發動機匹配機械風扇的校核方法

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

傳統內燃機在運行過程中由于燃料的燃燒及運動付的摩擦會釋放處大量的熱，這些無法被轉化為機械能的熱量被冷卻液帶走，冷卻液流經散熱器，散熱器需配合風扇將熱量釋放，并保持水溫平衡[1]。風扇與散熱器的合理匹配，才能使發動機的冷卻系統發揮最大作用，使發動機達到最佳工作狀態。

根據驅動型式，風扇可分為機械風扇和電子風扇。機械風扇由發動機動力驅動，風扇轉速隨發動機轉速變化。電子風扇由電機控制，風扇轉速由電控策略控制。

本文以某款汽油發動機匹配機械風扇為例，對風扇性能進行校核。

表1 發動機參數

1 冷卻液散熱量計算

要校核風扇的性能，首先要確認風扇需要從散熱器帶走多少熱量，即發動機冷卻液需要從發動機帶走多少熱量Qc。這個數值可采用經驗數據進行比例估算，對于一般內燃機有：

發動機額定點冷卻液帶走的熱量與發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扇校核，當風扇的冷卻能力在此工況下能滿足要求，即可以選用這款風扇[2]。一般的，對發動機最大扭矩點和額定點進行校核。

表2 冷卻液散熱量

2 風量校核

2.1 最低需求進風量

冷卻液散熱量可視為散熱器風測的散熱量。根據以下公式可計算出實際最低需求進風量。

其中qmin：實際最低需求進風流量（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：空氣經過散熱器的最大溫升（℃），取41℃；

k：進風系數 （對于吸風風扇取0.7-0.75），取0.725。

表3 最低需求進風量

2.2 進氣風阻

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

2.3 風扇工作點

冷卻風扇在某一系統的一定轉速下所能發揮的性能稱為風扇的工作點[2]。可采用某轉速下風扇性能曲線與進氣風阻曲線的交點來求得。

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

根據風扇定理，同一款風扇的流量q、靜壓△p 與功率P在不同轉速n 下滿足以下關系[4]：

圖1 風扇工作曲線

根據上圖曲線交點，得出不同轉速下風扇實際進風量q：

表4 實際進風量校核

當q≥qmin時，評價為OK，即風扇實際進風量能夠滿足散熱需求。

3 風扇最大線速度

風扇最大葉尖線速度是指風扇實際最高轉速下，風扇葉尖的線速度。計算公式如下：

其中v：風扇葉尖線速度(m/s)； n：發動機轉速（rpm)；

λ：風扇帶輪與曲軸減震皮帶輪的傳動速比；

η：扇葉轉速與帶輪轉速的滑差系數，硅油離合風扇一般取0.93；

d：風扇扇葉直徑（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扇的可靠性變差，而且會產生較大的噪聲，降低乘客舒適性。

可靠性要求：風扇葉尖線速度不大于100m/s；

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

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

4 結束語

通過對風扇風量及轉速的校核，此款機械風扇性能滿足風量需求，葉尖最大線速度為99.4m/s，應關注噪聲表現。

本文通過某款汽油機匹配機械風扇的風扇校核，介紹了風扇風量及轉速的具體校核方法。其中，進風風阻采用估算法，在有條件的情況下，可采用實測或計算得出更為準確的數據，使得校核結果更為可靠。