基于TRIZ理論的發(fā)動機冷卻用風扇發(fā)展趨勢分析

0 引言

發(fā)動機在工作時，燃油燃燒的熱量去向分為有用功、排氣帶走熱量、輻射帶走熱量、冷卻水帶走熱量、中冷器帶走熱量

，排氣帶走熱量和輻射帶走熱量屬于自然散熱，無需額外的裝置輔助散熱，而冷卻水帶走熱量和中冷器帶走熱量屬于主動散熱，均需要通過風扇輔助把熱量散發(fā)到大氣中

。

目前發(fā)動機冷卻用風扇有多種驅(qū)動形式：機械直連式風扇、感溫片式硅油風扇、電子風扇、電磁離合器風扇、電控硅油風扇、液壓風扇等在市場上共存，并且在乘用車、載貨車、客車、工程機械、農(nóng)用機械、固定動力等不同的領域，各種驅(qū)動形式的風扇均存在著此消彼長的激烈競爭，目前并不存在某種驅(qū)動形式能在所有領域取得決定性的競爭優(yōu)勢。

TRIZ一詞是俄文“發(fā)明問題解決理論”的首字母縮寫，英文名稱為Theory of Inventive Problem Solving。其中的技術(shù)系統(tǒng)進化模式理論、最終理想解概念和需求功能分析工具有助于我們分析同一技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)各種解決方案的優(yōu)劣勢，并指明技術(shù)系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢。

發(fā)動機應用范圍廣泛，匹配的主機廠也有各種個性化需求，目前對于風扇的匹配，多是根據(jù)經(jīng)驗，而缺乏系統(tǒng)的分析和研究。本文結(jié)合TRIZ理論，對現(xiàn)有的各種發(fā)動機冷卻用風扇的優(yōu)缺點進行了分析，對各應用領域適合的風扇方案進行了推薦，并展望了未來風扇的發(fā)展方向。

1 發(fā)動機冷卻用風扇的最終理想解和理想化程度分析

TRIZ中的最終理想解(IFR)是一種理論中的最理想情況下的結(jié)果，現(xiàn)實中一般并不存在，是所有技術(shù)方案進化的最終目標。最終理想解有四個特性：消除了原系統(tǒng)的缺點、保留了原系統(tǒng)的優(yōu)點、不使系統(tǒng)復雜化、不導入新缺點。最終理想解就是理想性無窮大的解。

發(fā)動機冷卻用風扇的有用功能是：高溫時產(chǎn)生氣流散熱，避免發(fā)動機高溫損壞。有害功能是：高溫時散熱不足、低溫時冷卻過度、安裝需要占用空間、制造需要成本、需要維修保養(yǎng)、需要消耗功率、。

發(fā)動機冷卻用風扇的最終理想解是：高溫時產(chǎn)生氣流散熱、低溫時停止產(chǎn)生氣流、不占用空間、不需購買成本、不需維修保養(yǎng)、、不消耗功率、不增加整車阻力。

現(xiàn)有的各種風扇理想性分析如表1。

冷卻能力：機械直連風扇、電磁離合器風扇、液壓風扇最高轉(zhuǎn)速高，冷卻能力強；感溫片式硅油風扇和電控硅油離合器風扇存在滑差，冷卻能力為較強；電子風扇受功率限制冷卻能力一般。

在獲得大量資源的情況下，系統(tǒng)從成長期會快速進入第3個階段：成熟期，這時技術(shù)系統(tǒng)已經(jīng)趨于完善，所進行的大部分工作只是系統(tǒng)的局部改進和完善，性能水平達到最佳。此時，需要知道系統(tǒng)將很快進入下一個階段衰退期，需要著手布局下一代的產(chǎn)品，

成本：液壓風扇需要液壓泵和液壓馬達，成本高；電子風扇需要電機電池，成本較高；電磁離合器風扇和電控硅油離合器風扇需要離合器，成本一般；感溫片式硅油風扇成本較低；機械直連風扇成本最低。

可靠性：機械直連風扇結(jié)構(gòu)最簡單可靠性最高；液壓風扇的液壓泵和液壓馬達可靠性一般；其余風扇技術(shù)比較成熟，可靠性較高。

傳動效率：機械直連風扇和電磁離合器風扇均可以實現(xiàn)動力經(jīng)機械結(jié)構(gòu)直接傳遞，效率最高；其余風扇動力傳遞均經(jīng)過多次轉(zhuǎn)換，效率一般。

“在黨和政府的關(guān)懷下，近年來尼姑寺開始有了變化?！艾F(xiàn)在，我們已經(jīng)衣食無憂了。只管好好修習，并全力為信眾和社會做些事情了。”陳蓮曲珠說，“這二十幾年來，不管是農(nóng)村或者是寺院，變化都太大了。現(xiàn)在，大家都不用為衣食住行發(fā)愁了，這在以前，簡直讓人難以置信。”

物資管理作為是現(xiàn)代企業(yè)管理的重要組成部分，是施工企業(yè)管理的一個分支學科。當前，國內(nèi)施工企業(yè)的項目材料管理基本停留在簡單的出入庫，對于當下動輒幾億元甚至幾十億元造價的施工項目來說這種管理方式工作效率低，控制難度大，成本費用高，信息反饋不及時，使得本來就有限的流動資金很難滿足施工需要。

這種柔性化可以是載體從剛體到場的進化過程(剛體→鉸接體→多點鉸接→柔性體→場，例如甲骨文→金文→竹簡→紙質(zhì)書籍→電子書籍)；也可以是從固體到場的進化過程(固體→粉末→液體、氣體→場，例如肥皂→洗衣粉→洗衣液→超聲波清潔技術(shù))；還可以是控制系統(tǒng)從單一控制到全過程控制的發(fā)展過程(單一控制→開關(guān)控制→分級控制→多級控制→全過程控制→超系統(tǒng)替代)。

占用空間：電控硅油離合器風扇和感溫片式硅油風扇，離合器尺寸較大，占用風扇軸心位置空間較大，機械直連風扇占用空間最少，其余風扇占用空間一般。

2 技術(shù)系統(tǒng)進化法則在風扇發(fā)展中的應用

2.1 技術(shù)系統(tǒng)典型進化路線

進入發(fā)展期的技術(shù)系統(tǒng)，系統(tǒng)中原來存在的各種問題逐步得到解決，效率和產(chǎn)品可靠性得到較大程度的提升，性能得到急速提升。

從技術(shù)系統(tǒng)進化規(guī)律來看，電子風扇和液壓風扇是較為理想的未來風扇發(fā)展方向。目前廣泛使用的電磁離合器風扇和電控硅油離合器風扇具有成本優(yōu)勢，如果通過技術(shù)進步能發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢，克服現(xiàn)有的缺點，兩種離合器風扇都還會有很長的生命周期。

安裝靈活性：液壓風扇和電子風扇可靈活選擇安裝位置和方向，靈活性好；其余風扇均需與發(fā)動機前段輪系通過機械結(jié)構(gòu)連接，靈活性一般。

《太原縣志》中記載，明清時期風峪溝內(nèi)水患嚴重，明洪武、嘉靖年間、清乾隆元年、十七年、三十三年、四十年均爆發(fā)過大規(guī)模的洪災，對人畜、建筑、交通要道有較大的損害。在清乾隆四十一年完成對沙堰的修建之后，“工竣，而城北等村可永免山水沖突之患矣”[11]。從現(xiàn)存周家莊古村建筑建造手法及建筑材料可以看出，村中建筑呈現(xiàn)由高向低，由東向西發(fā)展的趨勢，就是村民為防止水患危害，而采用的布局形式（圖2）。

機械直連式風扇屬于一種單一控制方案，電磁離合器風扇屬于一種多級控制方案，感溫片式硅油離合器是一種結(jié)合了開關(guān)控制形式的弱全過程控制方案，電控硅油離合器風扇屬于一種準全過程控制方案，電子風扇和液壓風扇屬于全過程控制方案。(之所以電控硅油離合器風扇稱為準全過程控制方案，是因為它雖然從原理上講具有轉(zhuǎn)速無級可調(diào)的特點，但它并沒有和發(fā)動機脫開連接，風扇轉(zhuǎn)速受發(fā)動機轉(zhuǎn)速制約)。

技術(shù)系統(tǒng)的其中一條進化規(guī)律被總結(jié)為柔性化。

2.2 技術(shù)系統(tǒng)進化S曲線[4]

任何一種產(chǎn)品、工藝或技術(shù)都在隨著時間向著更高級的方向發(fā)展和進化，并且它們的進化過程都會經(jīng)歷相同的幾個階段。

液壓風扇處于成長期，因為成本和國產(chǎn)液壓件可靠性的原因應用較少，僅在部分進口工程機械上有應用。但是液壓風扇具有冷卻能力強、全轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能和安裝靈活性的優(yōu)勢，在一些高端車輛上有一定的發(fā)展前途。未來的發(fā)展方向是提高系統(tǒng)可靠性，降低成本。

技術(shù)系統(tǒng)剛誕生時處于嬰兒期，處于嬰兒期的系統(tǒng)盡管能夠提供新的功能，但該階段的系統(tǒng)明顯地處于初級，存在著效率低、可靠性差或一些尚未解決的問題。性能的完善非常緩慢，系統(tǒng)在此階段的經(jīng)濟收益為負。

任何一種技術(shù)系統(tǒng)都在隨著時間向著更高級的方向發(fā)展和進化，并且它們的進化過程都有一定的規(guī)律性。

隨著隧道的掘進，0#和1#承臺Y向位移先增加后減小。0#承臺4個角點Y向位移最大約為0.17 mm。1#承臺的4個角點Y向位移最大約為0.15 mm。

恒溫能力：電子風扇和液壓風扇可無級調(diào)速，恒溫能力強

；電控硅油離合器風扇可無級調(diào)速但調(diào)速范圍受發(fā)動機轉(zhuǎn)速限制，恒溫能力較強；電磁離合器風扇可分級調(diào)速且調(diào)速范圍受發(fā)動機轉(zhuǎn)速限制，恒溫能力一般；感溫片式硅油風扇為開關(guān)式控制，恒溫能力較弱；機械直連風扇轉(zhuǎn)速不可調(diào)節(jié)，恒溫能力弱。

成熟期后系統(tǒng)面臨的是衰退期。此時技術(shù)系統(tǒng)已達到極限，不會再有新的突破，該系統(tǒng)因不再有需求的支撐而面臨市場的淘汰。

當一個技術(shù)系統(tǒng)的進化完成4個階段以后，必然會出現(xiàn)一個新的技術(shù)系統(tǒng)來替代它(比如圖中的系統(tǒng)B、C)，如此不斷的替代，就形成了S形曲線族，見圖2。

2.3 各種風扇在技術(shù)系統(tǒng)進化曲線中的位置

機械直連式風扇處于衰退期，在各用途中市場份額都在下降，慢慢退出了市場。

對SMA—13瀝青混合料而言，由人工進行纖維材料的投放，先干拌12～17s，再添加SBS改性瀝青，繼續(xù)濕拌40～45s，將總拌和時間控制在55～60s范圍內(nèi)。對于拌和時間，應以實際情況為依據(jù)進行調(diào)整。因纖維的質(zhì)量較輕，很難通過拌和達到均勻，所以在必要時應延長一定拌和時間?？紤]到生產(chǎn)這種瀝青混合料時，機械效率相對較低，所以為保證攤鋪施工的連續(xù)性，需將攤鋪速度限制在1.5～2.5m/min范圍內(nèi)，具體的碾壓工藝如表1所示。

感溫片式硅油風扇處于衰退期，在車用市場有一些應用，但也慢慢被電磁風扇和電控硅油風扇替代。

大學生在描述學習時，使用頻率較高的隱喻排序為：攀山峰（65.9%）、談戀愛（23.75%）。選擇“攀山峰”的學生認為，學習不易，但只要付出努力，則可到達山峰，就能達到目的；選擇“談戀愛”的學生認為，學習是一件美好的事情，雖然有時候會有挫折，但痛并快樂著、美好著。而做“噩夢、看天書”則意味著學習很痛苦，是一件可怕的事情，也是一件神秘莫測、令人費解的事情。

電子風扇處于成熟期，在乘用車、輕型載貨車、客車和新能源車輛市場應用廣泛，但蓄電池蓄電量和電機功率問題限制了它在重型商用車輛和工程機械、農(nóng)用機械和大功率固定動力產(chǎn)品上的應用。未來的發(fā)展方向是減小電機和電池的體積和重量，提高電池容量和電機功率，優(yōu)化控制策略

。

腦出血(ICH)是指腦實質(zhì)內(nèi)的出血,以高血壓動脈粥樣硬化出血最為多見[1]。我國的ICH患者主要是由高血壓病誘發(fā),所以我國一直沿用高血壓腦出血的診斷。高血壓腦出血的發(fā)病年齡為25~85歲,男性的發(fā)病率略高于女性[2]。隨機抽選我院收治的50例高血壓腦出血患者資料作為研究對象,以探究高血壓腦出血的外科臨床護理干預效果。報道如下。

電磁風扇處于成熟期，它的優(yōu)勢是傳動效率高、轉(zhuǎn)速響應快、冷卻能力強，缺點是噪音相對大，檔位變換時對軸承有沖擊，水溫周期性變化對發(fā)動機和散熱器有熱沖擊。未來的發(fā)展方向是增加檔位數(shù)量，優(yōu)化檔位分布，優(yōu)化控制策略以減少檔位變換時產(chǎn)生的力沖擊和熱沖擊，提高可靠性。

電控硅油風扇硬件處于成熟期，但相關(guān)的控制策略開發(fā)仍處于成長期，電控硅油風扇和電磁風扇相比，優(yōu)點是全轉(zhuǎn)速可調(diào)、噪聲小，缺點是傳動效率較低、離合器徑向尺寸大占用風扇的有效送風面積并且產(chǎn)熱較多。未來的發(fā)展方向是優(yōu)化傳動效率，優(yōu)化控制策略，提高經(jīng)濟性。

每個技術(shù)系統(tǒng)的進化一般都要經(jīng)歷如S-曲線所示的四個階段：嬰兒期、成長期、成熟期、衰退期，見圖1。

3 各應用領域的風扇方案推薦

3.1 各應用領域的功能需求分析

發(fā)動機應用范圍廣泛，各個應用領域?qū)︼L扇都有不同的功能需求，現(xiàn)對各應用領域的功能需求分析如表2，表中高表示此領域?qū)︼L扇的本項功能非常關(guān)注并且要求很高，低表示此領域?qū)︼L扇的本項功能基本不關(guān)注，中表示關(guān)注程度一般。

3.2 各應用領域的風扇方案推薦

基于以上的分析，對各用途的風扇方案推薦如下：

但是生活總是變化多端。原以為這樣的日子云淡風輕，平淡到無人搭理，穩(wěn)定便是必然。卻不料平淡中也有風云突起。

對乘用車，推薦使用電子風扇。

對小型卡車和輕型客車，推薦使用電子風扇。

對中型卡車和中型客車，推薦使用電磁風扇，對于高端車型可使用電子風扇或液壓風扇，未來發(fā)展趨勢是電子風扇和液壓風扇。

小保姆買菜回來了，竹韻與龍斌的對話也只得告一個段落。她讓龍斌玩電腦，自己起身給姐姐、弟弟打電話，叫他們晚上來吃飯。打完電話，小保姆給了她一本剛出版的暢銷雜志，氣憤地告訴她說，竹韻姐，上面登了誣蔑你的文章，你看看，他們胡說八道了些什么？

對于主要用于長途標載高速運輸?shù)闹匦蜖恳嚕扑]電控硅油和電磁風扇，其中電控硅油風扇有經(jīng)濟性、可靠性和舒適性(噪聲)上的比較優(yōu)勢。

對于主要用于短途運輸、可能有復雜路況和超載情況的重型自卸車，推薦電控硅油和電磁風扇，其中電磁風扇有極限冷卻能力大的比較優(yōu)勢。

對于大型客車情況比較復雜，發(fā)動機前置的車型推薦電控硅油風扇；發(fā)動機后置的車型空間很大，推薦電子風扇并把散熱部件盡可能分開避免風阻串聯(lián)以降低功耗。

對于新能源車輛，因為電池組容量較大，推薦使用電子風扇。

工程借道長江連接內(nèi)陸腹地，主動融入“一帶一路”、長江經(jīng)濟帶，對川滇黔交界地區(qū)，特別是烏蒙山區(qū)和少數(shù)民族地區(qū)的經(jīng)濟社會發(fā)展具有重要意義。毛繼斌表示，相關(guān)工程竣工后，金沙江中游玉龍縣下虎跳至華坪縣觀音巖大壩段的航道將被疏通，金沙江中游各庫區(qū)的貨物能順利運往下游地區(qū)。通過與下游溪洛渡至水富的高等級航道等工程貫通，進而將貨物運往重慶、武漢、南京、上海等地。

對于工程機械和農(nóng)用機械，偏遠地區(qū)維修不方便的推薦機械直連風扇，一般情況下推薦電磁和電控硅油風扇，高端產(chǎn)品有現(xiàn)成液壓系統(tǒng)的推薦液壓風扇。

通常情況下在數(shù)據(jù)監(jiān)測的時候會對電流進行檢測[14-16],但是在這里所搭建的電路模型中,負載的變化會對電流產(chǎn)生影響,而電壓卻不會變化,所以在這里選取了逆變器的三相輸出電壓作為檢測對象。將三相輸出電壓經(jīng)過Park變換后可變成二維信號Ud、Uq,然后再對其進行快速傅里葉變換(FFT)。

1.小麥與副產(chǎn)品聯(lián)系加強，利用程度提高。這一優(yōu)勢換句話說就是產(chǎn)業(yè)鏈的完善。通過高科技的手段與方式，能夠極大地提高小麥的利用程度，加強加工效率，使其利用方向更為廣泛，與副產(chǎn)品的聯(lián)系更加密切。所謂副產(chǎn)品聯(lián)系的加強，一方面是縱向，另一方面是橫向。所謂縱向，主要是指小麥與單一副產(chǎn)品間聯(lián)系的加強，是指其加工的深入化，是一整條產(chǎn)業(yè)鏈的完善。而橫向，則是指一對多的關(guān)系，即小麥與多種副產(chǎn)品之間聯(lián)系的加強，也可以理解為其范圍的擴展，不單單局限于某一種或幾種顯得較為單一的副產(chǎn)品，而是能夠開發(fā)成為多種副產(chǎn)品。根據(jù)不同品種小麥的不同特性進行深入的加工，使其聯(lián)系加強，在橫縱交叉之下，漸漸形成一個全面的、完善的產(chǎn)業(yè)鏈。

礦用寬體自卸車因為對可靠性要求極高，對經(jīng)濟性基本不關(guān)注，推薦機械直連風扇。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合TRIZ理論，對現(xiàn)有的各種發(fā)動機冷卻用風扇的優(yōu)缺點進行了分析，對各應用領域適合的風扇方案進行了推薦，并展望了未來風扇的發(fā)展方向。為以后風扇的開發(fā)和匹配工作提供了依據(jù)。

本文所述的技術(shù)系統(tǒng)分析方法，對其它技術(shù)系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)方案對比和發(fā)展方向分析也有一定的借鑒意義。

[1]韓松,車用發(fā)動機智能冷卻系統(tǒng)基礎問題研究,博士學位論文，浙江大學，2012.

[2]姚仲鵬王新國,車輛冷卻傳熱,北京理工大學出版社.

[3]王濤譚艷輝張碧榮譚艷,溫控電比例變量液壓風扇驅(qū)動系統(tǒng)的研究與應用,建筑機械，2018，(09).

[4]成思源周金平郭鐘寧,技術(shù)創(chuàng)新方法-TRIZ理論及應用,清華大學出版社.

[5]陳樂王三剛,混合動力汽車散熱風扇的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢,時代汽車，2020，(06)，99-101.