多風扇冷卻模塊節能控制的試驗研究*

石海民,俞小莉,陸國棟,黃鈺期,劉震濤,黃 瑞

(1.浙江大學動力機械及車輛工程研究所,杭州 310027; 2.浙江銀輪機械股份有限公司,天臺 317200)

多風扇冷卻模塊節能控制的試驗研究*

石海民1,2,俞小莉1,陸國棟2,黃鈺期1,劉震濤1,黃 瑞1

(1.浙江大學動力機械及車輛工程研究所,杭州 310027; 2.浙江銀輪機械股份有限公司,天臺 317200)

為降低多風扇冷卻模塊風扇功耗,搭建了模塊性能測試平臺,對由4個冷卻單元(風扇+散熱器)不同組合構成的模塊方案進行試驗研究。結果表明:在對比4種不同模塊性能的基礎上提出的基于散熱量要求的分段式控制方案可滿足不同工況下風扇的節能要求。接著通過進一步改進發現,在風扇通風道上增設可調節的百葉窗,可使低散熱需求段的模塊性能提升7.27%～17.73%;而將散熱器低、高溫區域風扇轉速比調至0.9時,又可使模塊性能進一步提高約1.02%～2.13%。

商用車;多風扇冷卻模塊;節能控制;測試

前言

為滿足日益嚴格的節能、環保要求,冷卻系統精確控制成為發動機熱管理技術發展的趨勢。這些技術包括電子節溫器技術[1]、電子水泵和節溫器組合的熱管理技術[2]以及節溫器、水泵和風扇全部電子化的“電子化冷卻系統”[3-4]。由多個電子風扇和各種散熱器組成多風扇冷卻模塊也逐步在客車[4]、輕型貨車[5]和中型貨車[6]等商用車中得到應用。由于商用車功率大,冷卻系統電子化所需能耗大,其中風_扇能耗占比又最大[7]。因此,對商用車中采用的多風扇冷卻模塊進行優化控制研究以降低風扇功耗非常必要。

現有報道中,文獻[8]中利用CFD技術研究了多風扇與散熱器的交互作用和風扇間的相互作用,但缺乏試驗驗證;文獻[9]中研究了多風扇冷卻模塊匹配問題,提出了可滿足發動機散熱需求的匹配技術;文獻[10]和文獻[11]中對某六風扇冷卻模塊控制策略進行了研究,但未能結合模塊應用情況做深入優化。

因此,為實現多風扇冷卻模塊中各電子風扇的組合匹配優化控制,并測試不同控制和匹配方法對模塊性能的影響,特搭建多風扇冷卻模塊性能測試平臺,對模塊的優化控制策略進行試驗研究,并結合模塊安裝結構做進一步優化,以實現相同風扇功耗下模塊性能的最佳。

1 試驗裝置與試驗方法

1.1 試驗裝置

本文中采用的試驗裝置如圖1所示。試驗臺主要由冷卻液循環與控制系統、冷卻風道和數據采集分析系統等組成。為節省試驗能耗,冷卻液循環系統采用閉式系統,主要由冷卻液蓄水箱、電加熱器組、攪拌裝置、電動水泵、流量調節閥和控制模塊組成。冷卻風道采用自由進、出口形式,未設置整流裝置和引風機,以避免對測試流場造成干擾。冷卻風道和測試管路都進行保溫處理,以減小試驗段的熱量損失。

圖1 試驗裝置示意圖

1.2 試驗方法

1.2.1 散熱器冷卻液溫度和流量測量

冷卻液采用50%乙二醇水溶液,冷卻液溫度采用PT100鉑電阻溫度傳感器測量,精度為0.1℃。流量采用科氏力質量流量計測量,精度為0.15%。

1.2.2 散熱器冷卻液進、出口壓差測量

壓差采用在散熱器進、出口管布置測壓孔,利用壓差變送器測量,精度為0.25%。

1.2.3 冷卻風道空氣溫度測量

參考 GB/T 17758—2010《單元式空氣調節機》[12],冷卻風道進、出口采用“釘耙法”進行空氣取樣,用PT100鉑電阻溫度傳感器測量取樣溫度,精度為0.1℃。同時,在風道出口段、距離芯子表面70mm處布置25個熱電偶的測溫網,測量出風口的溫度分布,熱電偶經標定后精度為0.1℃。

1.2.4 冷卻風道空氣流量測量

冷卻空氣流量采用文獻[13]中提出的“斜壓管不均勻冷卻氣流測量”方法,經校核后精度為0.5%。同時,在風道出口段、距離芯子表面40mm處采用熱線風速儀等間距測量100個點的風速,以測量出風口的風速分布。

1.2.5 冷卻風道空氣壓差測量

在進風口、風扇與散熱器間和出風口布置3排測壓孔,分別測量風扇靜壓和散熱器前、后壓差,壓差由壓差變送器測量,精度為0.25%。

1.2.6 風扇工作電流、電壓測量

采用萬用表測量風扇端電壓,精度為0.15%。采用電流鉗測量風扇工作電流,精度為0.15%。

1.3 數據采集與處理

試驗中須確保達到熱平衡穩定工況才能采集數據:冷卻液流量調到設定值并保持穩定;冷熱側進、出口穩定并持續10min。熱平衡計算模型為

式中:φ為熱流量,kW;qm為質量流量,kg/s;Cp比定壓熱容,kJ/(kg·K);t為溫度,℃;下標c為冷卻液側;下標a為空氣側;下標 in為進口;下標 out為出口。

盡管采取了保溫措施,但管路熱損失和測試誤差仍不能完全消除,實際測試中很難完全滿足式(3)的熱平衡,而存在誤差。相對熱平衡誤差為

JB/T 8577—2015《內燃機 水散熱器 技術條件》[14]要求Δ≤5%。

表1 熱平衡誤差分析表

按式(4),對冷卻液流量為3.0kg/s、風扇全部運轉、轉速為2 900r/min的測試點,進行熱平衡誤差分析,如表1所示,可見Δ=3.4%＜5%,滿足要求。但為統一比較基礎,本文散熱器的散熱量均采用φc值。

此外,由于測試系統控制精度的影響,測試時冷卻液與空氣進口溫差即氣液溫差,很難恒定在要求值60℃,存在一定偏差值。故須將上述實際散熱量φc轉換為等效散熱量φ′c:

式中Δtc-a為實測的氣液溫差,℃。

風扇功耗為

式中:I為電流;U為電壓。

2 試驗方案和條件

本文中研究對象是由4個電子風扇和單個散熱器組成的多風扇冷卻模塊,模塊安裝測試情況如圖2所示。散熱器芯寬為810mm,高為802mm,厚為70mm。電子風扇性能如圖3所示,圖中標記下標為風扇轉速。由圖3可見,風扇效率隨著風扇轉速的降低而下降。另外,因受限于無刷無霍爾驅動技術,電子風扇均存在最低轉速,本文中采用的電子風扇最低轉速為1 025r/min。

圖2 模塊安裝測試圖

圖3 電子風扇性能曲線

冷卻液流經各風扇對應的散熱芯子的流向安排為:高溫冷卻液從進口管流入后分為兩部分:一部分先后流經風扇1和風扇3對應的散熱芯子;另一部分先后流經風扇2和風扇4對應的散熱芯子;兩股冷卻液在出水管匯合后流出散熱器。各風扇對應散熱芯子的氣液溫差大小關系為:風扇1≈風扇2＞風扇3≈風扇4。基于氣液溫差越大散熱效果越好的原理,首先提出了4種模塊風扇控制方案:方案1僅驅動風扇1,方案2僅驅動風扇1和2,方案3僅驅動風扇1～3,方案4驅動全部風扇;各方案風扇從1 025～4 100r/min等比例設置5個轉速進行測試。其余試驗條件:冷卻液流量為3.0kg/s,冷卻液進口溫度與環境溫度差為 60℃,環境溫度為(24± 1.5)℃,直流電壓為26.5V。

3 測試結果分析

圖4為風扇轉速在1 025～4 100r/min間等比例變化,方案1～4模塊散熱量隨風扇功耗的變化情況。由圖可見:隨著風扇功耗的增加,各方案散熱量增大;但增加幅度有顯著不同,相同風扇功耗下,同時運轉的風扇數量越多,單位風扇功率帶走的散熱量越大。以風扇功耗為0.52kW為例,方案4的散熱量是方案1的近2倍。這一規律與文獻[10]中的研究結論類似。因此,散熱量超過一定值(φ≥33.38kW),采用方案4較其他方案節能效果明顯。但由于前文所述原因,本文中電子風扇最小轉速為1 025r/min,方案4的最小散熱量為33.38kW,這不足以滿足發動機全工況散熱需求。以濰柴WP10.375柴油機為例,發動機轉速為900r/min,轉矩在10.56～78.89N·m之間變化,熱平衡試驗測得冷卻液帶走的熱量為2.02～37.62kW。

圖4 方案1～4模塊散熱量隨風扇功耗變化

因此,本文中提出基于散熱量要求的分段式控制方案(方案5),如圖5所示。散熱量φ≥33.38kW時,同時驅動4個風扇,風扇轉速根據散熱量大小調節;24.83kW≤φ＜33.38kW時,驅動1～3號風扇,風扇轉速根據散熱量在1 025～1 260r/min間調節; 17.05kW≤φ＜24.83kW時,驅動1和2號風扇,風扇轉速根據散熱量在 1 025～1 360r/min間調節; 8.74kW≤φ＜17.05kW時,僅驅動1號風扇,風扇轉速根據散熱量在1 025～1 760r/min間調節。

圖5 基于散熱量要求的分段式控制方案

4 優化改進方案與試驗驗證

對于上述控制方案,部分風扇工作時冷卻空氣均勻性較差。全部風扇工作時未充分利用散熱器不同區域的氣液溫差的差異,因此,本節嘗試對該方案做進一步的優化。

4.1 優化改進方案

針對低散熱需求段部分風扇工作工況,擬采用在風扇通風孔處增加可調節的百葉窗提高模塊性能。具體做法:將不工作風扇對應百葉窗完全閉合,使導風罩形成完整的靜壓腔,以提高冷卻空氣流場均勻性;而工作風扇對應的百葉窗完全打開;綜合作用下,可提高模塊性能。

針對高散熱需求段全部風扇工作工況,利用散熱器不同區域的氣液溫度的差異,相同風扇功耗下,調低低溫區域對應風扇的轉速,而調高散熱器高溫區域對應風扇的轉速。具體做法:將風扇3和4與風扇1和2轉速之比分別設置為1.0,0.9,0.8和0.7進行對比試驗研究。

4.2 試驗結果分析

圖6為在風扇通風孔增加百葉窗后的改進效果。由于試驗條件限制,測試過程中采用鋁板直接封閉不工作風扇通風孔模擬百葉窗完全閉合效果,去除鋁板模擬百葉窗完全打開效果,因此,圖中未體現該措施對多高散熱器需求段的影響。由圖可見,采用百葉窗結構后對低散熱需求段的換熱效果提升幅度在7.27%～17.73%之間。

圖6 風扇通風孔加百葉窗的改進效果

圖7為將散熱器低、高溫區對應風扇不同轉速控制策略的改進效果,圖中標記d為風扇3和4轉速與風扇1和2轉速的比值,共測試了1.0,0.9,0.8和0.7 4個方案。由圖可見,d=0.9時,換熱效果最佳,在相同風扇功耗下,與d=1.0風扇以相同轉速方案相比較性能提升幅度在1.02%～2.13%之間;進一步增大低、高溫區對應風扇轉速的差異,性能反而有所衰減:d=0.7方案相對于d=1.0方案,性能衰減幅度在-3.37% ～-6%。其原因可能是,提高高溫區對應風扇轉速有利于充分利用氣液溫差提高散熱,但風扇轉速的差異卻使散熱器冷卻空氣風速均勻性變差而不利于提高散熱性能,兩者綜合作用的結果存在最佳轉速比。

圖7 高低溫區風扇不同轉速的改進效果

5 結論

本文中對4種不同風扇組合的控制方案進行了對比試驗后,提出基于散熱量要求的分段式控制方案,滿足不同工況下風扇節能控制要求。制定該控制方案的方法可推廣到其他多風扇冷卻模塊應用領域。

再對分段式控制方案做深入研究發現,在風扇通風孔上增設可調節的百葉窗,可提升低散熱需求段的模塊性能7.27%～17.73%;而進一步將散熱器低、高溫區域對應風扇設置成不同轉速,當低溫區域風扇與高溫區域風扇轉速之比為0.9時,又可將高散熱需求段模塊性能約提升1.02%～2.13%,這一優化思路可供借鑒。

[1] CHANFREAU M,GESSIER B,FARKH A,et al.The need for an electrical water valve in a thermal management intelligent system (THEMISTM)[C].SAE Paper 2003-01-0274.

[2] CHOI K W,KIM K B,LEE K H.Effect of new cooling system in a diesel engine on engine performance and emission characteristics [C].SAE Paper 2009-01-0177.

[3] CHOUKROUN A,CHANFREAU M.Automatic control of electronic actuators for an optimized engine cooling thermal management[C]. SAE Paper 2001-01-1758.

[4] PAGE R,BEDOGNE R,STEINME T,et al.A“mini-hybrid”transit bus with electrified cooling system[C].SAE Paper 2006-01-347.

[5] CHALGREN R D,ALLEN D J.Light duty diesel advanced thermal management[C].SAE Paper 2005-01-2020.

[6] PAGE R W,HNATCZUK W J,KOZIEROWSKI J.Improved thermal control&fuel economy in an army medium tactical vehicle [C].SAE Paper 2005-01-2068.

[7] SALAH M H,PRICK P M,WAGNER J R,et al.Hydraulic actuated automotive cooling systems-nonlinear control and test[J]. Control Engineering Practice,2009,17(5):609-621.

[8] STEPHENS T,CROSS T.Fan and heat exchanger flow interaction [C].SAE Paper 2005-01-2004.

[9] 張毅,陸國棟,俞小莉,等.商用車多風扇冷卻模塊匹配研究[J].汽車工程,2014,36(5):552-555,565.

[10] WANG T W,JAGARWAL A,WAGNER J R,et al.Optimization of an automotive radiator fan array operation to reduce power consumption[J].IEEE-ASME Transactions Mechatronics,2015, 20(5):2359-2369.

[11] WANG T W,WAGNER J R.Advanced automotive thermal management-nonlinear radiator fan matrix control[J].Control Engineering Practice,2015,41:113-123.

[12] 全國冷凍空調標準化技術委員會.GB/T 17758—2010單元式空氣調節機[S].北京:中國標準出版社,2010.

[13] 呂峰.商用車冷卻模塊匹配設計方法研究[D].杭州:浙江大學,2011.

[14] 全國內燃機標準化技術委員會.JB/T 8577—2015內燃機 水散熱器技術條件[S].北京:機械工業出版社,2016.

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

*浙江省重大科技專項重點工業項目(2013C01002)資助。

原稿收到日期為2016年6月14日,修改稿收到日期為2016年8月17日。

黃瑞,助理研究員,E-mail:hrss@zju.edu.cn。