徐斌，張愛東

（安徽江淮汽車股份有限公司國際公司，安徽 合肥 230601）

熱交換在某中冷器輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

徐斌，張愛東

（安徽江淮汽車股份有限公司國際公司，安徽 合肥 230601）

隨著近年來能源危機(jī)的不斷升溫，汽車輕量化的設(shè)計(jì)得到廣大汽車廠商的青瞇。本文結(jié)合熱交換原理對(duì)江淮某款輕卡中冷器進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，取得了一定的效果，可以應(yīng)用于其它同類車型的設(shè)計(jì)和參考。

中冷器；熱交換；輕量化

CLC NO.:U462Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)07-50-04

前言

隨著近年來能源危機(jī)的不斷升溫，汽車輕量化的設(shè)計(jì)日益得到廣大汽車廠商的青瞇。有關(guān)研究表明，汽車質(zhì)量降低10%，燃油效率可提高6-8%，汽車整備質(zhì)量每降低100kg，每百公里油耗可減少0.3～0.6L，可見輕量化對(duì)汽車節(jié)能魅力無窮。汽車輕量化設(shè)計(jì)實(shí)際上是功能改進(jìn)，質(zhì)量降低，結(jié)構(gòu)優(yōu)化和成本控制多方面的結(jié)合。本文對(duì)江淮某款輕卡的中冷器輕量化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

1、輕量化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

中冷器是增壓系列發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的冷卻器，主要功能如下：

（1）增加比功率，提高發(fā)動(dòng)機(jī)馬力，減少發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗。冷卻增壓后被提高的進(jìn)氣溫度，增高單位體積的氧氣含量，提高空燃比，使燃料燃燒更充分，從而達(dá)到提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率的目的。據(jù)大量資料，在給定的壓力下，增壓空氣溫度每下降10℃，發(fā)動(dòng)機(jī)功率約提高3%～5%；或者在相同的功率下，燃料消耗減少1.5%,，可使最高燃燒溫度和整個(gè)循環(huán)的平均溫度下降3℃；

（2） 降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，提高發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。根據(jù)計(jì)算，壓縮空氣每降低1℃，最高燃燒溫度和排氣溫度可降低可降低2-3℃；在相同的平均有效壓力下，中冷降低了進(jìn)氣溫度55～105℃，可以有效緩解發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷。因此中增壓度以上的發(fā)動(dòng)機(jī)，中冷是必不可少的。在保持大致相同空氣密度的條件下，可使氣缸壓力下降，緩解機(jī)械負(fù)荷。

（3）有效地降低廢氣污染物的排放量和噪聲，采用增壓中冷技術(shù)可使排放達(dá)到歐ⅠⅠ、歐ⅠⅠⅠ標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)國外文獻(xiàn)介紹，進(jìn)氣溫度從60℃降低到30℃，標(biāo)定工況燃油耗率下降1%，NOX排放下降24%，煙度基本不變；最大扭矩工況下，燃油耗率下降3%，NOX排放下降6%，煙度下降13%。

（4）提高對(duì)海撥高度的適應(yīng)性。在高海撥地區(qū)，采用中冷可使用更高壓比的壓氣機(jī)，使發(fā)動(dòng)機(jī)功率得到更大提高，提高汽車的適應(yīng)性。

綜上可見，增壓中冷后發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣要求壓力越高、溫度越低，對(duì)改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒工況、提高燃油經(jīng)濟(jì)性，降低排放越有利。

因此本次中冷器輕量化設(shè)計(jì)要點(diǎn)為盡量減小中冷壓力降的損失和進(jìn)氣溫升的提高，否則也就失去了該有的意義。

2、輕量化設(shè)計(jì)過程

2.1 中冷器主參數(shù)

該車原選用JAC某型號(hào)中冷器，該中冷器為管帶式結(jié)構(gòu)，為保證安裝尺寸不變，本次輕量化設(shè)計(jì)其寬度保持不變,主要措施是利用熱交換原理計(jì)算，合理的降低中冷器散熱帶和冷卻管的根數(shù),從而縮減零部件的高度。

該中冷器所使用的標(biāo)準(zhǔn)散熱帶、冷卻管和紊流片尺寸如下：

從圖2到圖4及實(shí)測(cè)中冷器外廓，匯總該中冷器的主要參數(shù)，如表1。

表1 某中冷器主要參數(shù)表

2.2 冷側(cè)散熱面積計(jì)算

假設(shè)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的中冷器冷卻管減為a根，散熱帶為（a+1）根。

冷側(cè)散熱面積S冷等于冷卻管散熱面積和散熱帶散熱面積之和：

2.3 內(nèi)部熱空氣流速Vr計(jì)算

在不考慮管路形狀導(dǎo)致壓力損失的前提下，渦輪增壓前、后的空氣應(yīng)遵守壓力P、體積V、絕對(duì)溫度T三者之間PV/T守恒法則：

其中：P1——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力(kPa)：101.3kPa；

V1——發(fā)動(dòng)機(jī)所需最大空氣流量（m3/h）：經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算321.3 m3/h；

T1——最高許用環(huán)境溫度：40℃；

P2——熱平衡點(diǎn)時(shí)中冷進(jìn)氣大氣壓力(kPa)：試驗(yàn)實(shí)測(cè) 170.6kPa；

V2——熱平衡點(diǎn)時(shí)中冷進(jìn)氣體積流量（m3/h）；T2——熱平衡點(diǎn)時(shí)中冷進(jìn)氣溫度：試驗(yàn)實(shí)測(cè)109.27℃，本次計(jì)算取110℃；

熱側(cè)通道的有效面積S熱等于冷卻管的內(nèi)腔橫截面積與紊流片的橫截面積之差：

其中a的取值范圍預(yù)估為8～16，代入公式(2)～公式

(4)，得出Vr的范圍為14.1 m/s～28.2m/s，該值位于一個(gè)合理的范圍，流速過高會(huì)導(dǎo)致熱交換時(shí)間縮短，熱傳導(dǎo)效率下降。

2.4 冷、熱風(fēng)流量

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，空氣在經(jīng)過增壓和中冷的過程中，其質(zhì)量保持不變。

其中 ρ——25℃常溫下大氣密度(kg/m3):1.29 kg/m3

冷風(fēng)通風(fēng)面積 S通=散熱帶波高×芯寬-散熱帶料厚所占的面積

根據(jù)熱平衡點(diǎn)時(shí)實(shí)車測(cè)試，中冷器前側(cè)冷風(fēng)風(fēng)速Vc約為10m/s，則冷風(fēng)流量為：

2.5 熱交換計(jì)算模型的建立

JAC某輕卡中冷模塊工作的熱交換模型如圖5所示。

根據(jù)能量守恒定律，外部空氣的吸熱量=內(nèi)部空氣的散熱量

外部空氣的吸熱量：

內(nèi)部熱空氣的散熱量：

其中，tw1——中冷進(jìn)氣口溫度，℃：試驗(yàn)實(shí)測(cè)110℃；

ta1——中冷器前的迎風(fēng)溫度，℃；

tw0——中冷出氣口溫度，℃；

ta0——中冷器后的周圍氣溫，℃；

Ga——冷卻空氣流量，kg/s；

Gw——內(nèi)部熱空氣流量，kg/s；

Cpa——冷卻空氣比熱，W?h/kg?℃，一般取1.005kJ/kg℃；

Cpw——內(nèi)部熱空氣比熱，W?h/kg?℃，一般取1.009KJ/kg℃。

本車設(shè)計(jì)最高許用環(huán)境溫度為40℃,而中冷器前迎風(fēng)溫度按照J(rèn)AC多款同類卡車試驗(yàn)測(cè)量，一般比環(huán)境溫度略高1℃～4℃,本次計(jì)算假設(shè)迎風(fēng)溫升為3℃,即中冷器迎風(fēng)溫度為43℃。

中冷器出口溫度，按照J(rèn)AC設(shè)計(jì)要求，輸入發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度相對(duì)環(huán)境溫度溫升應(yīng)小于25℃，及tw0≤65℃。

2.6 中冷器的對(duì)數(shù)平均溫壓

△tmax/△tmin比值按照經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求應(yīng)大于2，才能判斷熱交換過程具有較高的效率，a的取值范圍為8～16，代入公式(5)～公式(12)得出△tmax/△tmin的取值范圍為2.38～2.71之間，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.7 中冷器冷卻管根數(shù)確定

按中冷器散熱能力計(jì)算內(nèi)部空氣的散熱量：

其中，K——中冷器散熱系數(shù)（熱通過率），W/m2?℃；

根據(jù)配套廠家其它同類型中冷器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（見圖6）來看，冷風(fēng)風(fēng)速Vc約為10m/s時(shí)，K值的取值約為100 W/m2?℃。

代入公式(1)、公式(13)、公式(14)，并將a的取值范圍設(shè)為8～16，得出表2：

表2 冷卻管根數(shù)與中冷器散熱量對(duì)照表

發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際所需散熱能力：

代入數(shù)據(jù)得出發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際所需散熱量約為5.23kW，一般我們?nèi)≡O(shè)計(jì)安全系數(shù)為1.1，即設(shè)計(jì)散熱能力必須大于

5.75kW。

對(duì)照表2，我們得出：散熱管根數(shù)選擇10根，即可滿足該車設(shè)計(jì)要求，并將該狀況下散熱量代入公式(10)，得出理論中冷出氣口溫度tw0為59.52℃，即進(jìn)氣溫升為19.52℃。

3、輕量化設(shè)計(jì)結(jié)果判定

為驗(yàn)證本次輕量化設(shè)計(jì)的效果，將新設(shè)計(jì)的中冷器安裝到目標(biāo)整車上，并進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)，由于整車開發(fā)周期限制，本次試驗(yàn)未能模擬40℃最高許用環(huán)境溫度，但對(duì)于利用進(jìn)氣溫升考察設(shè)計(jì)效果也具有一定的參考意義，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表3。

表3 實(shí)際熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)

備注：考慮試驗(yàn)初期，實(shí)際整車可能未真正進(jìn)入平衡狀態(tài)，表3統(tǒng)計(jì)僅截取了熱平衡試驗(yàn)過程后半段的30個(gè)數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

對(duì)比理論設(shè)計(jì)參數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果得到圖7。

從圖7可以看出本次輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，在試驗(yàn)和零部件性能的正常誤差范圍以內(nèi)。

同步并進(jìn)行了新老中冷器的中冷壓力降、老款中冷器進(jìn)氣溫升的測(cè)量，以及中冷器成本、重量方面的調(diào)查，匯總于表4。

表4 輕量化設(shè)計(jì)結(jié)果匯總

輕量化設(shè)計(jì)結(jié)果判定：目標(biāo)達(dá)成！

4、結(jié)束語

本文將熱交換學(xué)原理充分運(yùn)用到中冷器的輕量化設(shè)計(jì)過程中，取得了一定的效果。從設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)值對(duì)比來看，兩者基本吻合，說明了文中闡述的輕量化設(shè)計(jì)方法是比較準(zhǔn)確的，可應(yīng)用于同類其它車型的設(shè)計(jì)或參考。

[1] 史美中.熱交換器原理與設(shè)計(jì).東南大學(xué)出版社，2009.6.

[2] JAC.輕型卡車進(jìn)氣系設(shè)計(jì)指南.江淮汽車技術(shù)中心，2010.3.

[3] JAC.商用車中冷器設(shè)計(jì)基準(zhǔn)書.江淮汽車技術(shù)中心，2011.6.

The application of hot swapping in the design about lightweight of a intercooler

Xu Bin, Zhang Aidong
(The international company of Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd., Anhui Hefei 230601)

In the incessant calefactive of the energy sources conjuncture, the design about lightweight of automobile gained the recognition by mostly carmakers. This article integrate the hot swapping theory to make the lightweight design of a intercooler which used in a certain JAC truck,and gained a definite harvest,can be used for the design and reference of other congeneric vehicle.

intercooler；hot swapping；lightweight

U462

A

1671-7988(2014)07-50-04

徐斌，就職于安徽江淮汽車股份有限公司國際公司。