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        某柴油機(jī)車型CAC中冷器的理論設(shè)計(jì)

        2016-11-04 19:57:50蘇寧寧蘇國勇喬書珂
        科技視界 2016年23期

        蘇寧寧+蘇國勇+喬書珂

        【摘 要】進(jìn)氣增壓冷卻是提高柴油機(jī)功率、降低柴油機(jī)熱負(fù)荷的重要方法,為了滿足柴油內(nèi)燃機(jī)向高速、大功率發(fā)展,中冷器進(jìn)行了相應(yīng)的蛻變,本文介紹了中冷器芯體的設(shè)計(jì)與整車的布置的校核,選擇最優(yōu)的芯體,達(dá)到減重及降低單車成本的目的。

        【關(guān)鍵詞】柴油機(jī);中冷器;芯體

        現(xiàn)柴油車上普遍采用渦輪增壓器,空氣經(jīng)過增壓器后,壓力增加,溫度升高,不同的增壓比,增壓后的出氣溫度一般可達(dá)100-200℃之間,中冷器可降低增壓后的空氣溫度,提高充氣效率,達(dá)到降低排放的目的。中冷器分為水冷式和風(fēng)冷式,下文主要介紹風(fēng)冷式CAC中冷器,以環(huán)境空氣為介質(zhì)來冷卻增壓發(fā)動機(jī)進(jìn)氣的熱交換器。

        1 專業(yè)術(shù)語

        中冷器主要有芯體、氣室組成。芯子由散熱帶、冷卻管、主板、側(cè)板等組成,芯體是設(shè)計(jì)中冷器的關(guān)鍵,芯體設(shè)計(jì)會用到以下參數(shù):

        1.1 冷側(cè)

        中冷器與冷卻空氣接觸面。 1.2 熱側(cè)

        中冷器與增壓空氣接觸面。

        1.3 冷側(cè)迎風(fēng)面積At

        垂直與冷卻空氣流動的芯體的正面積,芯體正表面芯高H與芯寬W的乘積。

        1.4 散熱面積Ac

        是散熱管與散熱帶的暴露在空氣中的外表面積之和。

        1.5 熱側(cè)空氣放熱量Qh

        中冷器在穩(wěn)定工作狀態(tài)時,熱側(cè)空氣所放出的熱量,單位為Kw。

        Gh:增壓空氣質(zhì)量流量,單位Kg/h

        Cph: 增壓空氣熱比容,單位KJ/Kg.℃,一般取1.009 KJ/Kg.℃

        thi:中冷器熱側(cè)進(jìn)氣溫度,單位℃

        tho:中冷器熱側(cè)出氣溫度,單位℃

        1.6 冷側(cè)空氣吸熱量Qc

        中冷器在穩(wěn)定狀況下所吸收的熱量,單位為Kw。

        Gc:冷側(cè)進(jìn)氣質(zhì)量流量,單位Kg/h

        Cpc: 冷側(cè)空氣熱比容,單位KJ/Kg.℃,一般取1.005 KJ/Kg.℃

        tci:冷側(cè)空氣經(jīng)過中冷器前進(jìn)氣溫度,單位℃

        tco:冷側(cè)空氣經(jīng)過中冷器后進(jìn)氣溫度,單位℃

        1.7 設(shè)計(jì)散熱量QD

        在規(guī)定條件下將增壓空氣冷卻到規(guī)定溫度時,熱側(cè)空氣的放熱量,是發(fā)動機(jī)對中冷器的熱側(cè)放熱量QD要求的最低限值。

        1.8 理論散熱量Q

        thi:增壓器出口處的空氣溫度

        tho:中冷器出口處的空氣溫度

        tci:冷空氣到達(dá)中冷器正表面前的溫度

        tco:冷空氣經(jīng)過中冷器后的平均溫度

        理論散熱量Q是在規(guī)定的條件下,增壓氣體經(jīng)過中冷器時所散發(fā)掉的熱量,它與中冷器本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。在設(shè)計(jì)中冷器時,要求中冷器的理論散熱量Q應(yīng)大于設(shè)計(jì)散熱量QD。

        2 設(shè)計(jì)參數(shù)

        2.1 設(shè)計(jì)時,發(fā)動機(jī)最大額定功率性能參數(shù):

        增壓熱空氣側(cè):質(zhì)量流量625Kg/h、增壓進(jìn)氣溫度185℃、中冷出氣溫度50℃、進(jìn)口壓力220Kpa;冷卻空氣側(cè):環(huán)境工作溫度25℃、冷側(cè)流速8m/s。

        2.2 熱側(cè)散熱量Qh

        2.3 冷卻空氣流量Gc

        Gc是確定中冷器散熱性能較重要工作參數(shù),確定這一參數(shù)有很多未知因素,目前,只能憑借經(jīng)驗(yàn)估算,根據(jù)同型中冷器實(shí)驗(yàn),冷側(cè)流速為8m/s時,冷側(cè)風(fēng)阻為752.43Pa,系統(tǒng)總阻力為1128.6 Pa。然后,在風(fēng)扇性能曲線上找出相對于的冷卻空氣流量。查得Gc=ρ*v=1.201*1.5=1.8kg/s。

        根據(jù)熱平衡原理,中冷熱側(cè)散熱量與冷側(cè)空氣吸熱量應(yīng)相等,中冷冷側(cè)空氣出口溫度tco=tci+[Qc/(Gc×Cpc)]=25+[23.7/(1.8*1.005)]=38.1℃

        2.4 中冷芯體大小確定

        由整車布置和邊界尺寸,中冷器的芯寬應(yīng)小于540mm,采用橫流式布置。其中,W為中冷器芯體的寬度,H為中冷器芯體的高度,n為冷卻管根數(shù),b為冷卻管厚度,m散熱帶根數(shù),h散熱帶波高。根據(jù)管、帶規(guī)格,確定合適的冷卻管和散熱帶的尺寸,散熱帶齒高h(yuǎn)為8.9mm,冷卻管規(guī)格50mm*8mm,即厚度b為8mm。

        2.5 理論散熱量Q的校核

        根據(jù)中冷器工況和同類型中冷器的試驗(yàn)數(shù)據(jù),確定該工況下中冷器的傳熱系數(shù)K約為92W/m2·℃。

        中冷器的設(shè)計(jì)散熱面積是理論所需散熱面積的105%,從理論上,中冷器能滿足設(shè)計(jì)要求。中冷芯體的有效尺寸:芯高*芯寬*芯厚=346.9*540*50。

        3 結(jié)論

        在設(shè)計(jì)中冷器芯體時,必須考慮三個指標(biāo),即散熱能力和冷、熱側(cè)壓力降。中冷器設(shè)計(jì)應(yīng)做到散熱能力最大,且冷、熱壓力降最低。本文根據(jù)發(fā)動機(jī)標(biāo)定的一些參數(shù),理論計(jì)算中冷器芯體的尺寸,設(shè)計(jì)散熱量大于理論散熱量時,即認(rèn)為在最大功率點(diǎn)時設(shè)計(jì)滿足整車要求,當(dāng)然后期還需冷卻風(fēng)洞試驗(yàn)和整車熱平衡試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

        【參考文獻(xiàn)】

        [1]上海交通大學(xué)制冷和低溫研究所.

        [2]浙江大學(xué)能源工程學(xué)系.

        [3]QSQR.04.942-2007 轎車、輕型汽車用中冷器.

        [責(zé)任編輯:王偉平]

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