輕卡發(fā)動機冷卻風(fēng)扇的性能優(yōu)化研究

摘要：基于某輕卡冷卻風(fēng)扇功耗優(yōu)化對冷卻風(fēng)扇優(yōu)化方法進行研究。采用CFD仿真對輕卡機艙進氣阻力進行分析，結(jié)果顯示，在中低速工況下，進氣壓力對機艙進風(fēng)量影響很小可以忽略，并得到機艙的進風(fēng)阻力曲線，進而獲得風(fēng)扇工作區(qū)間。通過對基礎(chǔ)風(fēng)扇參數(shù)設(shè)置放大系數(shù)的方式，建立參數(shù)化的風(fēng)扇簡化模型，并對風(fēng)扇葉型參數(shù)進行分析優(yōu)化，得到在工作區(qū)間內(nèi)風(fēng)扇軸功率顯著降低優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：輕卡；冷卻風(fēng)扇；仿真；參數(shù)化建模

中圖分類號：U464 收稿日期：2024-07-20

DOI：1019999/jcnki1004-0226202412008

1 前言

近年隨商用車油耗法規(guī)的不斷升級，商用車節(jié)油的壓力越來越大。輕卡發(fā)動機冷卻風(fēng)扇一般采用直連方式與發(fā)動機連接，直接消耗發(fā)動機的輸出功率，而隨著發(fā)動機功率提升，散熱需求增大，帶來了風(fēng)扇直徑或轉(zhuǎn)速的增加，風(fēng)扇功耗顯著升高，進而影響油耗，因此如何降低冷卻風(fēng)扇功耗就成為具有研究價值的課題。

本研究通過CFD仿真分析機艙進氣阻力，分析該風(fēng)扇的工作區(qū)間，以區(qū)間內(nèi)某一工作點為基礎(chǔ)并結(jié)合參數(shù)化建模方法對某款輕卡發(fā)動機風(fēng)扇的功耗進行優(yōu)化。

2 風(fēng)扇工作點仿真分析

輕卡散熱器布置不同于重卡，受空間限制距離車身前端較遠，多數(shù)情況只能布置在駕駛室地板中后方，進風(fēng)通道受車身地板、車架橫梁阻擋，同時底盤管線從駕駛室前部接入，也阻礙了進風(fēng)。一方面造成散熱器表面風(fēng)速的均勻性差，另一方面由于進氣通道長且受各部件管路的影響，減弱了前方進氣風(fēng)壓的作用，導(dǎo)致機艙進氣阻力升高，機艙布置如圖1所示。因此項目前期估算得到的輕卡風(fēng)扇工作點與CFD仿真及試驗總存在較大偏差［1］。

采用CFD仿真方法可以結(jié)合機艙和冷卻包布置對進氣阻力進行整體計算，得到較為準(zhǔn)確的機艙阻力，從而得到風(fēng)扇的工作點。

2.1 風(fēng)壓對進風(fēng)量的影響

輕卡冷卻能力主要考察中低速最大扭矩和最大功率點的熱平衡溫度，對比扭矩點和功率點下，車輛靜態(tài)和行進時的風(fēng)扇靜壓及風(fēng)量如表1所示。

在扭矩點和功率點工況下，車速產(chǎn)生的風(fēng)壓對散熱器進氣量影響很小，可采用車輛靜態(tài)條件仿真計算機艙進氣阻力。

2.2 機艙進氣阻力計算

通過設(shè)定不同的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，得到車輛靜態(tài)條件下的機艙進氣阻力，如表2所示。

2.3 風(fēng)扇工作區(qū)間確定

風(fēng)扇工作點由風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和進氣阻力共同確定，對應(yīng)不同轉(zhuǎn)速，存在多個工作點形成的工作區(qū)間，如僅針對個別工作點進行優(yōu)化，無法判斷所有工作點上均具有優(yōu)化效果［2］。為獲得風(fēng)扇的工作區(qū)間，根據(jù)供應(yīng)商提供的風(fēng)扇臺架試驗數(shù)據(jù)擬合多個轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇的流量靜壓曲線，與各曲線與機艙進氣阻力的交點即為風(fēng)扇對應(yīng)轉(zhuǎn)速的工作點，如圖2所示。

根據(jù)上式可將不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為同一轉(zhuǎn)速下的流量靜壓。本案例中將各工作點轉(zhuǎn)換為3 300 r/min下的數(shù)據(jù)點，如表3所示。

根據(jù)表3得到風(fēng)扇的總體工作區(qū)間為2～2.3 m3/s，考慮高速工況下風(fēng)壓影響增大，風(fēng)量提升，流量工作區(qū)間定為2～2.5 m3/s。

3 風(fēng)扇性能優(yōu)化

3.1 風(fēng)扇參數(shù)化建模方法

基礎(chǔ)風(fēng)扇已選用滿足冷卻性能需求的最小直徑，在此基礎(chǔ)上考慮通過風(fēng)扇葉型優(yōu)化達成降低風(fēng)扇功率的優(yōu)化目標(biāo)。決定風(fēng)扇葉型的參數(shù)包括前緣角、后緣角、安裝角、弦長、周向彎曲度、前后掠彎曲度等，根據(jù)以往的研究經(jīng)驗，前緣角、安裝角、弦長、周向彎曲度、前后掠彎曲度對性能影響具有更高的敏感度，選取以上參數(shù)作為優(yōu)化對象。

為實現(xiàn)風(fēng)扇葉型參數(shù)化，對基礎(chǔ)風(fēng)扇模型進行簡化，去除多余的加強筋結(jié)構(gòu)，僅保留主扇葉型面，輪轂使用簡單圓柱體代替。風(fēng)扇葉柵的參數(shù)化通過不同半徑的扇葉斷面并生成中弧線，測量中弧線得到前緣角等初始扇葉參數(shù)［3］。通過三次多項式對中弧線進行擬合，實現(xiàn)中弧線參數(shù)化。通過放大系數(shù)可以得到基于基礎(chǔ)風(fēng)扇不同前緣角、安裝角、弦長，再根據(jù)這三個參數(shù)計算得到對應(yīng)的中弧線，進而生成葉柵，如圖3所示。

風(fēng)扇葉片的周向彎曲和前后掠彎曲，可通過葉柵相對坐標(biāo)的偏移實現(xiàn)，初始偏移量根據(jù)基礎(chǔ)風(fēng)扇測量獲得，在此基礎(chǔ)上使用放大系數(shù)增大中間葉柵的偏移量即可得到不同的葉片彎曲度。

生成的葉柵通過CAD軟件即可生成對應(yīng)的風(fēng)扇葉片模型，并根據(jù)葉片數(shù)量、輪轂直徑參數(shù)完成葉片陣列和輪轂建模，如圖4所示。

通過上述前緣角、安裝角、弦長、周向彎曲、前后掠彎曲的放大系數(shù)變化，即不同的風(fēng)扇方案，再結(jié)合CFD仿真分析找到最優(yōu)解。

3.2 風(fēng)扇設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化

為減小計算量，優(yōu)化分析選擇風(fēng)扇工作區(qū)間內(nèi)的一點，同時簡化風(fēng)扇仿真模型，使用多孔介質(zhì)交界面模擬進氣阻力，控制風(fēng)扇工作點達到預(yù)設(shè)值，如圖5所示。

風(fēng)扇參數(shù)可通過DOE、遺傳算法等方式進行優(yōu)化，但由于參數(shù)較多，需要大量的樣本數(shù)量，仿真計算量大，時間長。對于工程應(yīng)用，為滿足項目開發(fā)節(jié)點，往往基于專家經(jīng)驗進行多個方案的優(yōu)選［4］。本案例結(jié)合開發(fā)經(jīng)驗制定了幾種不同的參數(shù)組合，在組合中進行參數(shù)的尋優(yōu)，這樣就顯著減小了樣本分析數(shù)量，再根據(jù)計算結(jié)果優(yōu)選方案，如表4所示。

3.3 優(yōu)化方案的驗證

從上述優(yōu)化方案中選擇op1與op4進行模型的結(jié)構(gòu)細化與分析驗證。完善風(fēng)扇結(jié)構(gòu)特征使其具備樣件試制與試驗條件，風(fēng)扇結(jié)構(gòu)完善后分別進行了仿真與臺架試驗，結(jié)果如表5所示。

兩個優(yōu)化方案軸功率下降較明顯，但同時流量均有一定程度降低，其中op1方案具有更顯著的降功耗效果，可作為低功耗風(fēng)扇方案進行進一步的匹配研究。

4 結(jié)語

本文基于某輕卡冷卻風(fēng)扇功耗優(yōu)化對冷卻風(fēng)扇優(yōu)化方法進行研究。研究過程中通過CFD仿真對輕卡機艙進氣阻力進行分析，結(jié)果顯示在中低速工況下，進氣壓力對機艙進風(fēng)量影響很小可以忽略，并得到機艙的進風(fēng)阻力曲線，進而獲得風(fēng)扇工作區(qū)間。通過對基礎(chǔ)風(fēng)扇參數(shù)設(shè)置放大系數(shù)的方式，建立參數(shù)化的風(fēng)扇簡化模型，對風(fēng)扇葉型參數(shù)進行分析優(yōu)化，得到在工作區(qū)間內(nèi)風(fēng)扇軸功率顯著降低優(yōu)化方案。該方法可以為冷卻風(fēng)扇性能優(yōu)化提供一定的參考。

參考文獻：

[1]王海航發(fā)動機冷卻風(fēng)扇與冷卻系統(tǒng)的匹配[J]車用發(fā)動機，2006（4）：1-6

[2]王天宇，王霄，劉會霞，等發(fā)動機冷卻風(fēng)扇性能的優(yōu)化設(shè)計研究[J]機電工程，2015（6）：744-749

[3]賀航，郭浪，張鑫，等汽車發(fā)動機冷卻風(fēng)扇選型方法[J]汽車工程師，2017（3）：34-36

[4]王振寧，王紅基于計算流體力學(xué)汽車冷卻風(fēng)扇優(yōu)化設(shè)計[J]機械設(shè)計與制造，2016（10）：182-186.

作者簡介

解聰，男，1987年生，工程師，研究方向為計算流體動力學(xué)仿真。