某自卸車中冷壓降性能改進(jìn)設(shè)計(jì)

錢時(shí)俊

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230061）

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某自卸車中冷壓降性能改進(jìn)設(shè)計(jì)

錢時(shí)俊

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230061）

文章針對(duì)某重型自卸車的中冷壓降過(guò)高的性能問(wèn)題提出改進(jìn)方案，更改中冷器的氣室結(jié)構(gòu)，并增大進(jìn)出氣口氣室口徑，使得冷熱氣流更加順暢，并通過(guò)單體風(fēng)洞試驗(yàn)和整車轉(zhuǎn)轂進(jìn)排氣試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，從驗(yàn)證結(jié)果可以看出：改進(jìn)效果明顯，為后期中冷壓降過(guò)高提供改進(jìn)參考方案。

中冷壓降；中冷器；散熱管；紊流片；氣室；改進(jìn)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.016

CLC NO.: U464.135+.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-43-04

背景

中冷器作為發(fā)動(dòng)機(jī)附配件的重要組成部分，中冷器的性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性起到至關(guān)重要的作用，然而過(guò)高的中冷壓降會(huì)使得進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)中的空氣量減少，從而增加發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗，制約發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出，使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性大大降低，最終將影響整車的運(yùn)營(yíng)成本，降低產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。目前，中冷壓降性能指標(biāo)一般按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) QC/T 828中的要求（如下表1）進(jìn)行設(shè)定。

散熱性能和壓降要求按QC/T 828中5.1的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，滿足表1要求：

表1　散熱性能和壓力降要求

1、現(xiàn)狀

對(duì)某款重卡自卸車進(jìn)行轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)，測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表2所示：

表2　中冷器轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出中冷器壓降為 17.9kPa，達(dá)不到QC/T 828 中規(guī)定的中冷器壓降小于12.5kPa的標(biāo)準(zhǔn)要求，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量不足，從而影響整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

2、原因分析

2.1中冷器進(jìn)氣流量理論計(jì)算

增壓柴油機(jī)qve計(jì)算公式：qve=P·ge·α·A0/(1000·γa)

帶入數(shù)值計(jì)算得出qve=1293m3/h；

根據(jù)進(jìn)氣流量熱風(fēng)流量：G1=qve×ρa(bǔ) /3600

G1=1293×1.29/3600=0.463kg/s

中冷器實(shí)際所需散熱量：Q1=Ca×G1(T1-T2)，

此處T1取170℃，T2取70℃，

Q1=1.009×103×0.463×（170-70）=46717W

中冷器所必須具備的理論散熱能力：Q2＞Q1×1.2

取Q2=1.2Q1=56060W

中冷器散熱面積公式： Q2=K傳感系數(shù)×△T'×A散熱面積

A散熱面積=Q2/(K傳感系數(shù)×△T')

△T'=(△T-△T")/ln(△T/△T") 取冷側(cè)溫升△T"=30℃

A=56060/(100*58)m2=9.67m2

根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇如下表2所示的中冷器，該中冷器的散熱面積為11.484，理論上能滿足散熱性能要求，該款重型自卸車采用的中冷器為空對(duì)空中冷器，中冷器氣室采用上下氣室，氣室口位于上氣室，散熱管內(nèi)部安裝開(kāi)窗型紊流片，該中冷器的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)下表2。

表2　原始中冷器設(shè)計(jì)參數(shù)表

2.2管路彎角過(guò)大

經(jīng)過(guò)對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)中冷前后的管路查看，中冷器管路布置符合設(shè)計(jì)指南要求，并無(wú)過(guò)大的彎角，管路不是造成中冷壓降過(guò)大的原因；

圖2　中冷管路

圖3　中冷管路

2.3中冷器進(jìn)出氣口管徑太小

經(jīng)過(guò)圖紙校核，中冷器進(jìn)出氣口直徑與中冷器進(jìn)出氣軟管、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口、增壓器出氣口直徑相同，管徑符合發(fā)動(dòng)機(jī)匹配要求，中冷器進(jìn)出氣管徑小不是造成中冷器壓降過(guò)大的原因。

圖4　中冷氣室口徑

2.4氣室設(shè)計(jì)不合理

中冷器氣室結(jié)構(gòu)對(duì)其整體壓降影響非常大，通過(guò)進(jìn)氣室后的壓降也要占整個(gè)中冷器壓降的60%左右，該車型中冷器采用上下氣室，中冷器上下氣室中間有隔板阻擋氣流，使氣流不能迅速的通過(guò)中冷器，中冷器氣室是造成中冷壓降過(guò)大的主要原因。

圖5　上下氣室

圖6　上下氣室

2.5散熱管截面尺寸

增大散熱管的截面尺寸能使得通過(guò)截面的氣流量增多，氣流將變得更 加順暢，增大散熱管截面積是造成中冷壓降過(guò)大的。

2.6將紊流片開(kāi)窗型改為錯(cuò)位型

圖7　錯(cuò)位型

圖8　開(kāi)窗型

開(kāi)窗型的紊流片能夠使散熱管中的氣流更加紊亂，而內(nèi)置錯(cuò)位型的紊流片能改善氣流紊亂現(xiàn)象，使氣流更加順暢。

3、整改措施

根據(jù)以上的原因分析給出以下改進(jìn)方案：

改進(jìn)措施一：將中冷器的上下氣室改為左右氣室結(jié)構(gòu)，中冷器左右氣室中間無(wú)隔板阻擋氣流，氣流由于流通的路徑變短，能快速的從中冷器的一個(gè)氣室流向另一個(gè)氣室，氣流將變得更加流暢，從而將降低整個(gè)中冷器的壓降。

整改前后中冷器總成對(duì)比

圖9　整改前

圖10　整改后

對(duì)整改前后的中冷器理論分析：

利用Fluent模擬計(jì)算中冷器，涉及到中冷器中流體的流動(dòng)和傳熱。涉及計(jì)算的一般步驟是：幾何建模、劃分網(wǎng)格、邊界設(shè)定、物理模型選擇、計(jì)算和后處理。中冷器建模后分為三部分，進(jìn)氣道、出氣道、芯體；其中芯體部分做如下簡(jiǎn)化：只做出增壓空氣通道，而冷卻介質(zhì)通道挖空，冷氣熱氣之間做對(duì)流換熱；將進(jìn)氣道、芯體、出氣道連為整體。我們選擇中冷器的邊界條件為：對(duì)于壓縮熱空氣，空氣進(jìn)口為質(zhì)量流量進(jìn)口（mass-flowinlet）；空氣出口為壓力出口(pressure outlet)；中冷器材料為鋁，設(shè)置為壁面（wall）壁厚為0.6；對(duì)其做對(duì)流換熱處理，傳熱系數(shù)為100 w/.k。通過(guò)CFD分析得到的靜態(tài)壓力圖如下：

圖11　左右氣室中冷器

根據(jù)兩中冷器 CFD理論分析可知左右氣室中冷器要明顯優(yōu)于上下氣室的中冷器，但影響中冷器壓降的因素較多，既與中冷器的氣室口位置、散熱管的橫截面積等有關(guān)，又與散熱管內(nèi)部紊流片的形式有關(guān)，因此只憑理論計(jì)算無(wú)法準(zhǔn)確模擬中冷器的性能結(jié)果。

圖12　上下氣室中冷器

改進(jìn)措施二：將散熱管的寬度由原來(lái)的40mm改為52mm,高度不變，整個(gè)散熱管的橫截面積將增加30%，散熱管由豎直狀態(tài)改為水平狀態(tài)，氣流的路徑明顯縮短，管路造成氣流的壓力損失將減小，從而導(dǎo)致中冷器的壓降降低。

改進(jìn)措施三：將散熱管內(nèi)置開(kāi)窗式紊流片改為錯(cuò)位式，錯(cuò)位式是在散熱管內(nèi)部增加部分散熱片而并非開(kāi)窗式（在整個(gè)散熱管內(nèi)安裝如圖8所示的紊流片），降低了散熱管內(nèi)紊流片的安裝數(shù)量，從而降低氣阻來(lái)達(dá)到降低壓降的目的。

整改后的中冷器設(shè)計(jì)參數(shù)表如下表：

表1　

4、整改后試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

根據(jù)上述的整改措施對(duì)中冷器進(jìn)行相應(yīng)的整改，將整改完成的中冷器安裝在試驗(yàn)樣車上進(jìn)行轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)，轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)條件如下：

試驗(yàn)方法：整車中冷器壓降轉(zhuǎn)轂臺(tái)架測(cè)量系統(tǒng)

試驗(yàn)設(shè)備：整車性能轉(zhuǎn)轂、便攜式精度輪胎氣壓計(jì)、溫度傳感器、壓力傳感器、FLUKE 2635A、多功能數(shù)據(jù)采集箱

試驗(yàn)環(huán)境：氣溫：5℃～35℃范圍內(nèi)；氣壓：91kPa～104kPa 范圍內(nèi)；濕度：相對(duì)濕度小于 80%。

試驗(yàn)樣車：a)試驗(yàn)樣車至少經(jīng)過(guò) 2500km 磨合，并進(jìn)行了保養(yǎng)調(diào)整。b)試驗(yàn)前，完成《車輛檢查》和《試驗(yàn)前檢查》。c)試驗(yàn)前，按照《車輛固定方法》固定車輛。d)試驗(yàn)前，車輛以轂帶車的形式，以 80km/h行駛約 20min。e)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能應(yīng)滿足 GB/T 18297 的試驗(yàn)要求。f)汽車排氣消聲器總成應(yīng)滿足 QC/T 631 的要求。

試驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)選擇（如下圖）：

圖13　

試驗(yàn)結(jié)果表2：

從轉(zhuǎn)轂進(jìn)排氣試驗(yàn)結(jié)果看出樣車中冷器壓降為6.2kPa，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) QC/T 828 中的中冷壓降≤12.5kPa的技術(shù)要求。

表2　

5、總結(jié)

綜上所述，在當(dāng)前無(wú)法加大中冷器的情況下，只能在細(xì)節(jié)上下功夫來(lái)提升中冷系統(tǒng)的性能。通過(guò)優(yōu)化中冷器氣室來(lái)改善中冷器內(nèi)部壓降，試驗(yàn)結(jié)果證明，在該款車型上進(jìn)行的整改措施是切實(shí)有效的。該項(xiàng)目中實(shí)施的方案后期可以在全部的重卡國(guó)四自卸車等車型上進(jìn)行推廣，有效提升整車中冷性能。

[1] 王望予.汽車設(shè)計(jì)[第4版].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.5.

[2] 林建忠.流體力學(xué).北京：清華大學(xué)出版社,2005.

[3] 肖寶蘭等.翅片參數(shù)對(duì)車用中冷器流動(dòng)傳熱性的影響.浙江大學(xué)學(xué)報(bào).2010p2164-2178.

An improved self cooling pressure drop performance in truck design

Qian Shijun
（Anhui jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601）

In this paper, a heavy-duty dump truck in the cold high pressure drop performance issues proposed improvement program, to change the cooler gas chamber structure, and increase access to an air intake chamber diameter, making hot and cold air more smoothly, wind and the monomer hole rotating hub and vehicle test experiments verified, it can be seem from the verification results; improvement effect is obvious, the pressure drop is too high for the latter to provide an improved inter-cooler reference scheme.

middle pressure drop; middle cooler; heat sink; turbulent flow sheet; air chamber; improve

錢時(shí)俊，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。

U464.135+.8

A

1671-7988 （2016）06-43-04