多風(fēng)扇冷卻模塊節(jié)能控制的試驗(yàn)研究*

石海民1,2,俞小莉1,陸國(guó)棟2,黃鈺期1,劉震濤1,黃 瑞1

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

[摘要] 為降低多風(fēng)扇冷卻模塊風(fēng)扇功耗,搭建了模塊性能測(cè)試平臺(tái),對(duì)由4個(gè)冷卻單元(風(fēng)扇+散熱器)不同組合構(gòu)成的模塊方案進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明:在對(duì)比4種不同模塊性能的基礎(chǔ)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(fēng)扇的節(jié)能要求。接著通過進(jìn)一步改進(jìn)發(fā)現(xiàn),在風(fēng)扇通風(fēng)道上增設(shè)可調(diào)節(jié)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(qū)域風(fēng)扇轉(zhuǎn)速比調(diào)至0.9時(shí),又可使模塊性能進(jìn)一步提高約1.02%～2.13%。

關(guān)鍵詞：商用車;多風(fēng)扇冷卻模塊;節(jié)能控制;測(cè)試

前言

為滿足日益嚴(yán)格的節(jié)能、環(huán)保要求,冷卻系統(tǒng)精確控制成為發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。這些技術(shù)包括電子節(jié)溫器技術(shù)[1]、電子水泵和節(jié)溫器組合的熱管理技術(shù)[2]以及節(jié)溫器、水泵和風(fēng)扇全部電子化的“電子化冷卻系統(tǒng)”[3-4]。由多個(gè)電子風(fēng)扇和各種散熱器組成多風(fēng)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(yīng)用。由于商用車功率大,冷卻系統(tǒng)電子化所需能耗大,其中風(fēng)_扇能耗占比又最大[7]。因此,對(duì)商用車中采用的多風(fēng)扇冷卻模塊進(jìn)行優(yōu)化控制研究以降低風(fēng)扇功耗非常必要。

現(xiàn)有報(bào)道中,文獻(xiàn)[8]中利用CFD技術(shù)研究了多風(fēng)扇與散熱器的交互作用和風(fēng)扇間的相互作用,但缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證;文獻(xiàn)[9]中研究了多風(fēng)扇冷卻模塊匹配問題,提出了可滿足發(fā)動(dòng)機(jī)散熱需求的匹配技術(shù);文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]中對(duì)某六風(fēng)扇冷卻模塊控制策略進(jìn)行了研究,但未能結(jié)合模塊應(yīng)用情況做深入優(yōu)化。

因此,為實(shí)現(xiàn)多風(fēng)扇冷卻模塊中各電子風(fēng)扇的組合匹配優(yōu)化控制,并測(cè)試不同控制和匹配方法對(duì)模塊性能的影響,特搭建多風(fēng)扇冷卻模塊性能測(cè)試平臺(tái),對(duì)模塊的優(yōu)化控制策略進(jìn)行試驗(yàn)研究,并結(jié)合模塊安裝結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)相同風(fēng)扇功耗下模塊性能的最佳。

1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本文中采用的試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)臺(tái)主要由冷卻液循環(huán)與控制系統(tǒng)、冷卻風(fēng)道和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)等組成。為節(jié)省試驗(yàn)?zāi)芎?冷卻液循環(huán)系統(tǒng)采用閉式系統(tǒng),主要由冷卻液蓄水箱、電加熱器組、攪拌裝置、電動(dòng)水泵、流量調(diào)節(jié)閥和控制模塊組成。冷卻風(fēng)道采用自由進(jìn)、出口形式,未設(shè)置整流裝置和引風(fēng)機(jī),以避免對(duì)測(cè)試流場(chǎng)造成干擾。冷卻風(fēng)道和測(cè)試管路都進(jìn)行保溫處理,以減小試驗(yàn)段的熱量損失。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 散熱器冷卻液溫度和流量測(cè)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(cè)量,精度為0.1℃。流量采用科氏力質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量,精度為0.15%。

1.2.2 散熱器冷卻液進(jìn)、出口壓差測(cè)量

壓差采用在散熱器進(jìn)、出口管布置測(cè)壓孔,利用壓差變送器測(cè)量,精度為0.25%。

1.2.3 冷卻風(fēng)道空氣溫度測(cè)量

參考 GB/T 17758—2010《單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)》[12],冷卻風(fēng)道進(jìn)、出口采用“釘耙法”進(jìn)行空氣取樣,用PT100鉑電阻溫度傳感器測(cè)量取樣溫度,精度為0.1℃。同時(shí),在風(fēng)道出口段、距離芯子表面70mm處布置25個(gè)熱電偶的測(cè)溫網(wǎng),測(cè)量出風(fēng)口的溫度分布,熱電偶經(jīng)標(biāo)定后精度為0.1℃。

1.2.4 冷卻風(fēng)道空氣流量測(cè)量

冷卻空氣流量采用文獻(xiàn)[13]中提出的“斜壓管不均勻冷卻氣流測(cè)量”方法,經(jīng)校核后精度為0.5%。同時(shí),在風(fēng)道出口段、距離芯子表面40mm處采用熱線風(fēng)速儀等間距測(cè)量100個(gè)點(diǎn)的風(fēng)速,以測(cè)量出風(fēng)口的風(fēng)速分布。

1.2.5 冷卻風(fēng)道空氣壓差測(cè)量

在進(jìn)風(fēng)口、風(fēng)扇與散熱器間和出風(fēng)口布置3排測(cè)壓孔,分別測(cè)量風(fēng)扇靜壓和散熱器前、后壓差,壓差由壓差變送器測(cè)量,精度為0.25%。

1.2.6 風(fēng)扇工作電流、電壓測(cè)量

采用萬用表測(cè)量風(fēng)扇端電壓,精度為0.15%。采用電流鉗測(cè)量風(fēng)扇工作電流,精度為0.15%。

1.3 數(shù)據(jù)采集與處理

試驗(yàn)中須確保達(dá)到熱平衡穩(wěn)定工況才能采集數(shù)據(jù):冷卻液流量調(diào)到設(shè)定值并保持穩(wěn)定;冷熱側(cè)進(jìn)、出口穩(wěn)定并持續(xù)10min。熱平衡計(jì)算模型為

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

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

JB/T 8577—2015《內(nèi)燃機(jī) 水散熱器 技術(shù)條件》[14]要求Δ≤5%。

表1 熱平衡誤差分析表

_測(cè)試點(diǎn) tin/℃ tout/℃ qm/(kg·s-1) φ/kW Δ/%__冷卻液側(cè)_ __83.9 74.0 3.0 106.3_ __空氣側(cè)__ __ 3.424.3 74.2 2.05 102.8_ ________

按式(4),對(duì)冷卻液流量為3.0kg/s、風(fēng)扇全部運(yùn)轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速為2 900r/min的測(cè)試點(diǎn),進(jìn)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(tǒng)一比較基礎(chǔ),本文散熱器的散熱量均采用φc值。

此外,由于測(cè)試系統(tǒng)控制精度的影響,測(cè)試時(shí)冷卻液與空氣進(jìn)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(shí)際散熱量φc轉(zhuǎn)換為等效散熱量φ′c:

式中Δtc-a為實(shí)測(cè)的氣液溫差,℃。

風(fēng)扇功耗為

式中:I為電流;U為電壓。

2 試驗(yàn)方案和條件

本文中研究對(duì)象是由4個(gè)電子風(fēng)扇和單個(gè)散熱器組成的多風(fēng)扇冷卻模塊,模塊安裝測(cè)試情況如圖2所示。散熱器芯寬為810mm,高為802mm,厚為70mm。電子風(fēng)扇性能如圖3所示,圖中標(biāo)記下標(biāo)為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。由圖3可見,風(fēng)扇效率隨著風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的降低而下降。另外,因受限于無刷無霍爾驅(qū)動(dòng)技術(shù),電子風(fēng)扇均存在最低轉(zhuǎn)速,本文中采用的電子風(fēng)扇最低轉(zhuǎn)速為1 025r/min。

圖2 模塊安裝測(cè)試圖

圖3 電子風(fēng)扇性能曲線

冷卻液流經(jīng)各風(fēng)扇對(duì)應(yīng)的散熱芯子的流向安排為:高溫冷卻液從進(jìn)口管流入后分為兩部分:一部分先后流經(jīng)風(fēng)扇1和風(fēng)扇3對(duì)應(yīng)的散熱芯子;另一部分先后流經(jīng)風(fēng)扇2和風(fēng)扇4對(duì)應(yīng)的散熱芯子;兩股冷卻液在出水管匯合后流出散熱器。各風(fēng)扇對(duì)應(yīng)散熱芯子的氣液溫差大小關(guān)系為:風(fēng)扇1≈風(fēng)扇2＞風(fēng)扇3≈風(fēng)扇4?；跉庖簻夭钤酱笊嵝Ч胶玫脑?首先提出了4種模塊風(fēng)扇控制方案:方案1僅驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇1,方案2僅驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇1和2,方案3僅驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇1～3,方案4驅(qū)動(dòng)全部風(fēng)扇;各方案風(fēng)扇從1 025～4 100r/min等比例設(shè)置5個(gè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)試。其余試驗(yàn)條件:冷卻液流量為3.0kg/s,冷卻液進(jìn)口溫度與環(huán)境溫度差為 60℃,環(huán)境溫度為(24± 1.5)℃,直流電壓為26.5V。

3 測(cè)試結(jié)果分析

圖4為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速在1 025～4 100r/min間等比例變化,方案1～4模塊散熱量隨風(fēng)扇功耗的變化情況。由圖可見:隨著風(fēng)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(fēng)扇功耗下,同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)扇數(shù)量越多,單位風(fēng)扇功率帶走的散熱量越大。以風(fēng)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(guī)律與文獻(xiàn)[10]中的研究結(jié)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(jié)能效果明顯。但由于前文所述原因,本文中電子風(fēng)扇最小轉(zhuǎn)速為1 025r/min,方案4的最小散熱量為33.38kW,這不足以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)全工況散熱需求。以濰柴WP10.375柴油機(jī)為例,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為900r/min,轉(zhuǎn)矩在10.56～78.89N·m之間變化,熱平衡試驗(yàn)測(cè)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(fēng)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(shí),同時(shí)驅(qū)動(dòng)4個(gè)風(fēng)扇,風(fēng)扇轉(zhuǎn)速根據(jù)散熱量大小調(diào)節(jié);24.83kW≤φ＜33.38kW時(shí),驅(qū)動(dòng)1～3號(hào)風(fēng)扇,風(fēng)扇轉(zhuǎn)速根據(jù)散熱量在1 025～1 260r/min間調(diào)節(jié); 17.05kW≤φ＜24.83kW時(shí),驅(qū)動(dòng)1和2號(hào)風(fēng)扇,風(fēng)扇轉(zhuǎn)速根據(jù)散熱量在 1 025～1 360r/min間調(diào)節(jié); 8.74kW≤φ＜17.05kW時(shí),僅驅(qū)動(dòng)1號(hào)風(fēng)扇,風(fēng)扇轉(zhuǎn)速根據(jù)散熱量在1 025～1 760r/min間調(diào)節(jié)。

圖5 基于散熱量要求的分段式控制方案

4 優(yōu)化改進(jìn)方案與試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)于上述控制方案,部分風(fēng)扇工作時(shí)冷卻空氣均勻性較差。全部風(fēng)扇工作時(shí)未充分利用散熱器不同區(qū)域的氣液溫差的差異,因此,本節(jié)嘗試對(duì)該方案做進(jìn)一步的優(yōu)化。

4.1 優(yōu)化改進(jìn)方案

針對(duì)低散熱需求段部分風(fēng)扇工作工況,擬采用在風(fēng)扇通風(fēng)孔處增加可調(diào)節(jié)的百葉窗提高模塊性能。具體做法:將不工作風(fēng)扇對(duì)應(yīng)百葉窗完全閉合,使導(dǎo)風(fēng)罩形成完整的靜壓腔,以提高冷卻空氣流場(chǎng)均勻性;而工作風(fēng)扇對(duì)應(yīng)的百葉窗完全打開;綜合作用下,可提高模塊性能。

針對(duì)高散熱需求段全部風(fēng)扇工作工況,利用散熱器不同區(qū)域的氣液溫度的差異,相同風(fēng)扇功耗下,調(diào)低低溫區(qū)域?qū)?yīng)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速,而調(diào)高散熱器高溫區(qū)域?qū)?yīng)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。具體做法:將風(fēng)扇3和4與風(fēng)扇1和2轉(zhuǎn)速之比分別設(shè)置為1.0,0.9,0.8和0.7進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖6為在風(fēng)扇通風(fēng)孔增加百葉窗后的改進(jìn)效果。由于試驗(yàn)條件限制,測(cè)試過程中采用鋁板直接封閉不工作風(fēng)扇通風(fēng)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(xiàn)該措施對(duì)多高散熱器需求段的影響。由圖可見,采用百葉窗結(jié)構(gòu)后對(duì)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(fēng)扇通風(fēng)孔加百葉窗的改進(jìn)效果

圖7為將散熱器低、高溫區(qū)對(duì)應(yīng)風(fēng)扇不同轉(zhuǎn)速控制策略的改進(jìn)效果,圖中標(biāo)記d為風(fēng)扇3和4轉(zhuǎn)速與風(fēng)扇1和2轉(zhuǎn)速的比值,共測(cè)試了1.0,0.9,0.8和0.7 4個(gè)方案。由圖可見,d=0.9時(shí),換熱效果最佳,在相同風(fēng)扇功耗下,與d=1.0風(fēng)扇以相同轉(zhuǎn)速方案相比較性能提升幅度在1.02%～2.13%之間;進(jìn)一步增大低、高溫區(qū)對(duì)應(yīng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的差異,性能反而有所衰減:d=0.7方案相對(duì)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(qū)對(duì)應(yīng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速有利于充分利用氣液溫差提高散熱,但風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的差異卻使散熱器冷卻空氣風(fēng)速均勻性變差而不利于提高散熱性能,兩者綜合作用的結(jié)果存在最佳轉(zhuǎn)速比。

圖7 高低溫區(qū)風(fēng)扇不同轉(zhuǎn)速的改進(jìn)效果

5 結(jié)論

本文中對(duì)4種不同風(fēng)扇組合的控制方案進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)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(fēng)扇節(jié)能控制要求。制定該控制方案的方法可推廣到其他多風(fēng)扇冷卻模塊應(yīng)用領(lǐng)域。

再對(duì)分段式控制方案做深入研究發(fā)現(xiàn),在風(fēng)扇通風(fēng)孔上增設(shè)可調(diào)節(jié)的百葉窗,可提升低散熱需求段的模塊性能7.27%～17.73%;而進(jìn)一步將散熱器低、高溫區(qū)域?qū)?yīng)風(fēng)扇設(shè)置成不同轉(zhuǎn)速,當(dāng)?shù)蜏貐^(qū)域風(fēng)扇與高溫區(qū)域風(fēng)扇轉(zhuǎn)速之比為0.9時(shí),又可將高散熱需求段模塊性能約提升1.02%～2.13%,這一優(yōu)化思路可供借鑒。

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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

[Abstract] 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%.

Keywords：commercial vehicle;multi-fan cooling module;energy-saving control;testing

doi：10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.01.017

*浙江省重大科技專項(xiàng)重點(diǎn)工業(yè)項(xiàng)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。

通信作者：黃瑞,助理研究員,E-mail:hrss@zju.edu.cn。