發(fā)動機匹配機械風(fēng)扇的校核方法

王書林，豆剛，張增光

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

傳統(tǒng)內(nèi)燃機在運行過程中由于燃料的燃燒及運動付的摩擦?xí)尫盘幋罅康臒?，這些無法被轉(zhuǎn)化為機械能的熱量被冷卻液帶走，冷卻液流經(jīng)散熱器，散熱器需配合風(fēng)扇將熱量釋放，并保持水溫平衡[1]。風(fēng)扇與散熱器的合理匹配，才能使發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)發(fā)揮最大作用，使發(fā)動機達(dá)到最佳工作狀態(tài)。

根據(jù)驅(qū)動型式，風(fēng)扇可分為機械風(fēng)扇和電子風(fēng)扇。機械風(fēng)扇由發(fā)動機動力驅(qū)動，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化。電子風(fēng)扇由電機控制，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速由電控策略控制。

本文以某款汽油發(fā)動機匹配機械風(fēng)扇為例，對風(fēng)扇性能進行校核。

表1 發(fā)動機參數(shù)

1 冷卻液散熱量計算

要校核風(fēng)扇的性能，首先要確認(rèn)風(fēng)扇需要從散熱器帶走多少熱量，即發(fā)動機冷卻液需要從發(fā)動機帶走多少熱量Qc。這個數(shù)值可采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行比例估算，對于一般內(nèi)燃機有：

發(fā)動機額定點冷卻液帶走的熱量與發(fā)動機功率的占比約為54%-58%。通常，只需針對冷卻能力要求最苛刻的工況點進行風(fēng)扇校核，當(dāng)風(fēng)扇的冷卻能力在此工況下能滿足要求，即可以選用這款風(fēng)扇[2]。一般的，對發(fā)動機最大扭矩點和額定點進行校核。

表2 冷卻液散熱量

2 風(fēng)量校核

2.1 最低需求進風(fēng)量

冷卻液散熱量可視為散熱器風(fēng)測的散熱量。根據(jù)以下公式可計算出實際最低需求進風(fēng)量。

其中qmin：實際最低需求進風(fēng)流量（m3/s）；

Qc：冷卻液散熱量（kw）；

C：空氣比熱容@45℃（KJ/kg·K），取1.01；

ρ：空氣密度@45℃（kg/m3），取1.11；

△T：空氣經(jīng)過散熱器的最大溫升（℃），取41℃；

k：進風(fēng)系數(shù) （對于吸風(fēng)風(fēng)扇取0.7-0.75），取0.725。

表3 最低需求進風(fēng)量

2.2 進氣風(fēng)阻

本發(fā)動機所配車型，散熱器布置在發(fā)動機前端，從整車前端依次往后布置為進氣格柵、散熱器、發(fā)動機（機械風(fēng)扇），風(fēng)扇為吸風(fēng)風(fēng)扇（將車外空氣吸入發(fā)動機倉）。為了計算風(fēng)扇的進風(fēng)風(fēng)阻，需要通過專項風(fēng)阻試驗實測[3]，對于處在開發(fā)階段的項目，無法在先期制作樣件進行試驗?？赏ㄟ^估算法估算，進氣風(fēng)阻取1.5 倍的散熱器風(fēng)阻值。此外，對于帶中冷器車型，且中冷器布置在散熱器前，進氣風(fēng)阻可取2.5-3倍散熱器風(fēng)阻值。

2.3 風(fēng)扇工作點

冷卻風(fēng)扇在某一系統(tǒng)的一定轉(zhuǎn)速下所能發(fā)揮的性能稱為風(fēng)扇的工作點[2]?？刹捎媚侈D(zhuǎn)速下風(fēng)扇性能曲線與進氣風(fēng)阻曲線的交點來求得。

對于某一特定轉(zhuǎn)速下的風(fēng)扇性能，可通過其他已測轉(zhuǎn)速風(fēng)扇性能，參考風(fēng)扇定理擬合得出對應(yīng)的靜壓-流量曲線。

根據(jù)風(fēng)扇定理，同一款風(fēng)扇的流量q、靜壓△p 與功率P在不同轉(zhuǎn)速n 下滿足以下關(guān)系[4]：

圖1 風(fēng)扇工作曲線

根據(jù)上圖曲線交點，得出不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇實際進風(fēng)量q：

表4 實際進風(fēng)量校核

當(dāng)q≥qmin時，評價為OK，即風(fēng)扇實際進風(fēng)量能夠滿足散熱需求。

3 風(fēng)扇最大線速度

風(fēng)扇最大葉尖線速度是指風(fēng)扇實際最高轉(zhuǎn)速下，風(fēng)扇葉尖的線速度。計算公式如下：

其中v：風(fēng)扇葉尖線速度(m/s)； n：發(fā)動機轉(zhuǎn)速（rpm)；

λ：風(fēng)扇帶輪與曲軸減震皮帶輪的傳動速比；

η：扇葉轉(zhuǎn)速與帶輪轉(zhuǎn)速的滑差系數(shù)，硅油離合風(fēng)扇一般取0.93；

d：風(fēng)扇扇葉直徑（mm）；

主要需要從可靠性和噪聲控制兩方面來校核。較高的葉尖線速度不僅使風(fēng)扇的可靠性變差，而且會產(chǎn)生較大的噪聲，降低乘客舒適性。

可靠性要求：風(fēng)扇葉尖線速度不大于100m/s；

噪聲控制要求：風(fēng)扇葉尖線速度不大于90m/s 為佳，噪聲問題也可通過發(fā)倉隔音等其他NVH 手段來解決。

此機型選用風(fēng)扇扇葉直徑為410mm，風(fēng)扇帶輪速比為1.19。通過以上公式計算可得，發(fā)動機4200rpm 時，風(fēng)扇扇葉的最大葉尖線速度為99.4m/s。此結(jié)果滿足風(fēng)扇可靠性要求，但噪聲控制方面稍差，后期在整車匹配時，應(yīng)重點關(guān)注NVH 表現(xiàn)。

4 結(jié)束語

通過對風(fēng)扇風(fēng)量及轉(zhuǎn)速的校核，此款機械風(fēng)扇性能滿足風(fēng)量需求，葉尖最大線速度為99.4m/s，應(yīng)關(guān)注噪聲表現(xiàn)。

本文通過某款汽油機匹配機械風(fēng)扇的風(fēng)扇校核，介紹了風(fēng)扇風(fēng)量及轉(zhuǎn)速的具體校核方法。其中，進風(fēng)風(fēng)阻采用估算法，在有條件的情況下，可采用實測或計算得出更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，使得校核結(jié)果更為可靠。