轻卡发动机冷却风扇的性能优化研究

摘要：基于某轻卡冷却风扇功耗优化对冷却风扇优化方法进行研究。采用CFD仿真对轻卡机舱进气阻力进行分析，结果显示，在中低速工况下，进气压力对机舱进风量影响很小可以忽略，并得到机舱的进风阻力曲线，进而获得风扇工作区间。通过对基础风扇参数设置放大系数的方式，建立参数化的风扇简化模型，并对风扇叶型参数进行分析优化，得到在工作区间内风扇轴功率显著降低优化方案。

关键词：轻卡；冷却风扇；仿真；参数化建模

中图分类号：U464 收稿日期：2024-07-20

DOI：1019999/jcnki1004-0226202412008

1 前言

近年随商用车油耗法规的不断升级，商用车节油的压力越来越大。轻卡发动机冷却风扇一般采用直连方式与发动机连接，直接消耗发动机的输出功率，而随着发动机功率提升，散热需求增大，带来了风扇直径或转速的增加，风扇功耗显著升高，进而影响油耗，因此如何降低冷却风扇功耗就成为具有研究价值的课题。

本研究通过CFD仿真分析机舱进气阻力，分析该风扇的工作区间，以区间内某一工作点为基础并结合参数化建模方法对某款轻卡发动机风扇的功耗进行优化。

2 风扇工作点仿真分析

轻卡散热器布置不同于重卡，受空间限制距离车身前端较远，多数情况只能布置在驾驶室地板中后方，进风通道受车身地板、车架横梁阻挡，同时底盘管线从驾驶室前部接入，也阻碍了进风。一方面造成散热器表面风速的均匀性差，另一方面由于进气通道长且受各部件管路的影响，减弱了前方进气风压的作用，导致机舱进气阻力升高，机舱布置如图1所示。因此项目前期估算得到的轻卡风扇工作点与CFD仿真及试验总存在较大偏差［1］。

采用CFD仿真方法可以结合机舱和冷却包布置对进气阻力进行整体计算，得到较为准确的机舱阻力，从而得到风扇的工作点。

2.1 风压对进风量的影响

轻卡冷却能力主要考察中低速最大扭矩和最大功率点的热平衡温度，对比扭矩点和功率点下，车辆静态和行进时的风扇静压及风量如表1所示。

在扭矩点和功率点工况下，车速产生的风压对散热器进气量影响很小，可采用车辆静态条件仿真计算机舱进气阻力。

2.2 机舱进气阻力计算

通过设定不同的风扇转速，得到车辆静态条件下的机舱进气阻力，如表2所示。

2.3 风扇工作区间确定

风扇工作点由风扇转速和进气阻力共同确定，对应不同转速，存在多个工作点形成的工作区间，如仅针对个别工作点进行优化，无法判断所有工作点上均具有优化效果［2］。为获得风扇的工作区间，根据供应商提供的风扇台架试验数据拟合多个转速下风扇的流量静压曲线，与各曲线与机舱进气阻力的交点即为风扇对应转速的工作点，如图2所示。

根据上式可将不同转速转换为同一转速下的流量静压。本案例中将各工作点转换为3 300 r/min下的数据点，如表3所示。

根据表3得到风扇的总体工作区间为2～2.3 m3/s，考虑高速工况下风压影响增大，风量提升，流量工作区间定为2～2.5 m3/s。

3 风扇性能优化

3.1 风扇参数化建模方法

基础风扇已选用满足冷却性能需求的最小直径，在此基础上考虑通过风扇叶型优化达成降低风扇功率的优化目标。决定风扇叶型的参数包括前缘角、后缘角、安装角、弦长、周向弯曲度、前后掠弯曲度等，根据以往的研究经验，前缘角、安装角、弦长、周向弯曲度、前后掠弯曲度对性能影响具有更高的敏感度，选取以上参数作为优化对象。

为实现风扇叶型参数化，对基础风扇模型进行简化，去除多余的加强筋结构，仅保留主扇叶型面，轮毂使用简单圆柱体代替。风扇叶栅的参数化通过不同半径的扇叶断面并生成中弧线，测量中弧线得到前缘角等初始扇叶参数［3］。通过三次多项式对中弧线进行拟合，实现中弧线参数化。通过放大系数可以得到基于基础风扇不同前缘角、安装角、弦长，再根据这三个参数计算得到对应的中弧线，进而生成叶栅，如图3所示。

风扇叶片的周向弯曲和前后掠弯曲，可通过叶栅相对坐标的偏移实现，初始偏移量根据基础风扇测量获得，在此基础上使用放大系数增大中间叶栅的偏移量即可得到不同的叶片弯曲度。

生成的叶栅通过CAD软件即可生成对应的风扇叶片模型，并根据叶片数量、轮毂直径参数完成叶片阵列和轮毂建模，如图4所示。

通过上述前缘角、安装角、弦长、周向弯曲、前后掠弯曲的放大系数变化，即不同的风扇方案，再结合CFD仿真分析找到最优解。

3.2 风扇设计参数的优化

为减小计算量，优化分析选择风扇工作区间内的一点，同时简化风扇仿真模型，使用多孔介质交界面模拟进气阻力，控制风扇工作点达到预设值，如图5所示。

风扇参数可通过DOE、遗传算法等方式进行优化，但由于参数较多，需要大量的样本数量，仿真计算量大，时间长。对于工程应用，为满足项目开发节点，往往基于专家经验进行多个方案的优选［4］。本案例结合开发经验制定了几种不同的参数组合，在组合中进行参数的寻优，这样就显著减小了样本分析数量，再根据计算结果优选方案，如表4所示。

3.3 优化方案的验证

从上述优化方案中选择op1与op4进行模型的结构细化与分析验证。完善风扇结构特征使其具备样件试制与试验条件，风扇结构完善后分别进行了仿真与台架试验，结果如表5所示。

两个优化方案轴功率下降较明显，但同时流量均有一定程度降低，其中op1方案具有更显著的降功耗效果，可作为低功耗风扇方案进行进一步的匹配研究。

4 结语

本文基于某轻卡冷却风扇功耗优化对冷却风扇优化方法进行研究。研究过程中通过CFD仿真对轻卡机舱进气阻力进行分析，结果显示在中低速工况下，进气压力对机舱进风量影响很小可以忽略，并得到机舱的进风阻力曲线，进而获得风扇工作区间。通过对基础风扇参数设置放大系数的方式，建立参数化的风扇简化模型，对风扇叶型参数进行分析优化，得到在工作区间内风扇轴功率显著降低优化方案。该方法可以为冷却风扇性能优化提供一定的参考。

参考文献：

[1]王海航发动机冷却风扇与冷却系统的匹配[J]车用发动机，2006（4）：1-6

[2]王天宇，王霄，刘会霞，等发动机冷却风扇性能的优化设计研究[J]机电工程，2015（6）：744-749

[3]贺航，郭浪，张鑫，等汽车发动机冷却风扇选型方法[J]汽车工程师，2017（3）：34-36

[4]王振宁，王红基于计算流体力学汽车冷却风扇优化设计[J]机械设计与制造，2016（10）：182-186.

作者简介

解聪，男，1987年生，工程师，研究方向为计算流体动力学仿真。