關(guān)于進(jìn)氣中冷器的開(kāi)發(fā)的分析介紹

隨著強(qiáng)調(diào)環(huán)境友好型社會(huì)的發(fā)展趨勢(shì)，發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械增壓化和小型化正在普及。介紹了高性能和高質(zhì)量的水-空進(jìn)氣中冷器的開(kāi)發(fā)。為了達(dá)到更高的冷卻性能，開(kāi)發(fā)的水-空進(jìn)氣中冷器優(yōu)化了翅片、管子和芯子矩陣，從而使其具有更高性能和更輕質(zhì)量。為了在熱應(yīng)力下具有更高的可靠性，基于瞬態(tài)分析和仿真技術(shù)確定了水-空進(jìn)氣中冷器的詳細(xì)參數(shù)。

0前言

隨著發(fā)達(dá)國(guó)家的排放法規(guī)日益嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械增壓小型化技術(shù)推向全球化。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械增壓小型化在不犧牲發(fā)動(dòng)機(jī)功率和性能的情況下可以降低排放、提高燃油經(jīng)濟(jì)性。進(jìn)氣中冷器(CAC) 是機(jī)械裝置，用來(lái)降低機(jī)械增壓后增壓空氣的溫度，提高增壓空氣的密度。

目前市面上有2 種型式的進(jìn)氣中冷器包括水-空進(jìn)氣中冷器和空-空進(jìn)氣中冷器。基于水-空進(jìn)氣中冷器的優(yōu)點(diǎn)，水-空進(jìn)氣中冷器的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。

水-空(水冷式) 進(jìn)氣中冷器的優(yōu)點(diǎn)如下: 由于進(jìn)氣管路布置時(shí)無(wú)需通過(guò)進(jìn)氣格柵，整個(gè)管路的長(zhǎng)度相對(duì)縮短，減小了進(jìn)氣系統(tǒng)中的增壓空氣的容量，降低了增壓空氣的壓力損失?；诖耍啾瓤?空進(jìn)氣中冷器，車(chē)輛的加速性和發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出性能更好。此外，水-空進(jìn)氣中冷器可以通過(guò)控制冷卻液的溫度來(lái)控制增壓空氣的溫度，這種特性消除了進(jìn)氣中冷器內(nèi)的冷凝效應(yīng)，對(duì)于低壓回路(LPL) 廢氣再循環(huán)(EGR)布置在增壓器壓氣機(jī)上游的方案更為有利。在低壓回路系統(tǒng)中，EGR 氣體在高的機(jī)械增壓負(fù)荷時(shí)也可以使用，以提高燃油經(jīng)濟(jì)性，降低排放?？梢灶A(yù)測(cè)，LPL 系統(tǒng)將會(huì)在今后得到廣泛應(yīng)用。

水-空進(jìn)氣中冷器在車(chē)輛環(huán)境下需要滿(mǎn)足以下3點(diǎn)要求: (1) 節(jié)省空間，在有限的發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間內(nèi)安裝;(2) 低壓回路系統(tǒng)適應(yīng)性，對(duì)增壓空氣側(cè)的酸性冷凝物有充足的抗腐蝕性; (3) 高的可靠性，高溫環(huán)境下有足夠的強(qiáng)度。

本文描述的鋁質(zhì)水-空進(jìn)氣中冷器可以滿(mǎn)足上述需求。同時(shí)，也描述了熱應(yīng)力分析工具的開(kāi)發(fā)。

1產(chǎn)品概念

產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)集中在以下2 點(diǎn): (1) 小型化，提高芯子區(qū)域(翅片和冷卻管) 的冷卻性能和采用箱形封閉式集成結(jié)構(gòu); (2) 增壓空氣側(cè)的抗腐蝕性，開(kāi)發(fā)1 種高抗腐蝕性材料。

水-空進(jìn)氣中冷器是通過(guò)冷卻液和增壓空氣之間的熱交換來(lái)冷卻增壓空氣的裝置。圖1示出了開(kāi)發(fā)的水-空進(jìn)氣中冷器的結(jié)構(gòu)。上部和下部水箱通過(guò)管子連接，外部翅片布置在管子和管子中間的同時(shí)，內(nèi)部翅片布置在管子內(nèi)部。冷卻液在管子中流動(dòng)用來(lái)冷卻外部翅片中通過(guò)的增壓空氣。通過(guò)優(yōu)化管子和翅片波高的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)芯子的高性能。對(duì)于冷卻管，開(kāi)發(fā)了1 種提高增壓空氣側(cè)管子高抗腐蝕性的高抗腐蝕性材料。

圖1 水-空進(jìn)氣中冷器的結(jié)構(gòu)

在2塊導(dǎo)向板覆蓋芯子中間區(qū)域，形成了增壓空氣的流通路徑。對(duì)于導(dǎo)向板，在開(kāi)口處設(shè)置卷邊壓接板用來(lái)壓接塑料蓋。這個(gè)區(qū)域包含卷邊壓接板被焊接為一體形成箱形封閉式集成結(jié)構(gòu)。由于連接方式是卷邊壓接，可以采用塑料材料，以達(dá)到減輕質(zhì)量和降低成本的目的。

1.1小且性能高的芯子

為了使芯子區(qū)域具有較高的冷卻性能，需要注意優(yōu)化增壓空氣側(cè)翅片( 促進(jìn)冷卻液側(cè)傳熱) ，以及優(yōu)化翅片和冷卻管參數(shù)。

為了使性能最大化，采用百葉窗式翅片，翅片參數(shù)基于機(jī)油/冷凝物析釋的研究確定，同時(shí)需考慮了抗堵塞性。

為了促進(jìn)傳熱，需要提高傳熱系數(shù)，或者增加散熱面積。一些散熱器在冷卻液側(cè)使用凹坑擾亂水流以提高傳熱系數(shù)。然而，這種凹坑只對(duì)部分散熱器有用(雷諾數(shù)1 000 及以上) ，這意味著其并不適用于水-空進(jìn)氣中冷器(雷諾數(shù)500 及以下) 。因此，進(jìn)氣中冷器采用直式翅片來(lái)增加散熱面積。

基于上述參數(shù)，研究了合適的外部翅片和內(nèi)部翅片高度來(lái)減小芯子的質(zhì)量/體積(性能) 比(圖2) 。對(duì)于冷卻液側(cè)的翅片，理論上高度越小，性能越高。另一方面，高度太小易造成外來(lái)物堵塞。因此，在考慮堵塞極限的同時(shí)選擇最優(yōu)的高度。

圖2 翅片高度的優(yōu)化

1.2增壓空氣側(cè)管子的抗腐蝕性

在低壓回路系統(tǒng)中，含有硫氧化物(SOx) 、氮氧化物(NOx) ，或者氯化物(氯離子) 的排放氣體通過(guò)進(jìn)氣中冷器，當(dāng)其被冷卻時(shí)將會(huì)產(chǎn)生酸性冷凝物。這些酸性冷凝物的存在，使得進(jìn)氣中冷器的管子可能被腐蝕，可運(yùn)用犧牲腐蝕保護(hù)法來(lái)避免這個(gè)問(wèn)題。另外，焊接管子和翅片時(shí)必須增加填充金屬(焊料) 。因此，開(kāi)發(fā)的進(jìn)氣中冷器用的是包含鋅的焊接材料，但是硅的含量非常低。另外，研發(fā)了1 種3層材料，同時(shí)具有焊合功能和防腐蝕功能。圖3 示出了材料的結(jié)構(gòu)和其點(diǎn)蝕傾向。

圖3 芯子材料和點(diǎn)蝕傾向

2水-空進(jìn)氣中冷器的熱應(yīng)力問(wèn)題

一般來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品的熱應(yīng)變是由于不同零部件之間的熱膨脹系數(shù)及不同的溫度所導(dǎo)致的。特別需要指出的是，熱變形傾向于發(fā)生在溫度快速變化的瞬變時(shí)期，對(duì)于水-空進(jìn)氣中冷器，高應(yīng)變可能發(fā)生在高溫增壓空氣突然進(jìn)入進(jìn)氣中冷器時(shí)，比如當(dāng)車(chē)輛急加速時(shí)。

水-空進(jìn)氣中冷器的1個(gè)優(yōu)點(diǎn)是增壓空氣流過(guò)的管路長(zhǎng)度可以減少到相對(duì)于空-空進(jìn)氣中冷器管路長(zhǎng)度的1/6。但是減少管路長(zhǎng)度也會(huì)帶來(lái)不利，也就是芯子的溫度梯度會(huì)變大，這就意味著熱應(yīng)變梯度會(huì)更大。

雖然可以從外部看到空-空進(jìn)氣中冷器芯子區(qū)域，但是對(duì)于水-空進(jìn)氣中冷器，芯子是被箱形封閉式集成結(jié)構(gòu)完全覆蓋的，這就為熱應(yīng)變的分析帶來(lái)困難。采用常規(guī)方法，如使用紅外攝像機(jī)觀察溫度分布，或者使用應(yīng)變計(jì)和熱電偶檢測(cè)零部件，對(duì)于水-空進(jìn)氣中冷器是不適用的。

因此，開(kāi)發(fā)了1 款高精度的工具用來(lái)預(yù)測(cè)溫度分布的瞬態(tài)變化和分析溫度變化帶來(lái)的熱應(yīng)變。利用這種工具，闡明了開(kāi)發(fā)的水-空進(jìn)氣中冷器的熱應(yīng)變的產(chǎn)生機(jī)理。

3熱應(yīng)力問(wèn)題分析工具的開(kāi)發(fā)

3.1熱應(yīng)變分析要點(diǎn)

圖4 示出了分析的模型和邊界條件。為了獲得準(zhǔn)確的熱應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)圖，首先利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)分析預(yù)測(cè)每個(gè)時(shí)刻的溫度分布，然后將CFD 的分析結(jié)果輸入到有限元分析法(FEM)中進(jìn)行耦合分析。更具體地說(shuō)，熱應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)圖是作為初始條件輸入的，這樣獲得的變形-時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)圖比較精確(圖5) 。

圖4 用于分析的模型和邊界條件

圖5 仿真流程

然而，為了分析產(chǎn)品的熱應(yīng)變，需要了解整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形模式，這就需要?jiǎng)澐趾芏嗟膯卧?網(wǎng)格) 和耗費(fèi)很多的時(shí)間用于計(jì)算。事實(shí)上，基于該原因，上述計(jì)算過(guò)程不能用于產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，后續(xù)討論縮短分析時(shí)間的簡(jiǎn)化方法。

3.2分析模型的簡(jiǎn)化

引起上述問(wèn)題的主要因素是由于劃分了很多的單元(網(wǎng)格) ，使熱應(yīng)變分析耗費(fèi)了大量的時(shí)間。特別對(duì)于進(jìn)氣中冷器，外部翅片的單元(網(wǎng)格) 數(shù)量約占整個(gè)單元(網(wǎng)格) 的95%。已經(jīng)在FEM分析中使用了均質(zhì)化的翅片模型(圖6) 且考慮了剛度，在保證分析精度的同時(shí)，縮短了計(jì)算時(shí)間。對(duì)于開(kāi)發(fā)的水-空進(jìn)氣中冷器，在FEM 分析時(shí)使用了這種方法。

圖6 翅片-空氣模型的均質(zhì)化

外部翅片的均質(zhì)化對(duì)減少CFD分析單元(網(wǎng)格)也是有效的，但是需要給均質(zhì)化模型附加額外的特性以再現(xiàn)瞬變時(shí)期的熱傳遞效應(yīng)。瞬態(tài)熱傳導(dǎo)的基本方程如下:式(1)中，尤其需要定義密度、比熱和熱導(dǎo)率。根據(jù)翅片和空氣的體積率，對(duì)這些特性值的進(jìn)行了定義。為了驗(yàn)證分析的精度，對(duì)比了使用附加虛擬屬性值的均質(zhì)化翅片模型的分析結(jié)果和使用全仿真的翅片模型的CFD分析結(jié)果。圖7 示出了2 種模型在增壓空氣流動(dòng)方向上的管子壁溫度分布的對(duì)比。通過(guò)對(duì)比可以確定均質(zhì)化翅片模型的分析可以再現(xiàn)溫度分布，因此可以將產(chǎn)品作為整體使用均質(zhì)化模型進(jìn)行分析。

圖7 模型對(duì)比研究

4熱應(yīng)力分析結(jié)果

圖8示出了熱應(yīng)力分析結(jié)果。最大熱應(yīng)力出現(xiàn)在冷卻液側(cè)管子和增壓空氣入口側(cè)芯板的焊接處。

圖8 熱應(yīng)力分析結(jié)果

圖9 示出了溫度/瞬變時(shí)期應(yīng)變的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比。如圖9 所示，仿真可以再現(xiàn)高溫增壓空氣的進(jìn)入引起了管子壁溫度的上升。同時(shí)，仿真也可以精確地再現(xiàn)瞬變時(shí)期的熱應(yīng)變狀態(tài)。

圖9 仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

如圖10 所示，當(dāng)高溫增壓空氣進(jìn)入進(jìn)氣中冷器，此時(shí)管子和箱體(箱形封閉式集成結(jié)構(gòu)) 的溫度都很低，冷卻管的溫度突然升高，同時(shí)，箱體因具有較大的熱容使其溫度升高緩慢。這種瞬態(tài)效應(yīng)在二者之間產(chǎn)生了較大的溫度差，冷卻管的膨脹和變形被導(dǎo)向板限制，這就使管子處于壓縮狀態(tài)。基于上述機(jī)理，開(kāi)發(fā)了1 種可以吸收冷卻管和箱體熱膨脹差異的結(jié)構(gòu)，當(dāng)車(chē)輛急加速時(shí)該結(jié)構(gòu)成功地驗(yàn)證了其產(chǎn)生的變形率可以滿(mǎn)足目標(biāo)的要求。

圖10 熱應(yīng)變機(jī)理

5結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際的仿真過(guò)程中使用整個(gè)進(jìn)氣中冷器均質(zhì)化模型的方法進(jìn)行精確的熱應(yīng)力仿真，即箱形封閉式集成結(jié)構(gòu)進(jìn)氣中冷器的熱應(yīng)力仿真。結(jié)果表明，該中冷器具有高熱應(yīng)變的可靠性。采用這種技術(shù)，具有導(dǎo)向板結(jié)構(gòu)的水-空進(jìn)氣中冷器在2014年開(kāi)始量產(chǎn)，其具有良好的性能、結(jié)構(gòu)緊湊和較具有高的抗腐蝕性。該中冷器將在未來(lái)的低壓回路EGR系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。