某轎車中冷器性能優(yōu)化分析及解決措施

張鶴，鐘素娟，何延剛，麻金賀

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某轎車中冷器性能優(yōu)化分析及解決措施

張鶴，鐘素娟，何延剛，麻金賀

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

在某轎車產(chǎn)品研發(fā)過程中，出現(xiàn)了進(jìn)氣溫度偏高導(dǎo)致扭矩下降，從而影響整車動(dòng)力性表現(xiàn)的問題，為了消除這個(gè)問題，對(duì)中冷器系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析并針對(duì)中冷器性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的影響進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證，通過優(yōu)化中冷器，最終解決了整車扭矩下降的問題，提高了產(chǎn)品品質(zhì)和動(dòng)力性。

中冷器；聚風(fēng)罩；CAE；優(yōu)化設(shè)計(jì)

CLC NO.: U462 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-234-02

前言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，汽車保有量迅猛增加，人們對(duì)汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的要求也日益增高，因此增壓車型也是未來發(fā)展的趨勢(shì)，廢氣渦輪增壓的應(yīng)用最為普遍。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣的溫度非常高，通過增壓器的熱傳導(dǎo)會(huì)提高進(jìn)氣的溫度。而且，空氣在被壓縮的過程中密度會(huì)升高，這必然也會(huì)導(dǎo)致空氣溫度的升高，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率。如果想要進(jìn)一步提高充氣效率，就要降低進(jìn)氣溫度。有數(shù)據(jù)表明，在相同的空燃比條件下，增壓空氣的溫度每下降10 ℃，發(fā)動(dòng)機(jī)功率就能提高3%～5%。

如果未經(jīng)冷卻的增壓空氣進(jìn)入燃燒室，除了會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率外，還很容易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒溫度過高，造成爆震等故障，而且會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的NOx的含量，造成空氣污染。

為了解決增壓后的空氣升溫造成的不利影響，因此需要加裝中冷器來降低進(jìn)氣溫度。

1、中冷器的優(yōu)化方法

中冷器基本由氣室和芯體組成，芯體由鋁制內(nèi)翅片、外翅片、扁管構(gòu)成，外界冷卻介質(zhì)如冷空氣或水通過外翅片與中冷器內(nèi)部的熱空氣進(jìn)行熱傳導(dǎo)來進(jìn)行增壓空氣的冷卻。因此風(fēng)冷式中冷器的優(yōu)化方法通常有以下幾種：1、調(diào)整內(nèi)翅片、外翅片的規(guī)格、增大熱交換面積；2、增大芯體面積；3、增大進(jìn)風(fēng)量。

本文所針對(duì)的某轎車車型在加速過程中通過中冷器進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度較高，導(dǎo)致整車扭矩發(fā)揮不暢、加速無(wú)力，經(jīng)測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)峰值扭矩約為270N.m，而實(shí)際中僅能輸出230N.m的扭矩，嚴(yán)重影響了整車的加速性能。采取通過中冷器的模擬分析并結(jié)合優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能的發(fā)揮。

2、中冷器出氣溫度偏高及優(yōu)化

該車在熱平衡工況時(shí)，中冷器出氣較高，發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出扭矩僅為230N.m，較發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值扭矩減小了40N.m的輸出，嚴(yán)重影響了整車動(dòng)力性的發(fā)揮。

圖1為3200rpm@wot工況ECU讀取數(shù)據(jù)，從圖中更可以看出轉(zhuǎn)轂風(fēng)機(jī)隨車速變化時(shí)，此時(shí)中冷溫度64.5℃，扭矩250Nm。保持工況不變，加大風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，使溫度降到55℃，此時(shí)扭矩可達(dá)到270Nm。

圖1 3200rpm@wot工況ECU讀取數(shù)據(jù)

2.1 中冷器優(yōu)化分析

為盡量降低中冷器出氣溫度，對(duì)中冷器自身結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整如下，見表1：將散熱面尺寸調(diào)整到126×680× 82；扁管數(shù)量調(diào)整到9個(gè)，規(guī)格調(diào)整到7.8×0.4；外翅片調(diào)整到8條，規(guī)格調(diào)整到7.0×4.0×0.11；內(nèi)翅片（扁管內(nèi)部）調(diào)整到7.0×0.44×0.12；經(jīng)計(jì)算和測(cè)試散熱面積由2.986m2增加到4.45m2；10m/s風(fēng)速下散熱量由10.5kW增加到16.3kW。

表1 中冷器自身結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)示意

圖2為在中冷器前端增加聚風(fēng)罩結(jié)構(gòu)，將外界冷空氣強(qiáng)制引流至中冷器表面，從而增加進(jìn)風(fēng)量。

圖2 中冷器增加聚風(fēng)罩結(jié)構(gòu)示意圖

圖3、圖4為增加聚風(fēng)罩前后的進(jìn)氣量對(duì)比模擬分析示意圖，模擬工況為3檔WOT爬坡，從對(duì)比中可以看出，增加中冷器聚風(fēng)罩以后強(qiáng)制更多氣流進(jìn)入中冷器，較增加之前中冷器進(jìn)風(fēng)量增加約44%，從而大大提高了中冷器的冷卻效果。（黃色圓框處為中冷器位置）。

表2為熱平衡工況下的中冷器出氣溫度對(duì)比示意圖，看以看出中冷器在優(yōu)化后出氣溫度均有較大幅度下降，高速工況由60.5℃下降到49.3℃，爬坡工況由61.9℃下降到52.6℃。效果較為明顯。

圖3 增加聚風(fēng)罩前后Y=100mm剖面速度云圖

圖4 增加聚風(fēng)罩前后Z=80mm剖面速度云圖

表2 熱平衡工況下的中冷器出氣溫度對(duì)比示意圖

備注：優(yōu)化前高速工況6檔130km/h、爬坡工況3檔60km/h由于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩不足無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此使用6檔120km/h和3檔40km/h工況代替。

3、結(jié)論

在進(jìn)行中冷器設(shè)計(jì)時(shí)，在考慮到成本、安裝空間的同時(shí)，更要優(yōu)先處理好中冷器與格柵之間的匹配關(guān)系，確保進(jìn)風(fēng)量可以滿足增壓后的氣體溫度，保證發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩的正常發(fā)揮，在模擬分析的基礎(chǔ)上考慮增加強(qiáng)制進(jìn)風(fēng)，找到適中的方案，達(dá)到既能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、扭矩輸出的要求，又能達(dá)到不過度設(shè)計(jì)的目的。

本論文通過試驗(yàn)分析和模擬分析相結(jié)合的手段改進(jìn)中冷器的結(jié)構(gòu)，利用Star-CD分析軟件對(duì)中冷器的進(jìn)風(fēng)量、流場(chǎng)模擬分析，同時(shí)結(jié)合中冷器自身散熱量和散熱面積的計(jì)算建立優(yōu)化的計(jì)算模型，便于更加迅速的優(yōu)化中冷器的冷卻結(jié)構(gòu)和流量的模擬分析判斷，準(zhǔn)確而快速的確定中冷器的方案，從而可以在設(shè)計(jì)階段就可以開展對(duì)中冷器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作，進(jìn)一步縮短研發(fā)周期和經(jīng)費(fèi)投入。

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An automobile exhaust noise performance optimization analysis and solutions

Zhang He, Zhong Sujuan, He Yangang, Ma Jinhe
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In a course of product research and development of the car, the intake air temperature on the high level due to a high torque decreased ,thus affecting the vehicle power performance problems, in order to eliminate of the intercooler system to optimize the analysis and test for related affects the performance of intercooler of engine torque, by optimizing the intercooler, finally solves the problem of the vehicle torque decreased ,and improve the product quality and performance.

Intercooler; Air concentrator; CAE; Optimization analysis

U462

A

1671-7988 (2017)10-234-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.080

張鶴,（1984-）, 男，本科，底盤設(shè)計(jì)工程師就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心。