汽車空空中冷器的設(shè)計(jì)

李 銳，羅宏錦，莫夢(mèng)婷

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

汽車渦輪增壓器的渦輪機(jī)是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣驅(qū)動(dòng)的，發(fā)動(dòng)機(jī)排溫接近八九百度，熱傳遞到增壓器側(cè)，進(jìn)氣溫度隨之升高，且增壓器壓縮空氣，也會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣溫度升高。進(jìn)氣溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)爆震，從而產(chǎn)生增壓效果降低、發(fā)動(dòng)機(jī)壽命短等負(fù)面影響，因此增加中冷器對(duì)于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)非常必要。

1 中冷器分類

中冷器按冷卻介質(zhì)分為水冷中冷器和空空中冷器[1]。水冷中冷器通常集成在進(jìn)氣歧管上，利用散熱器的冷卻液對(duì)歧管內(nèi)氣體進(jìn)行冷卻，熱效率低，冷卻后的溫度很難滿足發(fā)動(dòng)機(jī)要求，但響應(yīng)時(shí)間快?？湛罩欣淦魍ǔＥc散熱器一起布置在整車前端，利用車子運(yùn)行時(shí)的氣流對(duì)增壓空氣進(jìn)行冷卻，熱效率較高，但由于中冷管路的容積延緩了響應(yīng)時(shí)間。目前車用中冷器多采用空空式中冷器，原理圖見(jiàn)圖1。

圖1 增壓發(fā)動(dòng)機(jī)空空中冷器原理圖

2 中冷器常見(jiàn)布置型式

汽車增壓發(fā)動(dòng)機(jī)空空中冷器有以下幾種常見(jiàn)的布置型式。

2.1 前置式

前置式中冷器一般橫置在前蒙皮內(nèi)側(cè)，位于散熱器冷凝器之前偏下位置。這種布置方式因其位于車體最前端，利用整車迎面風(fēng)進(jìn)行散熱，冷卻性能好、維修也方便。

2.2 集成式

集成式中冷器布置在冷凝器與散熱器之間，三器集成一體。該布置迎風(fēng)面積大，冷卻性能較好。但增加了系統(tǒng)冷側(cè)的風(fēng)阻，需額外加大散熱器或風(fēng)扇功率，且中冷器壓降較大。拆裝不方便。

2.3 側(cè)置式

側(cè)置式中冷器安裝在前蒙皮的左內(nèi)側(cè)或右內(nèi)側(cè)，大燈下方，由于空間有限，中冷器體積較小，該布置需要為中冷器設(shè)計(jì)一個(gè)導(dǎo)風(fēng)罩。冷卻性能差。

2.4 頂置式

頂置式中冷器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上方，通過(guò)在發(fā)罩上開(kāi)一個(gè)進(jìn)氣口，將迎面冷風(fēng)導(dǎo)到中冷器進(jìn)行散熱。該布置型式結(jié)構(gòu)緊湊，管道短，響應(yīng)快，但由于中冷器距離發(fā)動(dòng)機(jī)近，會(huì)受發(fā)動(dòng)機(jī)熱輻射的影響。

目前大部分增壓發(fā)動(dòng)機(jī)汽車上采用前置式中冷器，部分車型采用集成式。側(cè)置式和頂置式中冷器由于需要額外增加導(dǎo)風(fēng)裝置和進(jìn)氣開(kāi)口對(duì)成本及造型產(chǎn)生不利，目前應(yīng)用較少。

3 中冷器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

對(duì)于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)中冷器性能等是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出性能的主要影響因素之一[2]。由于空間受限，中冷器的設(shè)計(jì)匹配時(shí)“散熱性能與氣流阻力”是一對(duì)矛盾體。通常通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)選擇最優(yōu)的中冷壓降及中冷后溫度。

以下是某1.5 T發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)，保證其它邊界條件不變，僅改變中冷壓降得到發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩曲線，如圖2所示。從圖2可以看出，中冷壓降對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性是有影響的，當(dāng)中冷壓降增加12 kPa時(shí)，在1 200 r/min以上，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩降低約15 N·m。

圖2 中冷壓降影響曲線

保證其它邊界條件不變，僅改變中冷后溫度得到發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩曲線，如圖3所示。從圖3可以看出，中冷后溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性是有影響的，中冷后溫度增加20℃ 時(shí)，在2 000 r/min附近，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩降低約 18 N·m。

圖3 中冷后溫度影響曲線

4 中冷器的設(shè)計(jì)計(jì)算

本文以某SUV配1.5T發(fā)動(dòng)機(jī)為例，介紹中冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算,并對(duì)中冷器的設(shè)計(jì)進(jìn)行校核。校核中冷器的散熱面積，熱側(cè)出口溫度，冷熱側(cè)的壓力損失等參數(shù)是否滿足要求,如不滿足中冷器需重新設(shè)計(jì)。

4.1 設(shè)計(jì)輸入

設(shè)計(jì)輸入見(jiàn)表1。

表1 1.5T發(fā)動(dòng)機(jī)中冷使用工況參數(shù)

4.2 芯體幾何參數(shù)

根據(jù)整車邊界，芯子有效尺寸：610 mm×123 mm×64 mm，參考其他中冷器，幾何參數(shù)如表2所示。

表2 中冷器芯體幾何參數(shù)

冷卻管根數(shù) n，則有：n·（Hb+2*δ2）+（n+1）·Hw≈123 mm，得n=8，芯體冷卻管為8層，外翅片為9層。

（1）當(dāng)量直徑de

冷側(cè)：Dew=4 Fw/Uw=2xy（x+y）=2.63 mm

熱側(cè)：Deb=4 Fb/Ub=2xy（x+y）=3 mm

（2）流通截面積F

（3）散熱面積A

4.3 傳熱系數(shù)計(jì)算

（1）中冷器換熱量Q=qmb·Cpb·（Tb-Ts）=0.122×1.008×100=12.3 kJ/S

②冷側(cè)平均溫度：Twm=（Tw1+Tw2）/2=46.9 ℃

③熱側(cè)平均溫度：Tbm=（Tb+T）s/2=100℃

④熱側(cè)的對(duì)流平均溫差△Tn

ΔTn=（[Tb-Tw2）-（Ts-Tw1）]·ψ/ln（[Tb-Tw2）/（Ts-Tw1）]

其中ψ為校正參數(shù)[3]，取值見(jiàn)圖4。

圖4 修正系數(shù)ψ取值曲線

從圖表中取ψ=0.89，計(jì)算出ΔTn=37.6

（2）平均溫度下冷側(cè)和熱側(cè)空氣的熱物理性質(zhì)

①密度

冷側(cè)空氣密度：

熱側(cè)空氣密度：

②運(yùn)動(dòng)粘度

冷側(cè)運(yùn)動(dòng)粘度：

熱側(cè)運(yùn)動(dòng)粘度：

③導(dǎo)熱系數(shù)

冷側(cè)導(dǎo)熱系數(shù)：

冷側(cè)導(dǎo)熱系數(shù)：

④普朗特?cái)?shù)

冷側(cè)普朗特?cái)?shù)：

熱側(cè)普朗特?cái)?shù)：

（3）計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)

①冷側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)

冷側(cè)空氣流速：Cw=qmw/（ρwFw）=14.4 m/s

冷卻介質(zhì)的努謝爾特?cái)?shù)：

冷卻空氣側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)：

hw=Nuw·λw/Dew=98 w/（m2·k）

②熱側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)

增壓空氣的流速：Cb=qmb/（ρbFb）=17.3 m/s

熱側(cè)的努謝爾特?cái)?shù)：

熱側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)：

（4）熱阻計(jì)算

熱側(cè)污垢熱阻 R1=0.000 35 m2·K/W

冷側(cè)污垢熱阻 R2=0.000 35 m2·K/W

散熱片焊接處接觸熱阻R3=0.000 1 m2·K/W

導(dǎo)熱熱阻

式中，λ為材料熱導(dǎo)率，取140 W/mK。

（5）中冷器傳熱系數(shù)

得K=56.5 w（/m·2k）

4.4 散熱面積校核

發(fā)動(dòng)機(jī)需要散熱面積：

Ac=Q/（K·△Tn）=5.79 m2

Ac＜5.98 m2，即所需散熱面積小于實(shí)際散熱面積，所以中冷器設(shè)計(jì)滿足要求。

4.5 熱側(cè)出口溫度校核

（1）熱容比為

Ф=（qmCp）min/（qmCp）max=0.24

式中，（qmCp）min為 qmbCpb和 qmwCpw中的較小者，（qmCp）max為兩者中的較大者。

（2）傳熱單元數(shù)為

A為總散熱面積。

（3）效率

在ε-NTU圖中查找的ε值[3]，見(jiàn)圖5。

圖5 ε-NTU圖

或按德雷克關(guān)系式計(jì)算ε值

（4）熱側(cè)出口溫度

冷側(cè)出口溫度

因?yàn)?8.5℃小于50℃，所以熱側(cè)出口溫度滿足要求。

4.6 壓力損失校核

熱側(cè)的壓力損失

2 771 Pa小于3 000 Pa，因此熱側(cè)壓力損失滿足要求。

5 冷卻試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 中冷器試驗(yàn)原理

見(jiàn)圖6。

圖6 中冷器試驗(yàn)原理示意圖

（1）試驗(yàn)開(kāi)始前把中冷器安裝在試驗(yàn)臺(tái)上，并檢查確認(rèn)各連接處是否泄漏。

（2）待系統(tǒng)穩(wěn)定后開(kāi)始記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，熱側(cè)進(jìn)氣溫度控制在±2℃范圍內(nèi)，熱側(cè)進(jìn)氣壓力控制在±5%范圍內(nèi)，熱側(cè)進(jìn)氣流量控制在±1.5%范圍內(nèi)。

5.2 試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

見(jiàn)表3。

表3 1.5T中冷器樣件進(jìn)行冷卻性能試驗(yàn)結(jié)果

中冷器出口溫度平均測(cè)量結(jié)果為48℃，計(jì)算值為48.5℃，計(jì)算偏差為1%；中冷器的壓降平均測(cè)量結(jié)果為6.81 kPa，該結(jié)果包含中冷器氣室壓降，芯體壓降大概占總壓的40%，約2.724 kPa，計(jì)算值為2 771 kPa，偏差為1.7，計(jì)算結(jié)果較為精確。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了汽車常用空空中冷器的設(shè)計(jì)及理論計(jì)算校核方法，計(jì)算結(jié)果接近實(shí)際測(cè)量結(jié)果。在實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中通常也采用CFD軟件進(jìn)行性能分析，限于篇幅本文不再詳細(xì)介紹。