汽车空调冷却风扇选型分析

汽车空调冷却风扇选型 周定华 刘志勇 (奇瑞汽车有限公司 安徽芜湖 241009) [摘 要] 冷却风扇不仅为发动机冷却系统提供足够的冷却风量，将发动机水箱内高温的冷却液冷却，同时，还为空调系统提供风量，将冷凝器内的高温高压气态制冷剂冷凝成中温高压液态制冷剂。基于某型号轿车，通过CFD分析冷凝器处风量分布及整车状态下空调性能试验来选择合适风扇，以满足汽车空调系统。 [关键词] 冷却风扇 空调系统 风量 THE EFFECT OF COOLING FAN TO AIR CONDITIONING (Zhou Dinghua ,Liu Zhiyong) (Chery Automotive Co.,LTD Wuhu Anhui 241009) [Abstract] Cooling fan not noly provide cooling system of engine with enough supply air ,in order to cool down the high-temperatur cooling liquid flowing through water tank,but also provide air conditioning system with cooling air,which cool down the refrigerant through the condenser, changed from high-temperatur and high pressue gas state into mid-temperatur and high pressure liquid state. Based on a type of passenger vehicle,cooling fan was choosed by combining air flow distribution through condenser by CFD analysis with air conditioning performance test in the vehicle state,to meet the need of automotive air conditioning system. [Keywords] Cooling Fan Air Conditioning system Quantity of Air Flow 1 前言 近年来，汽车行业对热管理方面的研究越来越多[1]。其中冷却风扇是热管理系统中一个十分重要的零部件。选择合适的冷却风扇，对冷却系统和空调系统意义十分重要。冷却风扇主要作用有以下三点： （1）提供足够的通风量，冷却水箱中的发动机冷却液体，让发动机在正常水温下工作。 （2）为空调系统的冷凝器提供足够的通风量，将冷凝器内的高温高压气态制冷剂冷凝成中温高压液态制冷剂。 （3）为发动机舱提供合适温度场，使发动机舱内各零部件在正常工作温度环境下工作，保证各零部件不因为工作环境温度而工作异常或失效。 冷却风扇总成设计的原则是在满足整车热管理系统能力的前提下，提高风扇效率，降低风扇噪声。冷却风扇功率过小或过大，通风量过小或过大，都是不可取的。作为空调系统，对冷却风扇的具体要求，是在满足空调系统性能要求的前提下，尽可能选择低功率风扇总成。 2 模拟分析 针对空调系统环境模拟试验的工况，结合某型号轿车的前舱冷凝器。冷却水箱、风扇以及周边零部件布置情况，使用CFD分析[2]，得出各种工况下，前舱模块处的空气流场布置[3]，尤其是得出通过冷凝器的风速，验证冷凝器的热交换能力。 图1显示某型号轿车在40km/h工况下前舱冷凝器处风速分布情况。图2显示某型号轿车在90km/h工况下前舱冷凝器处风速分布情况。其中横坐标为冷凝器的长度，纵坐标为在冷凝器高度方向分布的风速，坐标点为从车头向车尾正视方向冷凝器的左下角。 图1 40km/h工况冷凝器处风速分布 图2 90km/h工况冷凝器处风速分布 如1所示，给出在一定冷凝器进风温度、进口压力下，制冷系统在一定过热度、过冷度条件下（过热度5℃，过冷度10℃），冷凝器的热交换能力。其中工况一、二、三表示冷凝器的迎风风速分别为3m/s、4.5m/s、9m/s。 表1 冷凝器热交换性能 工况一 工况二 工况三 热交换能力（KW） 7.1 10.8 11.5 从表1中我们可以得出，当风速较低时，冷凝器热交换性能受风速影响程度大，当风速达到一定数值时，风速对冷凝器热交换性能的影响越来越小。 结合图1、图2及表1，我们可以得出，在40km/h及以上工况，冷凝器处风速分布能够使冷凝器热交换处于良好状态。 3 试验测试分析 冷却风扇对空调系统冷凝器散热能力影响包括以下几个因数[4]：其一，冷却风扇功率（在冷却风扇效率一定条件下），也就是冷却风扇的通风量；其二，冷却风扇的扇叶大小；其三，冷却风扇相对水箱、冷凝器布置位置。其中第二、三点对冷凝器的有效通风量、通风面积的影响，这一点在实际工程设计时十分重要。 在本试验是在第二、三点的条件不变前提下，来考察冷却风扇功率对空调系统降温性能影响。空调系统降温性能试验严格按照企业标准执行，包括以下三个工况：（1）工况一，怠速工况；（2）工况二，40km/h工况，即在一定发动机转速及传动档位下，模拟平坦道路工况，保证整车以40km/h的稳定速度行驶；（3）工况三，90km/h工况，即在一定发动机转速及传动档位下，模拟平坦道路工况，保证整车以90km/h的稳定速度行驶； 试验过程中，选择三种不同功率的风扇，其中主风扇是指用于冷却系统的风扇，副风扇用于空调系统的风扇。当制冷系统工组时，启动副风扇。三种组合如下： （1）风扇1，功率为150瓦； （2）风扇2，在风扇1的基础上，改变主风扇，风扇总功率提升至240瓦； （3）风扇3，在风扇1的基础上，改变主风扇及副风扇，风扇总功率提升至360瓦； 表2、3、4分别是怠速工况、40km/h工况、90km/h工况条件下，三种不同功率风扇的降温数据对比表。 温度T/℃ 风扇1 风扇2 风扇3 左出风口温度 12.1 均温12.3 13.3 均温13.4 11.9 均温12.4 左中出风口温度 11.2 12.1 11.2 右中出风口温度 11.4 12.3 11.4 右出风口温度 14.5 15.9 15 驾驶员头部温度 27.6 均温30.48 27.8 均温32.08 27.7 均温 30.5 副驾驶员头部温度 31.8 35.9 33.3 后排左头部温度 32.2 33.6 31.6 后排中头部温度 29.6 31.5 30.1 后排右头部温度 31.2 31.6 29.8 表2 怠速工况时三种风扇的降温数据对比 表3 40km/h工况时三种风扇的降温数据对比 温度T/℃ 风扇1 风扇2 风扇3 左出风口温度 8.0 均温8.27 8.4 均温8.55 6.9 均温7.2 左中出风口温度 7.2 7.4 6.1 右中出风口温度 7.3 7.3 6.0 右出风口温度 10.6 11.1 9.8 驾驶员头部温度 23.2 均温25.6 25.7 均温26.2 24.1 均温24.4 副驾驶员头部温度 27.8 27.5 25.2 后排左头部温度 26.5 26.6 25.5 后排中头部温度 25.0 25.7 23.9 后排右头部温度 25.8 25.6 23.1 表4 90km/h工况时三种风扇的降温数据对比 温度T/℃ 风扇1 风扇2 风扇3 左出风口温度 9.1 均温9.75 7.5 均温8.07 6.5 均温7.1 左中出风口温度 8.7 6.9 6.0 右中出风口温度 9.1 7.0 6.1 右出风口温度 12.1 10.9 9.8 驾驶员头部温度 21.7 均温25.08 22.4 均温25.86 21.9 均温23.0 副驾驶员头部温度 28 28.3 23.2 后排左头部温度 27 26.2 25.0 后排中头部温度 23.4 25.9 22.9 后排右头部温度 25.3 26.5 21.9 从以上表格试验数据分析，可以得出以下比较： （1）怠速工况、40km/h工况及90km/h工况下，比较风扇1和风扇2对空调系统制冷效果的影响：在怠速工况、40km/h工况下，风扇2的效果比状态一风扇还要差一点；在90km/h工况下，风扇2的效果与状态一风扇的效果相当。但是风扇2的功率远大于状态一风扇的功率。 （2）在怠速工况下，比较风扇1和风扇3对空调系统制冷效果的影响：出风口的平均温度和室内的平均温度均相当。 （3）在40km/h工况及90km/h工况下，比较风扇1和风扇3对空调系统制冷效果的影响：风扇3的效果稍好于风扇1；但是风扇3功率为360W,远远大于风扇1功率。 表5是风扇性能数据的对比，列举出不同型号风扇的功率、风量及噪声值。图3给出了三种不同风扇的效率曲线。 表5 风扇性能数据对比表 风扇型号 功率P/W 风量Q/m3/h （△P=80Pa） 噪声/dB 备注 风扇1 150 ≥1800 ≤70 噪声测试时带水箱及冷凝器 风扇2 240 ≥2750 ≤75 风扇3 360 ≥3500 ≤78 图3 三种风扇的效率曲线 在一定前端模块的布置结构情况下，虽然风扇2的功率及风量都比风扇1大；但是装配风扇2的空调系统效果比装配风扇1的效果还稍差，可以推断是气流回流，导致冷凝器热交换性能变差[5]，进而降低空调系统效果。由图3可知，风扇1在2000 m3/h左右的效率最高。结合表2、3、4及5综合分析，我们可以得出，选择风扇1是最适合某型号轿车空调系统。 4 小结 （1）空调系统设计时一定要考虑冷却风扇对空调系统冷凝器热交换性能影响规律。 （2）冷却风扇效率及噪声是风扇设计时两个重要指标，风扇设计原则是在满足整车热管理系统能力的前提下，风扇的风量能够满足空调系统冷凝器的热交换需要，尽可能提高风扇效率，降低风扇噪声。 （3）不是风扇功率越大，对空调系统效果就越好。当风扇功率达到一定，能够提供足够的风量，保证冷凝器的热交换量时，此时再增加风扇功率，空调系统效果与之不成正比，在一定前端模块的布置结构情况下，有可能导致气流回流，导致冷凝器热交换性能变差，进而降低空调系统效果。 参考文献 (1)报纸：[1] 丁志辉．宇通发动机热管理系统为客户创造效益．汽车周报， 2007-12-21(A4) (2)期刊：[2] 张建立等．CFD在汽车空气动力学研究中的应用．沈阳大学学报，2006，18(4) ：15-18 (3)期刊：[3] 邓启红等．多重网格方法在通风空调气流数值模拟中的应用．应用基础与工程科学学报， 1998，6(4) ：48-53 (4)专著：[4] 阙雄才等．汽车空调使用技术．机械工业出版社， 2003 (5)专著：[3] 吴业正等．制冷原理及设备．西安交通大学出版社，2005(47) 长度l/m 风速v/m/s 效率η 风速v/m/s 长度l/m 风量Q / m3/h 3 2 1