,风扇转速根据散热量在 1 025～1 360r/min间调节; 8.74kW≤φ＜17.05kW时,仅驱动1号风扇,风扇转速根据散热量在1 025～1 760r/min间调节。

图5 基于散热量要求的分段式控制方案

4 优化改进方案与试验验证

对于上述控制方案,部分风扇工作时冷却空气均匀性较差。全部风扇工作时未充分利用散热器不同区域的气液温差的差异,因此,本节尝试对该方案做进一步的优化。

4.1 优化改进方案

针对低散热需求段部分风扇工作工况,拟采用在风扇通风孔处增加可调节的百叶窗提高模块性能。具体做法:将不工作风扇对应百叶窗完全闭合,使导风罩形成完整的静压腔,以提高冷却空气流场均匀性;而工作风扇对应的百叶窗完全打开;综合作用下,可提高模块性能。

针对高散热需求段全部风扇工作工况,利用散热器不同区域的气液温度的差异,相同风扇功耗下,调低低温区域对应风扇的转速,而调高散热器高温区域对应风扇的转速。具体做法:将风扇3和4与风扇1和2转速之比分别设置为1.0,0.9,0.8和0.7进行对比试验研究。

4.2 试验结果分析

图6为在风扇通风孔增加百叶窗后的改进效果。由于试验条件限制,测试过程中采用铝板直接封闭不工作风扇通风孔模拟百叶窗完全闭合效果,去除铝板模拟百叶窗完全打开效果,因此,图中未体现该措施对多高散热器需求段的影响。由图可见,采用百叶窗结构后对低散热需求段的换热效果提升幅度在7.27%～17.73%之间。

图6 风扇通风孔加百叶窗的改进效果

图7为将散热器低、高温区对应风扇不同转速控制策略的改进效果,图中标记d为风扇3和4转速与风扇1和2转速的比值,共测试了1.0,0.9,0.8和0.7 4个方案。由图可见,d=0.9时,换热效果最佳,在相同风扇功耗下,与d=1.0风扇以相同转速方案相比较性能提升幅度在1.02%～2.13%之间;进一步增大低、高温区对应风扇转速的差异,性能反而有所衰减:d=0.7方案相对于d=1.0方案,性能衰减幅度在-3.37% ～-6%。其原因可能是,提高高温区对应风扇转速有利于充分利用气液温差提高散热,但风扇转速的差异却使散热器冷却空气风速均匀性变差而不利于提高散热性能,两者综合作用的结果存在最佳转速比。

图7 高低温区风扇不同转速的改进效果

5 结论

本文中对4种不同风扇组合的控制方案进行了对比试验后,提出基于散热量要求的分段式控制方案,满足不同工况下风扇节能控制要求。制定该控制方案的方法可推广到其他多风扇冷却模块应用领域。

再对分段式控制方案做深入研究发现,在风扇通风孔上增设可调节的百叶窗,可提升低散热需求段的模块性能7.27%～17.73%;而进一步将散热器低、高温区域对应风扇设置成不同转速,当低温区域风扇与高温区域风扇转速之比为0.9时,又可将高散热需求段模块性能约提升1.02%～2.13%,这一优化思路可供借鉴。

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An Experimental Study on Energy-saving Control of Multi-fan Cooling Module

Shi Haimin1,2,Yu Xiaoli1,Lu Guodong2,Huang Yuqi1,Liu Zhentao1&Huang Rui1
1.Power Machinery and Vehicular Engineering Institute,Zhejiang University,Hangzhou 310027; 2.Zhejiang Yinlun Machinery Co.,Ltd.,Tiantai 317200

To reduce the energy consumption of multi-fan cooling module,a testing platform for the performance of cooling module is set up,and an experimental study is conducted on modules consisting of different combinations of cooling units(fan+radiator).The results show that on the basis of comparing the performance of different cooling modules,the proposed segmented control scheme based on heat dissipation demands can meet energy-saving requirements in different working conditions.Then further modifications indicate that adding shutters in fan duct can enhance module cooling performance by 7.27%to 17.73%at low heat dissipation demand segment; and by adjusting the fan speed ratio between low and high temperature zones to 0.9,the cooling performance of module can be further improved by about 1.02% ～2.13%.

commercial vehicle;multi-fan cooling module;energy-saving control;testing

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.01.017

*浙江省重大科技专项重点工业项目(2013C01002)资助。

原稿收到日期为2016年6月14日,修改稿收到日期为2016年8月17日。

黄瑞,助理研究员,E-mail:hrss@zju.edu.cn。