集成中冷器進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)和性能驗(yàn)證

摘要：集成中冷器塑料進(jìn)氣歧管具有結(jié)構(gòu)緊湊、熱交換性能高等優(yōu)勢(shì)為渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)小型化和節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)。文章根據(jù)三缸1.5T發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，正向開發(fā)集成中冷器結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣歧管，使用CFD分析工具，優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足最大氣流流阻小于3kPa、氣流均勻性和氣流對(duì)中冷器的利用率要求的產(chǎn)品方案。根據(jù)中冷器的實(shí)際允許空間尺寸選擇高換熱性的板式中冷器，并對(duì)中冷器換熱性能進(jìn)行設(shè)計(jì)校核時(shí)，同時(shí)考慮了中冷器的性能衰減和生產(chǎn)制造的公差影響。通過(guò)樣件驗(yàn)證集成中冷進(jìn)氣歧管熱交換后的出氣溫度為48.63℃并滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)小于50℃。

關(guān)鍵詞：集成中冷器進(jìn)氣歧管;設(shè)計(jì)開發(fā);性能驗(yàn)證;CFD

中圖分類號(hào)：TK414.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）09-0014-02

1 ?技術(shù)背景

高功率渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)具有功率高和節(jié)能減排的優(yōu)勢(shì)得到的應(yīng)用越來(lái)多。主要靠渦輪增壓器來(lái)增加發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣壓力從而達(dá)到進(jìn)氣質(zhì)量的增加而獲得較高輸出扭矩和功率;而渦輪增壓器工作中在壓縮進(jìn)氣以獲得較高的進(jìn)氣壓力的同時(shí)進(jìn)氣溫度也會(huì)同時(shí)升高，所以就需要對(duì)進(jìn)氣溫度進(jìn)行冷卻以保持發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒后獲得理想的功率扭矩和降低排放污染物。常用的進(jìn)氣溫度冷卻方法有兩種即直接冷卻和間接冷卻：①所謂直接冷卻是指氣體和氣體進(jìn)行熱交換來(lái)進(jìn)行熱傳遞，目前應(yīng)用的是將增壓器后的高溫氣體引入到汽車前端的散熱器，通過(guò)以氣體作為散熱介質(zhì)的散熱器對(duì)增壓后的高溫進(jìn)氣進(jìn)行風(fēng)冷散熱，冷卻后的氣體由增壓管引流到節(jié)氣門體，通過(guò)進(jìn)氣歧管把氣體分配到發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)缸體內(nèi)。②所謂間接冷卻是指參與冷卻的介質(zhì)是冷卻介質(zhì)是冷卻水，將經(jīng)過(guò)增壓器的高溫氣體經(jīng)過(guò)以冷卻水為冷卻介質(zhì)的中冷器進(jìn)行冷卻后引入發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)缸內(nèi)，水冷中冷器可以集成在進(jìn)氣路徑中的進(jìn)氣歧管中或者節(jié)氣門體前的增壓管路中。直接空氣冷卻的方式目前多是把空氣冷卻器安裝在汽車車輛前端，應(yīng)用成熟和廣泛，但是具有進(jìn)氣路徑較長(zhǎng)，氣體流阻大，加速響應(yīng)滯后和較難實(shí)驗(yàn)冷卻溫度可調(diào)等缺點(diǎn)。間接水冷冷卻的方式目前有把水冷冷卻器集成在進(jìn)氣歧管中成一體安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋上和獨(dú)立把水冷冷卻器安裝在增壓器之后和節(jié)氣門之前的進(jìn)氣歧管管路中。其中以集成中冷進(jìn)氣歧管具有進(jìn)氣路徑短，流阻低，加速響應(yīng)快，冷卻效率高和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)作為未來(lái)新技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 ?一種應(yīng)用于1.5T三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的集成中冷塑料進(jìn)氣歧管開發(fā)

文章根據(jù)客戶對(duì)1.5升三缸增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的緊湊性和高性能的需求，開發(fā)設(shè)計(jì)集成中冷塑料進(jìn)氣歧管。

發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的需求參數(shù)為要求為在5500轉(zhuǎn)/分鐘的條件下達(dá)到最大進(jìn)氣流量500kg/h，進(jìn)氣溫度（T1）160℃，進(jìn)氣壓力為絕對(duì)壓力2.3bar，結(jié)合現(xiàn)有水泵流量20L/min，冷卻進(jìn)水溫度為（T3）35℃的條件下進(jìn)行集成中冷進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)達(dá)到經(jīng)過(guò)中冷器冷卻后的最大出氣溫度小于（T2）50℃。

進(jìn)氣歧管的參數(shù)要求為，氣道長(zhǎng)度100mm，穩(wěn)壓器體積1.5L。

根據(jù)客戶的輸入環(huán)境邊界條件和關(guān)節(jié)參數(shù)進(jìn)行集成中冷塑料進(jìn)氣歧管的開發(fā)設(shè)計(jì)。

2.1 集成中冷進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)客戶發(fā)動(dòng)機(jī)周邊輸入環(huán)境邊界的缸蓋法蘭面和節(jié)氣門體的位置如圖1，設(shè)計(jì)進(jìn)氣歧管氣道為比缸蓋面氣道單邊小0.5mm為截面，各氣道長(zhǎng)度滿足要求分別為100mm、100mm、100mm，穩(wěn)壓器體積為1.5L的方案設(shè)計(jì)如圖2。集成中冷器方案塑料進(jìn)氣歧管由02上殼體和04下殼體組成腔體并可經(jīng)過(guò)焊接成一體，腔體中有07水冷中冷器用于對(duì)高溫氣體進(jìn)行冷卻，水冷中冷器中間裝有08旁通密封圈通過(guò)06自攻螺釘安裝固定在04下殼體上，同時(shí)有03缸蓋法蘭面密封圈和05節(jié)氣門體密封圈用于對(duì)手件的安裝密封。

2.2 優(yōu)化后的CFD分析結(jié)果

CFD分析邊界參數(shù)設(shè)置條件，質(zhì)量流量500kg/h，進(jìn)氣口溫度為160℃，出口壓力為絕對(duì)壓力2.3bar，對(duì)中冷器進(jìn)行等效多孔介質(zhì)處理。

經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化后的分析計(jì)算結(jié)果見表1。

氣體流阻最大為2.84kPa，小于要求的3kPa的要求范圍內(nèi)，各缸不均勻性最大為-2.39%，滿足最大+/-5%的要求內(nèi)，各氣道對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣流量對(duì)中冷器的利用截面的大于80%，滿足溫度不均衡性設(shè)計(jì)要求。綜合CFD的分析結(jié)果，概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足目標(biāo)設(shè)計(jì)要求。

2.3 中冷器的性能計(jì)算校核

按照已知參數(shù)，氣側(cè)需要換熱的能量為：

根據(jù)熱力學(xué)公式：Q=cm ΔT（能量=比熱×質(zhì)量×溫度變化）

高溫進(jìn)氣端的每小時(shí)的總能量為：1.005×500×（160-50）=55275（kJ）

由此計(jì)算出所需要的中冷器的散熱功率為：Q1=55275/3600=15.35（kW）

考慮預(yù)留余量作為性能衰減和安全余量的條件，所以最終定義為選擇中冷器的散熱功率為16kW。

中冷器的冷卻介質(zhì)為乙二醇冷卻液（50：50），比熱容：3.084kJ/kg·°C，密度為1.067kg/L。

T3：中冷器出水溫度;T4：中冷器進(jìn)水溫度35°C;ΔT5：對(duì)數(shù)溫差;

（T3-T4）×冷卻液流量/60×冷卻液比熱容×冷卻液密度=Q1

（T3-35）×20/60×3.084×1.067=16;T3=49.6°C

ΔT5=（（T1-T3）-（T2-T1））/In（（T1-T3）/（T2-T1））

ΔT5=（（160-49.6）-（50-35））/In（（160-49.6）/（50-35））=47.7（℃）

根據(jù)進(jìn)氣溫度需要散熱功率選型16kW。

散熱帶面積校核計(jì)算如下：

散熱帶數(shù)量：m1=9;波數(shù)：n1=152;單個(gè)波長(zhǎng)度：82mm;帶寬：7mm。

散熱翅片的散熱面積為：S1=L1×L2×2×m1×n1/1000/1000=1.570（m2）

散熱管冷測(cè)散熱面積計(jì)算：

散熱管數(shù)量m2=10;散熱管周長(zhǎng)L3=170mm;散熱管長(zhǎng)度L4=82mm;

S2=m2×L3×L4/1000/1000=0.425（m2）

散熱總面積Fr=S1+S2=1.570+0.425=1.995（m2）

選擇板式高換熱性能中冷器的對(duì)流傳熱系數(shù)：K=170 W/（m2·°C）;

對(duì)數(shù)平均溫差ΔT5=47.7℃

散熱量Q2=Fr×K×ΔT5/1000=16.2（kW）

根據(jù)中冷器水側(cè)散熱量Q2=16.2kW>Q1=16kW，所選中冷器散熱面積滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 基于集成中冷進(jìn)氣歧管樣件進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將設(shè)計(jì)的產(chǎn)品制作成快速樣件，把快速安裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上并連接高溫氣體進(jìn)氣口，出氣口工裝夾具，冷卻液進(jìn)氣口，出氣口，并安裝測(cè)量傳感器如氣體溫、流量和壓力等傳感器。將測(cè)試條件如表2試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)備，分別對(duì)樣件1、樣件2、樣件3進(jìn)行測(cè)試。

在上述實(shí)驗(yàn)條件下表2可得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在冷卻液流量為20L/min和冷卻液進(jìn)口溫度35℃的條件下所得實(shí)測(cè)熱交換功率在15.5kW左右，此結(jié)果和設(shè)計(jì)目標(biāo)基本吻合，所得實(shí)測(cè)進(jìn)氣歧管冷卻后最大出氣溫度為48.63℃小于50℃的設(shè)計(jì)目標(biāo)，所以換熱性能和冷卻后的出氣溫度符合設(shè)計(jì)要求，并為中冷器實(shí)際使用中的換熱性能衰減和后期制作公差提供了安全余量。

3 ?結(jié)論

在進(jìn)行集成中冷器進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，能通過(guò)CFD進(jìn)行分析有效的進(jìn)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)最大氣流流阻2.74kPa小于3kPa、氣道氣流均勻性和氣道氣流對(duì)中冷器的利用率的要求達(dá)到換熱15.5kW的結(jié)果。對(duì)中冷器換熱性能進(jìn)行設(shè)計(jì)校核時(shí)，需要根據(jù)中冷器的實(shí)際允許空間尺寸選擇高換熱性的板式中冷器或者其它類型的中冷器，同時(shí)需要考慮中冷器的性能衰減和實(shí)際生產(chǎn)的制造公差。實(shí)現(xiàn)高溫氣體經(jīng)過(guò)集成中冷進(jìn)氣歧管進(jìn)行熱交換后的出氣溫度48.63℃小于50℃的設(shè)計(jì)目標(biāo)并滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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作者簡(jiǎn)介：李坤鋒（1982-），男，安徽界首人，工程師，本科，研究方向?yàn)檫M(jìn)氣歧管開發(fā)。