柴油機(jī)可調(diào)式簧片中冷器設(shè)計(jì)及研究

趙永勝，安澤婷，孫家峰，趙文舒

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.多倫多大學(xué) 機(jī)械與工業(yè)工程學(xué)院，加拿大 安大略 多倫多 M5S2E8)

汽車作為最重要的交通工具之一，其變化與進(jìn)步日新月異。隨著人類活動范圍的增大，現(xiàn)代車用柴油機(jī)通常會遇到各種復(fù)雜的工況，諸如高原上氣壓低、缺氧等惡劣環(huán)境，導(dǎo)致柴油機(jī)功率下降，性能惡化甚至壽命降低。在解決這些問題的過程中，柴油機(jī)增壓技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。但增壓的同時(shí)，也使系統(tǒng)內(nèi)部空氣溫度提升，熱負(fù)荷上升，進(jìn)氣量減少，進(jìn)而降低了發(fā)動機(jī)的功率[1]。而中冷器的出現(xiàn)很好地解決了這一系列問題，對于增壓發(fā)動機(jī)來說，無論是機(jī)械增壓還是渦輪增壓，都需要在增壓器與進(jìn)氣歧管之間安裝中冷器[2]。

現(xiàn)有的柴油機(jī)中冷器已經(jīng)很成熟，而且早已投入批量化生產(chǎn)。但已有產(chǎn)品大多采用普通中冷器，而普通中冷器在柴油機(jī)低速時(shí)容易出現(xiàn)過冷，使通入氣缸內(nèi)的空氣溫度過低，增加了預(yù)熱時(shí)間，降低了發(fā)動機(jī)的熱效率，因而本文提出可調(diào)中冷器的設(shè)想并對可調(diào)式簧片中冷器進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

1 研究方法及內(nèi)容

1.1 研究方法

本文在現(xiàn)有柴油機(jī)和中冷器基礎(chǔ)上，利用二、三維模型建立方法[3]及有限元分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)分析、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等方法，完成可調(diào)式簧片中冷器的設(shè)計(jì)、建模、網(wǎng)格劃分、邊界定義以及流場分析。

1.2 研究內(nèi)容

本文根據(jù)中冷器公司提供的相關(guān)數(shù)據(jù)(部分零部件的結(jié)構(gòu)、尺寸以及安裝位置)，在參考現(xiàn)有中冷器樣機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)可調(diào)式簧片中冷器。即在中冷器上氣室鉚接彈性簧片，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)高低速情況下，中冷器進(jìn)氣量可調(diào)，從而得到不同的降溫效果，解決柴油機(jī)低速過冷的問題。利用AutoCAD2007讀取二維圖紙并設(shè)計(jì)簧片結(jié)構(gòu)及其與現(xiàn)有中冷器的連接，再通過三維建模軟件SolidWorks2016建立實(shí)體模型(包括低工況無簧片式和低工況有簧片式兩種模型)，然后導(dǎo)入有限元網(wǎng)格劃分軟件Hypermesh進(jìn)行有限元網(wǎng)格模型的建立，定義邊界并用流場分析軟件Fluent模擬簡化上述兩種中冷器內(nèi)部流場，通過對比兩者的溫度、壓力、速度云圖，對其進(jìn)行流場分析，證明設(shè)計(jì)的合理性。

2 二、三維建模以及模型處理

2.1 可調(diào)式簧片中冷器二維模型的建立

首先，利用AutoCAD2007查看中冷器公司提供的部分中冷器零件二維尺寸參數(shù)和整體外形圖，對所需要設(shè)計(jì)造型的中冷器進(jìn)行整體建模規(guī)劃。初步擬定簧片式中冷器設(shè)計(jì)方案，即在中冷器上氣室安裝簧片，如圖1所示。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于低工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，簧片處于自然垂落狀態(tài)，高溫空氣只會與部分中冷器面積接觸；隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，進(jìn)氣量增大，簧片會被氣體壓力推開，增大了冷卻面積，因而實(shí)現(xiàn)更大的降溫效果。

圖1 可調(diào)式簧片中冷器局部二維模型Fig.1 Local two dimensional model of tunable reed intercooler

2.2 可調(diào)式簧片中冷器三維模型的建立

利用Solidworks2016建立三維模型。由于中冷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且重復(fù)，因此建模時(shí)可以采用各個(gè)擊破的方法，即首先建立主要零部件的三維模型，如圖2—圖4所示，然后利用零件裝配的方法獲得中冷器裝配體。其中，簧片如圖5所示，為一弧形彈性金屬片，在其上半段有4個(gè)分布均勻的加工孔，用以穿過鉚釘將其鉚接于上氣室，起到中冷器可調(diào)作用。因?yàn)槠浞磸?fù)伸張的工作性質(zhì)，在循環(huán)應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生疲勞破壞，故而簧片材料選用鈹青銅或者65Mn彈簧鋼，使其有足夠的使用壽命。裝配體完成后，可以利用Solidworks2016的連接重組功能將各零件連接，為后續(xù)仿真計(jì)算做準(zhǔn)備。本設(shè)計(jì)主要對低工況無簧片和低工況有簧片的中冷器模型展開研究，三維實(shí)體分別如圖6、圖7所示。

圖2 芯體管實(shí)體Fig.2 Core tube entity 圖3 上氣室實(shí)體Fig.3 Gas chamber entity

圖4 波浪翅片實(shí)體Fig.4 Wavy finned entity圖5 簧片設(shè)計(jì)實(shí)體Fig.5 Reed design entity

3 有限元分析及流場仿真分析

將空氣流場經(jīng)過的實(shí)體(三維建模已經(jīng)獲得)導(dǎo)入Hypermesh中準(zhǔn)備進(jìn)行有限元網(wǎng)格模型建立，啟用Hypermesh中3D網(wǎng)格劃分功能，選中實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。檢查網(wǎng)格質(zhì)量后進(jìn)行邊界面定義，定義流體進(jìn)出口。然后導(dǎo)入流場分析軟件Fluent，檢查網(wǎng)格質(zhì)量后進(jìn)行流場分析[4]。

圖6 低工況無簧片實(shí)體Fig.6 Entity without reed in low working condition圖7 低工況有簧片實(shí)體Fig.7 Reed entity in lowworking condition

3.1 中冷器性能的計(jì)算

實(shí)際工作中，中冷器降溫過程有熱空氣在扁管芯體構(gòu)成的通道中流動，冷空氣在管間的空間中垂直流過管道外側(cè)。為了強(qiáng)化換熱，管道外側(cè)加裝波浪翅片，形成諸多三角形的小孔通道，管道和翅片均為鋁制。此中冷器換熱方式是兩部分流體不混合，通過管道和翅片進(jìn)行熱交換，下面為中冷器性能計(jì)算的基本方程[5-7]：

(1)基本傳熱方程

φ=AkΔtm

(1)

式中： Δtm=ψ(Δtm)ctf，ψ是小于1的修正系數(shù)，可查表獲得；(Δtm)ctf是把給定的冷熱流體進(jìn)出口溫度布置成逆流時(shí)的對數(shù)平均溫差。

傳熱系數(shù)的確定(選擇內(nèi)表面為依據(jù))：

(2)

式中Ai、A0是管子內(nèi)、外換熱面積。

(2)壓力損失計(jì)算

(3)

式中，f是阻力系數(shù)，其計(jì)算公式為

f=(1.82lgRe-1.64)-2

(4)

(3)肋效率計(jì)算

(5)

3.2 三維模型有限元網(wǎng)格的劃分

將流場實(shí)體三維模型導(dǎo)入Hypermesh中進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分并定義流體流入流出邊界面[6]，如圖8、圖9所示。

圖8 低工況無簧片網(wǎng)格劃分Fig.8Grid partition of non reed intercooler in low working condition圖9低工況有簧片網(wǎng)格劃分 Fig.9Grid partition of reed intercooler in low working condition

3.3 有限元模型的流場分析

打開Fluent,進(jìn)行3D運(yùn)行，將已經(jīng)定義過的邊界面網(wǎng)格文件讀入Fluent中；檢查并優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量，設(shè)置初始穩(wěn)態(tài)求解器，啟動能量方程，流體選擇空氣，湍流模型選擇k-epsilon；定義邊界條件：設(shè)置中冷器入口溫度為423K,入口速度為110m/s,入口壓力為280kPa,管和外界的溫度均為300K[8]。

進(jìn)行初始化設(shè)置，開啟監(jiān)視功能，初步迭代上限設(shè)為1000次，開始運(yùn)算，在分別迭代了195次和102次之后，各自收斂，結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 低工況無簧片迭代結(jié)果Fig.10Iterative results of non reed intercooler in low working condition

為直觀顯示兩者對比結(jié)果,進(jìn)行了壓力、速度和溫度云圖繪制[8]，結(jié)果如圖12—圖17所示。兩者壓力、速度和溫度云圖變化的數(shù)據(jù)對比見表1。

圖11 低工況有簧片迭代結(jié)果Fig.11 Iterative results of reed intercooler in low working condition

4 結(jié)論

可調(diào)式簧片中冷器在簧片的調(diào)節(jié)下可以控制柴油機(jī)高低速工況的進(jìn)氣量，觀察低工況中冷器壓力、速度、溫度云圖可以看出：

(1)在低工況時(shí)，相對無簧片普通中冷器而言，有簧片中冷器的壓力損失得到部分改善，損失減少約900Pa。

(2)有簧片中冷器出口速度比無簧片式多約5m/s， 平均速度也比普通無簧片式中冷器高，這樣有利于減小摩擦，保證氣流在中冷器內(nèi)部的順暢流動[9]。

圖12 低工況無簧片壓力云圖 Fig.12 Pressure cloud map of non reed intercooler in low working condition圖13 低工況有簧片壓力云圖Fig.13 Pressure cloud map of reed intercooler in low working condition圖14 低工況無簧片速度云圖Fig.14 Velocity cloud map of non reed intercooler in low working condition

圖15 低工況有簧片速度云圖Fig.15 Velocity cloud map of reed intercooler in low working condition圖16 低工況無簧片溫度云圖Fig.16 Temperature cloud map of non reedintercooler in low working condition圖17 低工況有簧片溫度云圖Fig.17 Temperature cloud map of reed intercooler in low working condition

表1兩種中冷器壓力、速度、溫度變化數(shù)據(jù)對比Tab.1Comparisonofpressure,velocityandtemperaturedataoftwokindsofintercoolers

中冷器類型壓力損失/kPa出口速度/m·s-1溫度降/K無簧片5.95597有簧片5.06049

(3)在柴油機(jī)處于低工況時(shí)，當(dāng)氣體從整個(gè)中冷器(無簧片式)通過，會造成散熱面積過大，使出口溫度過低；而使用可調(diào)式簧片中冷器后，可以減少氣體流經(jīng)中冷器的流通面積，從而避免了柴油機(jī)低工況時(shí)的過冷問題。