蘆俊潔 王芳君 劉昭輝 陳柄林

（寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

為了減小汽車尾氣排放對環(huán)境的污染，提高發(fā)動機(jī)效率，渦輪增壓發(fā)動機(jī)得到各汽車發(fā)動機(jī)生產(chǎn)廠家的關(guān)注和研究。渦輪增壓發(fā)動機(jī)具有功率高、節(jié)能、排放低等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于車用發(fā)動機(jī)，在混合動力系統(tǒng)中也有廣泛應(yīng)用。但渦輪增壓發(fā)動機(jī)在增加進(jìn)氣壓力的同時，會使氣體產(chǎn)生膨脹，提高了進(jìn)氣溫度，從而降低了進(jìn)氣密度，影響發(fā)動機(jī)的充氣效率，造成發(fā)動機(jī)爆震，進(jìn)而使渦輪增壓發(fā)動機(jī)輸出功率降低。為此，需要在進(jìn)氣系統(tǒng)中加裝氣體冷卻裝置來降低進(jìn)氣溫度，從而保證發(fā)動機(jī)高效的同時達(dá)到降低污染物排放的目的[1]。

1 帶水冷中冷器的車用增壓發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)

1.1 中冷器

車用增壓發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中常用的冷卻方式分直接冷卻和間接冷卻。

1）直接冷卻是指冷卻氣體直接和高溫氣體進(jìn)行換熱。目前應(yīng)用的技術(shù)是將增壓器后的高溫氣體引到汽車前端的散熱器，進(jìn)行風(fēng)冷散熱，冷卻后的氣體再由一個增壓管引流到節(jié)氣門體。該技術(shù)成熟且應(yīng)用廣泛，但存在進(jìn)氣路徑長、氣體流動阻力大、加速響應(yīng)滯后等缺點(diǎn)[2]。

2）間接冷卻是指冷卻水和高溫氣體進(jìn)行熱交換。目前應(yīng)用的技術(shù)是將增壓器后的高溫氣體引入水冷中冷器中進(jìn)行冷卻再進(jìn)入發(fā)動機(jī)內(nèi)。相較于直接冷卻，采用水冷中冷器的間接冷卻具有冷卻效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝布置靈活等優(yōu)點(diǎn)。采用水冷中冷器后，由于連接管路短，有利于減小進(jìn)氣壓力損失、減小管路和腔室容積，改善渦輪遲滯狀況，提高發(fā)動機(jī)的動態(tài)響應(yīng)能力，并滿足較小的機(jī)艙空間布置需求。

為了實(shí)現(xiàn)較高的冷卻效率，水冷中冷器需要增加一個與發(fā)動機(jī)本體冷卻系統(tǒng)相獨(dú)立的低溫循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。近年來，隨著電子水泵的推廣應(yīng)用，整車低溫循環(huán)水冷卻系統(tǒng)布置更加簡便，水冷中冷器在渦輪增壓發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用日趨廣泛[3]。

本文討論了一種為車用增壓發(fā)動機(jī)提供的帶獨(dú)立式水冷中冷器的新型集成式進(jìn)氣系統(tǒng)，可通用在3缸增壓發(fā)動機(jī)和4 缸增壓發(fā)動機(jī)上。

1.2 水冷中冷器結(jié)構(gòu)

水冷中冷器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 水冷中冷器結(jié)構(gòu)

1.3 帶水冷中冷器的車用增壓發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)

該進(jìn)氣系統(tǒng)的布置形式如圖2 所示。

圖2 帶水冷中冷器的車用增壓發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)布置形式

水冷中冷器能夠有效降低增壓器后的進(jìn)氣溫度，減少進(jìn)氣系統(tǒng)的壓力損失，其布置形式適應(yīng)節(jié)氣門位置，可緩解機(jī)艙空間不足的壓力。同時，通用性較高，可應(yīng)用在不同排量的發(fā)動機(jī)上。

在這種布置形式下，進(jìn)氣方向和散熱銅管軸向之間的夾角接近90°，如圖3 所示。

圖3 水冷中冷器進(jìn)氣示意圖

高溫空氣由進(jìn)氣室入口進(jìn)入水冷中冷器后，沿進(jìn)氣室內(nèi)腔分散進(jìn)入各散熱銅管，在氣流慣性的作用下，易造成各散熱銅管內(nèi)的高溫氣體分布均勻性偏差較大，一部分散熱銅管內(nèi)高溫氣體流量大、熱負(fù)荷高，高溫氣體不能得到有效冷卻，出氣溫度高且不均勻，嚴(yán)重時易造成散熱銅管局部過熱，產(chǎn)生沸騰和氣蝕風(fēng)險。

為此，本文提出了一種評估水冷中冷器中高溫氣體分布均勻性的評價方法以及評價標(biāo)準(zhǔn)。并在原來模型的基礎(chǔ)上，提出了一種可提高高溫氣體分布均勻性的較為通用的優(yōu)化方案。

2 CFD 仿真分析

采用Starccm+三維仿真軟件對水冷中冷器高溫氣體分布均勻性進(jìn)行CFD 仿真分析。圖4 為3 缸發(fā)動機(jī)水冷中冷器仿真模型示意圖。

圖4 3 缸發(fā)動機(jī)水冷中冷器仿真模型

2.1 網(wǎng)格模型

使用Starccm+軟件將模型設(shè)置為多面體網(wǎng)格，并設(shè)置3 層厚度為3 mm 的邊界層。模型中，包括進(jìn)氣室、散熱管、出氣室在內(nèi)，總的網(wǎng)格數(shù)約為70 萬個。

2.2 數(shù)學(xué)模型

仿真分析中采用的數(shù)學(xué)模型為連續(xù)性方程、能量守恒方程、k-ε 湍流模型等。

2.3 邊界設(shè)置

仿真工況為發(fā)動機(jī)的額定工況（額定功率下的工況），邊界由發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)測得。

1）入口邊界：質(zhì)量流量為399.6 kg/h，溫度為169.74 ℃。

2）出口邊界：壓力為166 kPa，溫度為44.46 ℃。

3）散熱管流動阻力系數(shù)：圖1 所示的水冷中冷器結(jié)構(gòu)中，散熱銅管為Z 型翅片結(jié)構(gòu)，可增加散熱效果。但模型中包含該翅片會增加網(wǎng)格數(shù)量，從而會增加計算量。為了提高仿真效率，對該換熱區(qū)域進(jìn)行簡化，仿真模型不包含翅片，而是將散熱器直接設(shè)置為Porous Region（多孔區(qū)）。根據(jù)供應(yīng)商提供的流量壓力損失曲線，計算出散熱管的慣性阻力系數(shù)和粘性阻力系數(shù)。計算公式如下：

式中：p 為壓力，Pa；x 為長度，m；ω 為速度，m/s；α·μ為粘性阻力系數(shù)，kg/m4；ζ·ρ/2 為慣性阻力系數(shù)，kg/（m3·s）。

通過公式（1）計算出散熱管的慣性阻力系數(shù)為1 713.539 kg/（m3·s），粘性阻力系數(shù)為11.077 kg/m4。

4）散熱管換熱量：圖1 所示的水冷中冷器結(jié)構(gòu)中，由于是通過冷卻水對散熱銅管內(nèi)的高溫氣體進(jìn)行冷卻，因此需將銅管區(qū)域設(shè)置成熱交換器，根據(jù)以下公式[4]估算出銅管的換熱量，加載到銅管區(qū)域內(nèi)。

式中：Q 為換熱量，W；m 為氣體質(zhì)量流量，kg/s；Cp為氣體的比熱容，J/（kg·K）；ΔT 為水冷中冷器進(jìn)氣口和出口溫度差，K。

通過公式（2）計算出換熱量為14 180.0 W。

2.4 評價標(biāo)準(zhǔn)

采用氣體分布均勻性偏差Da作為評價水冷中冷器散熱銅管內(nèi)氣體分布均勻性的標(biāo)準(zhǔn)。通過CFD仿真統(tǒng)計出每個銅管內(nèi)的質(zhì)量流量mi，算出所有銅管中的平均質(zhì)量流量ma和總質(zhì)量流量mt，進(jìn)而根據(jù)下面的公式計算散熱銅管內(nèi)的氣體分布均勻性偏差Da。

式中：mi為各個散熱銅管內(nèi)的質(zhì)量流量（i=1，2，…，13），kg/s；ma為所有散熱銅管內(nèi)的平均質(zhì)量流量，kg/s；mt為總質(zhì)量流量，kg/s。

水冷中冷器氣體分布均勻性的評價標(biāo)準(zhǔn)為：-10%≤Da≤10%。

只有當(dāng)水冷中冷器的Da在±10%以內(nèi)，才能保證水冷中冷器中散熱銅管內(nèi)氣體分布較為均勻。

2.5 仿真結(jié)果

經(jīng)過仿真分析得出，圖1 所示的水冷中冷器結(jié)構(gòu)中，氣體分布均勻性偏差Da的最大值達(dá)到了23%，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

為了解決該問題，在進(jìn)氣室設(shè)置導(dǎo)流板。根據(jù)水冷中冷器進(jìn)氣口布置和進(jìn)氣室的形狀，結(jié)合導(dǎo)流板形狀、尺寸和空間布置，優(yōu)化散熱銅管內(nèi)的流場分布，保證高溫氣體在換熱芯體各冷卻通道間流量均勻分配，提高散熱性能和換熱效率，防止因高溫氣流分布不均導(dǎo)致的出氣溫度不均勻、出氣溫度局部過高、散熱管道局部過熱及氣蝕穿孔等問題。

2.6 3 種優(yōu)化方案

在進(jìn)氣室的不同位置加裝導(dǎo)流板，設(shè)計成3 種導(dǎo)流板布置方案。圖5、圖6 和圖7 分別為方案1、方案2 和方案3，其Da值分別為6.77%、4.7%和4.85%，都滿足±10%的評價標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 方案1 模型

圖6 方案2 模型

圖7 方案3 模型

在設(shè)計進(jìn)氣系統(tǒng)時，要盡量降低壓氣機(jī)后的壓力損失，提高發(fā)動機(jī)的充氣效率。在保持相同進(jìn)氣壓力的前提下，充氣效率越大，進(jìn)氣量會越大，可以保證發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩越大。同時，進(jìn)氣系統(tǒng)壓力損失小，可以減輕增壓器的負(fù)擔(dān)。

圖8、圖9 和圖10 分別為方案1、方案2 和方案3 的壓力分布圖。

圖8 方案1 的壓力分布圖

圖9 方案2 的壓力分布圖

圖10 方案3 的壓力分布圖

從圖8、圖9 和圖10 可以看出，方案3 中，散熱銅管和進(jìn)氣室的壓力損失均小于方案1 和方案2。

綜合考慮其Da值和壓力損失，最終選用方案3。

上述3 缸發(fā)動機(jī)上加裝方案3 的導(dǎo)流板可以通用到4 缸發(fā)動機(jī)上，如圖11 所示。在不加裝導(dǎo)流板的前提下，Da值為20%，加裝方案3 的導(dǎo)流板后，Da值降低到了5.06%。

圖11 4 缸發(fā)動機(jī)的水冷中冷器仿真模型

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

對加裝了方案3 的導(dǎo)流板的水冷中冷器進(jìn)行一系列的單體試驗(yàn)，包括水冷中冷器的傳熱試驗(yàn)、密封性試驗(yàn)、密封試驗(yàn)、振動試驗(yàn)、氣體壓力脈沖試驗(yàn)、冷卻水壓力脈沖試驗(yàn)、冷卻水熱循環(huán)試驗(yàn)、靜壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及清潔度、外部腐蝕、落錘試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果都為合格。

在水冷中冷器單體試驗(yàn)的傳熱試驗(yàn)中，使用了兩個樣件，每個樣件分別重復(fù)做了8 組試驗(yàn)。試驗(yàn)條件和試驗(yàn)評價標(biāo)準(zhǔn)分別見表1 和表2。

表1 試驗(yàn)條件

表2 試驗(yàn)評價標(biāo)準(zhǔn)

兩個樣件的試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 樣件試驗(yàn)結(jié)果

對照表2 的試驗(yàn)評價標(biāo)準(zhǔn)可知，兩個樣件均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求?？芍崞骷友b方案3 的導(dǎo)流板，可以滿足散熱器的換熱標(biāo)準(zhǔn)以及高溫氣體壓降標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

1）水冷中冷器中氣體分布均勻性偏差Da的評價標(biāo)準(zhǔn)為：-10%≤Da≤10%。通過CFD 仿真分析，統(tǒng)計出各個冷卻管內(nèi)氣體的質(zhì)量流量，可計算出Da。Da必須在±10%以內(nèi)，才能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）在不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求時，可以在水冷中冷器的進(jìn)氣室內(nèi)加裝導(dǎo)流板，從而提高進(jìn)氣均勻性。

3）本文利用CFD 仿真軟件對某車用增壓發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)水冷中冷器進(jìn)行了分析，通過在中冷器的進(jìn)氣室內(nèi)加裝方案3 的導(dǎo)流板，對水冷中冷器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的水冷中冷器，其散熱器內(nèi)的氣體分布均勻性偏差從23%降低到了4.85%，提高了散熱器的散熱性能。

4）對加裝了方案3 的導(dǎo)流板的水冷中冷器進(jìn)行了單體傳熱試驗(yàn)，結(jié)果表明，散熱器加裝方案3 的導(dǎo)流板，可以滿足散熱器的換熱標(biāo)準(zhǔn)以及高溫氣體壓降標(biāo)準(zhǔn)。