基于TRIZ理论的发动机冷却用风扇发展趋势分析

2022-09-27樊京元

内燃机与配件 2022年15期

0 引言

发动机在工作时，燃油燃烧的热量去向分为有用功、排气带走热量、辐射带走热量、冷却水带走热量、中冷器带走热量

，排气带走热量和辐射带走热量属于自然散热，无需额外的装置辅助散热，而冷却水带走热量和中冷器带走热量属于主动散热，均需要通过风扇辅助把热量散发到大气中

。

目前发动机冷却用风扇有多种驱动形式：机械直连式风扇、感温片式硅油风扇、电子风扇、电磁离合器风扇、电控硅油风扇、液压风扇等在市场上共存，并且在乘用车、载货车、客车、工程机械、农用机械、固定动力等不同的领域，各种驱动形式的风扇均存在着此消彼长的激烈竞争，目前并不存在某种驱动形式能在所有领域取得决定性的竞争优势。

TRIZ一词是俄文“发明问题解决理论”的首字母缩写，英文名称为Theory of Inventive Problem Solving。其中的技术系统进化模式理论、最终理想解概念和需求功能分析工具有助于我们分析同一技术系统内各种解决方案的优劣势，并指明技术系统未来的发展趋势。

发动机应用范围广泛，匹配的主机厂也有各种个性化需求，目前对于风扇的匹配，多是根据经验，而缺乏系统的分析和研究。本文结合TRIZ理论，对现有的各种发动机冷却用风扇的优缺点进行了分析，对各应用领域适合的风扇方案进行了推荐，并展望了未来风扇的发展方向。

1 发动机冷却用风扇的最终理想解和理想化程度分析

TRIZ中的最终理想解(IFR)是一种理论中的最理想情况下的结果，现实中一般并不存在，是所有技术方案进化的最终目标。最终理想解有四个特性：消除了原系统的缺点、保留了原系统的优点、不使系统复杂化、不导入新缺点。最终理想解就是理想性无穷大的解。

发动机冷却用风扇的有用功能是：高温时产生气流散热，避免发动机高温损坏。有害功能是：高温时散热不足、低温时冷却过度、安装需要占用空间、制造需要成本、需要维修保养、需要消耗功率、。

发动机冷却用风扇的最终理想解是：高温时产生气流散热、低温时停止产生气流、不占用空间、不需购买成本、不需维修保养、、不消耗功率、不增加整车阻力。

现有的各种风扇理想性分析如表1。

冷却能力：机械直连风扇、电磁离合器风扇、液压风扇最高转速高，冷却能力强；感温片式硅油风扇和电控硅油离合器风扇存在滑差，冷却能力为较强；电子风扇受功率限制冷却能力一般。

在获得大量资源的情况下，系统从成长期会快速进入第3个阶段：成熟期，这时技术系统已经趋于完善，所进行的大部分工作只是系统的局部改进和完善，性能水平达到最佳。此时，需要知道系统将很快进入下一个阶段衰退期，需要着手布局下一代的产品，

成本：液压风扇需要液压泵和液压马达，成本高；电子风扇需要电机电池，成本较高；电磁离合器风扇和电控硅油离合器风扇需要离合器，成本一般；感温片式硅油风扇成本较低；机械直连风扇成本最低。

可靠性：机械直连风扇结构最简单可靠性最高；液压风扇的液压泵和液压马达可靠性一般；其余风扇技术比较成熟，可靠性较高。

传动效率：机械直连风扇和电磁离合器风扇均可以实现动力经机械结构直接传递，效率最高；其余风扇动力传递均经过多次转换，效率一般。

“在党和政府的关怀下，近年来尼姑寺开始有了变化。“现在，我们已经衣食无忧了。只管好好修习，并全力为信众和社会做些事情了。”陈莲曲珠说，“这二十几年来，不管是农村或者是寺院，变化都太大了。现在，大家都不用为衣食住行发愁了，这在以前，简直让人难以置信。”

物资管理作为是现代企业管理的重要组成部分，是施工企业管理的一个分支学科。当前，国内施工企业的项目材料管理基本停留在简单的出入库，对于当下动辄几亿元甚至几十亿元造价的施工项目来说这种管理方式工作效率低，控制难度大，成本费用高，信息反馈不及时，使得本来就有限的流动资金很难满足施工需要。

这种柔性化可以是载体从刚体到场的进化过程(刚体→铰接体→多点铰接→柔性体→场，例如甲骨文→金文→竹简→纸质书籍→电子书籍)；也可以是从固体到场的进化过程(固体→粉末→液体、气体→场，例如肥皂→洗衣粉→洗衣液→超声波清洁技术)；还可以是控制系统从单一控制到全过程控制的发展过程(单一控制→开关控制→分级控制→多级控制→全过程控制→超系统替代)。

占用空间：电控硅油离合器风扇和感温片式硅油风扇，离合器尺寸较大，占用风扇轴心位置空间较大，机械直连风扇占用空间最少，其余风扇占用空间一般。

2 技术系统进化法则在风扇发展中的应用

2.1 技术系统典型进化路线

进入发展期的技术系统，系统中原来存在的各种问题逐步得到解决，效率和产品可靠性得到较大程度的提升，性能得到急速提升。

从技术系统进化规律来看，电子风扇和液压风扇是较为理想的未来风扇发展方向。目前广泛使用的电磁离合器风扇和电控硅油离合器风扇具有成本优势，如果通过技术进步能发挥它们各自的优势，克服现有的缺点，两种离合器风扇都还会有很长的生命周期。

安装灵活性：液压风扇和电子风扇可灵活选择安装位置和方向，灵活性好；其余风扇均需与发动机前段轮系通过机械结构连接，灵活性一般。

《太原县志》中记载，明清时期风峪沟内水患严重，明洪武、嘉靖年间、清乾隆元年、十七年、三十三年、四十年均爆发过大规模的洪灾，对人畜、建筑、交通要道有较大的损害。在清乾隆四十一年完成对沙堰的修建之后，“工竣，而城北等村可永免山水冲突之患矣”[11]。从现存周家庄古村建筑建造手法及建筑材料可以看出，村中建筑呈现由高向低，由东向西发展的趋势，就是村民为防止水患危害，而采用的布局形式（图2）。

机械直连式风扇属于一种单一控制方案，电磁离合器风扇属于一种多级控制方案，感温片式硅油离合器是一种结合了开关控制形式的弱全过程控制方案，电控硅油离合器风扇属于一种准全过程控制方案，电子风扇和液压风扇属于全过程控制方案。(之所以电控硅油离合器风扇称为准全过程控制方案，是因为它虽然从原理上讲具有转速无级可调的特点，但它并没有和发动机脱开连接，风扇转速受发动机转速制约)。

技术系统的其中一条进化规律被总结为柔性化。

2.2 技术系统进化S曲线[4]

任何一种产品、工艺或技术都在随着时间向着更高级的方向发展和进化，并且它们的进化过程都会经历相同的几个阶段。

液压风扇处于成长期，因为成本和国产液压件可靠性的原因应用较少，仅在部分进口工程机械上有应用。但是液压风扇具有冷却能力强、全转速调节功能和安装灵活性的优势，在一些高端车辆上有一定的发展前途。未来的发展方向是提高系统可靠性，降低成本。

技术系统刚诞生时处于婴儿期，处于婴儿期的系统尽管能够提供新的功能，但该阶段的系统明显地处于初级，存在着效率低、可靠性差或一些尚未解决的问题。性能的完善非常缓慢，系统在此阶段的经济收益为负。

任何一种技术系统都在随着时间向着更高级的方向发展和进化，并且它们的进化过程都有一定的规律性。

随着隧道的掘进，0#和1#承台Y向位移先增加后减小。0#承台4个角点Y向位移最大约为0.17 mm。1#承台的4个角点Y向位移最大约为0.15 mm。

恒温能力：电子风扇和液压风扇可无级调速，恒温能力强

；电控硅油离合器风扇可无级调速但调速范围受发动机转速限制，恒温能力较强；电磁离合器风扇可分级调速且调速范围受发动机转速限制，恒温能力一般；感温片式硅油风扇为开关式控制，恒温能力较弱；机械直连风扇转速不可调节，恒温能力弱。

成熟期后系统面临的是衰退期。此时技术系统已达到极限，不会再有新的突破，该系统因不再有需求的支撑而面临市场的淘汰。

当一个技术系统的进化完成4个阶段以后，必然会出现一个新的技术系统来替代它(比如图中的系统B、C)，如此不断的替代，就形成了S形曲线族，见图2。

2.3 各种风扇在技术系统进化曲线中的位置

机械直连式风扇处于衰退期，在各用途中市场份额都在下降，慢慢退出了市场。

对SMA—13沥青混合料而言，由人工进行纤维材料的投放，先干拌12～17s，再添加SBS改性沥青，继续湿拌40～45s，将总拌和时间控制在55～60s范围内。对于拌和时间，应以实际情况为依据进行调整。因纤维的质量较轻，很难通过拌和达到均匀，所以在必要时应延长一定拌和时间。考虑到生产这种沥青混合料时，机械效率相对较低，所以为保证摊铺施工的连续性，需将摊铺速度限制在1.5～2.5m/min范围内，具体的碾压工艺如表1所示。

感温片式硅油风扇处于衰退期，在车用市场有一些应用，但也慢慢被电磁风扇和电控硅油风扇替代。

大学生在描述学习时，使用频率较高的隐喻排序为：攀山峰（65.9%）、谈恋爱（23.75%）。选择“攀山峰”的学生认为，学习不易，但只要付出努力，则可到达山峰，就能达到目的；选择“谈恋爱”的学生认为，学习是一件美好的事情，虽然有时候会有挫折，但痛并快乐着、美好着。而做“噩梦、看天书”则意味着学习很痛苦，是一件可怕的事情，也是一件神秘莫测、令人费解的事情。

电子风扇处于成熟期，在乘用车、轻型载货车、客车和新能源车辆市场应用广泛，但蓄电池蓄电量和电机功率问题限制了它在重型商用车辆和工程机械、农用机械和大功率固定动力产品上的应用。未来的发展方向是减小电机和电池的体积和重量，提高电池容量和电机功率，优化控制策略

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脑出血(ICH)是指脑实质内的出血,以高血压动脉粥样硬化出血最为多见[1]。我国的ICH患者主要是由高血压病诱发,所以我国一直沿用高血压脑出血的诊断。高血压脑出血的发病年龄为25~85岁,男性的发病率略高于女性[2]。随机抽选我院收治的50例高血压脑出血患者资料作为研究对象,以探究高血压脑出血的外科临床护理干预效果。报道如下。

电磁风扇处于成熟期，它的优势是传动效率高、转速响应快、冷却能力强，缺点是噪音相对大，档位变换时对轴承有冲击，水温周期性变化对发动机和散热器有热冲击。未来的发展方向是增加档位数量，优化档位分布，优化控制策略以减少档位变换时产生的力冲击和热冲击，提高可靠性。

电控硅油风扇硬件处于成熟期，但相关的控制策略开发仍处于成长期，电控硅油风扇和电磁风扇相比，优点是全转速可调、噪声小，缺点是传动效率较低、离合器径向尺寸大占用风扇的有效送风面积并且产热较多。未来的发展方向是优化传动效率，优化控制策略，提高经济性。

每个技术系统的进化一般都要经历如S-曲线所示的四个阶段：婴儿期、成长期、成熟期、衰退期，见图1。

3 各应用领域的风扇方案推荐

3.1 各应用领域的功能需求分析

发动机应用范围广泛，各个应用领域对风扇都有不同的功能需求，现对各应用领域的功能需求分析如表2，表中高表示此领域对风扇的本项功能非常关注并且要求很高，低表示此领域对风扇的本项功能基本不关注，中表示关注程度一般。

3.2 各应用领域的风扇方案推荐

基于以上的分析，对各用途的风扇方案推荐如下：

但是生活总是变化多端。原以为这样的日子云淡风轻，平淡到无人搭理，稳定便是必然。却不料平淡中也有风云突起。

对乘用车，推荐使用电子风扇。

对小型卡车和轻型客车，推荐使用电子风扇。

对中型卡车和中型客车，推荐使用电磁风扇，对于高端车型可使用电子风扇或液压风扇，未来发展趋势是电子风扇和液压风扇。

小保姆买菜回来了，竹韵与龙斌的对话也只得告一个段落。她让龙斌玩电脑，自己起身给姐姐、弟弟打电话，叫他们晚上来吃饭。打完电话，小保姆给了她一本刚出版的畅销杂志，气愤地告诉她说，竹韵姐，上面登了诬蔑你的文章，你看看，他们胡说八道了些什么？

对于主要用于长途标载高速运输的重型牵引车，推荐电控硅油和电磁风扇，其中电控硅油风扇有经济性、可靠性和舒适性(噪声)上的比较优势。

对于主要用于短途运输、可能有复杂路况和超载情况的重型自卸车，推荐电控硅油和电磁风扇，其中电磁风扇有极限冷却能力大的比较优势。

对于大型客车情况比较复杂，发动机前置的车型推荐电控硅油风扇；发动机后置的车型空间很大，推荐电子风扇并把散热部件尽可能分开避免风阻串联以降低功耗。

对于新能源车辆，因为电池组容量较大，推荐使用电子风扇。

工程借道长江连接内陆腹地，主动融入“一带一路”、长江经济带，对川滇黔交界地区，特别是乌蒙山区和少数民族地区的经济社会发展具有重要意义。毛继斌表示，相关工程竣工后，金沙江中游玉龙县下虎跳至华坪县观音岩大坝段的航道将被疏通，金沙江中游各库区的货物能顺利运往下游地区。通过与下游溪洛渡至水富的高等级航道等工程贯通，进而将货物运往重庆、武汉、南京、上海等地。

对于工程机械和农用机械，偏远地区维修不方便的推荐机械直连风扇，一般情况下推荐电磁和电控硅油风扇，高端产品有现成液压系统的推荐液压风扇。

通常情况下在数据监测的时候会对电流进行检测[14-16],但是在这里所搭建的电路模型中,负载的变化会对电流产生影响,而电压却不会变化,所以在这里选取了逆变器的三相输出电压作为检测对象。将三相输出电压经过Park变换后可变成二维信号Ud、Uq,然后再对其进行快速傅里叶变换(FFT)。

1.小麦与副产品联系加强，利用程度提高。这一优势换句话说就是产业链的完善。通过高科技的手段与方式，能够极大地提高小麦的利用程度，加强加工效率，使其利用方向更为广泛，与副产品的联系更加密切。所谓副产品联系的加强，一方面是纵向，另一方面是横向。所谓纵向，主要是指小麦与单一副产品间联系的加强，是指其加工的深入化，是一整条产业链的完善。而横向，则是指一对多的关系，即小麦与多种副产品之间联系的加强，也可以理解为其范围的扩展，不单单局限于某一种或几种显得较为单一的副产品，而是能够开发成为多种副产品。根据不同品种小麦的不同特性进行深入的加工，使其联系加强，在横纵交叉之下，渐渐形成一个全面的、完善的产业链。

矿用宽体自卸车因为对可靠性要求极高，对经济性基本不关注，推荐机械直连风扇。