熱交換在某中冷器輕量化設計中的應用

徐斌，張愛東

（安徽江淮汽車股份有限公司國際公司，安徽 合肥 230601）

熱交換在某中冷器輕量化設計中的應用

徐斌，張愛東

（安徽江淮汽車股份有限公司國際公司，安徽 合肥 230601）

隨著近年來能源危機的不斷升溫，汽車輕量化的設計得到廣大汽車廠商的青瞇。本文結合熱交換原理對江淮某款輕卡中冷器進行了輕量化設計，取得了一定的效果，可以應用于其它同類車型的設計和參考。

中冷器；熱交換；輕量化

CLC NO.:U462Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)07-50-04

前言

隨著近年來能源危機的不斷升溫，汽車輕量化的設計日益得到廣大汽車廠商的青瞇。有關研究表明，汽車質量降低10%，燃油效率可提高6-8%，汽車整備質量每降低100kg，每百公里油耗可減少0.3～0.6L，可見輕量化對汽車節能魅力無窮。汽車輕量化設計實際上是功能改進，質量降低，結構優化和成本控制多方面的結合。本文對江淮某款輕卡的中冷器輕量化設計進行研究。

1、輕量化設計要點

中冷器是增壓系列發動機最重要的冷卻器，主要功能如下：

（1）增加比功率，提高發動機馬力，減少發動機燃油消耗。冷卻增壓后被提高的進氣溫度，增高單位體積的氧氣含量，提高空燃比，使燃料燃燒更充分，從而達到提高發動機功率的目的。據大量資料，在給定的壓力下，增壓空氣溫度每下降10℃，發動機功率約提高3%～5%；或者在相同的功率下，燃料消耗減少1.5%,，可使最高燃燒溫度和整個循環的平均溫度下降3℃；

（2） 降低發動機熱負荷和機械負荷，提高發動機壽命。根據計算，壓縮空氣每降低1℃，最高燃燒溫度和排氣溫度可降低可降低2-3℃；在相同的平均有效壓力下，中冷降低了進氣溫度55～105℃，可以有效緩解發動機熱負荷。因此中增壓度以上的發動機，中冷是必不可少的。在保持大致相同空氣密度的條件下，可使氣缸壓力下降，緩解機械負荷。

（3）有效地降低廢氣污染物的排放量和噪聲，采用增壓中冷技術可使排放達到歐ⅠⅠ、歐ⅠⅠⅠ標準。經國外文獻介紹，進氣溫度從60℃降低到30℃，標定工況燃油耗率下降1%，NOX排放下降24%，煙度基本不變；最大扭矩工況下，燃油耗率下降3%，NOX排放下降6%，煙度下降13%。

（4）提高對海撥高度的適應性。在高海撥地區，采用中冷可使用更高壓比的壓氣機，使發動機功率得到更大提高，提高汽車的適應性。

綜上可見，增壓中冷后發動機進氣要求壓力越高、溫度越低，對改善發動機燃燒工況、提高燃油經濟性，降低排放越有利。

因此本次中冷器輕量化設計要點為盡量減小中冷壓力降的損失和進氣溫升的提高，否則也就失去了該有的意義。

2、輕量化設計過程

2.1 中冷器主參數

該車原選用JAC某型號中冷器，該中冷器為管帶式結構，為保證安裝尺寸不變，本次輕量化設計其寬度保持不變,主要措施是利用熱交換原理計算，合理的降低中冷器散熱帶和冷卻管的根數,從而縮減零部件的高度。

該中冷器所使用的標準散熱帶、冷卻管和紊流片尺寸如下：

從圖2到圖4及實測中冷器外廓，匯總該中冷器的主要參數，如表1。

表1 某中冷器主要參數表

2.2 冷側散熱面積計算

假設經過優化設計的中冷器冷卻管減為a根，散熱帶為（a+1）根。

冷側散熱面積S冷等于冷卻管散熱面積和散熱帶散熱面積之和：

2.3 內部熱空氣流速Vr計算

在不考慮管路形狀導致壓力損失的前提下，渦輪增壓前、后的空氣應遵守壓力P、體積V、絕對溫度T三者之間PV/T守恒法則：

其中：P1——標準大氣壓力(kPa)：101.3kPa；

V1——發動機所需最大空氣流量（m3/h）：經驗公式計算321.3 m3/h；

T1——最高許用環境溫度：40℃；

P2——熱平衡點時中冷進氣大氣壓力(kPa)：試驗實測 170.6kPa；

V2——熱平衡點時中冷進氣體積流量（m3/h）；T2——熱平衡點時中冷進氣溫度：試驗實測109.27℃，本次計算取110℃；

熱側通道的有效面積S熱等于冷卻管的內腔橫截面積與紊流片的橫截面積之差：

其中a的取值范圍預估為8～16，代入公式(2)～公式

(4)，得出Vr的范圍為14.1 m/s～28.2m/s，該值位于一個合理的范圍，流速過高會導致熱交換時間縮短，熱傳導效率下降。

2.4 冷、熱風流量

根據質量守恒定律，空氣在經過增壓和中冷的過程中，其質量保持不變。

其中 ρ——25℃常溫下大氣密度(kg/m3):1.29 kg/m3

冷風通風面積 S通=散熱帶波高×芯寬-散熱帶料厚所占的面積

根據熱平衡點時實車測試，中冷器前側冷風風速Vc約為10m/s，則冷風流量為：

2.5 熱交換計算模型的建立

JAC某輕卡中冷模塊工作的熱交換模型如圖5所示。

根據能量守恒定律，外部空氣的吸熱量=內部空氣的散熱量

外部空氣的吸熱量：

內部熱空氣的散熱量：

其中，tw1——中冷進氣口溫度，℃：試驗實測110℃；

ta1——中冷器前的迎風溫度，℃；

tw0——中冷出氣口溫度，℃；

ta0——中冷器后的周圍氣溫，℃；

Ga——冷卻空氣流量，kg/s；

Gw——內部熱空氣流量，kg/s；

Cpa——冷卻空氣比熱，W?h/kg?℃，一般取1.005kJ/kg℃；

Cpw——內部熱空氣比熱，W?h/kg?℃，一般取1.009KJ/kg℃。

本車設計最高許用環境溫度為40℃,而中冷器前迎風溫度按照JAC多款同類卡車試驗測量，一般比環境溫度略高1℃～4℃,本次計算假設迎風溫升為3℃,即中冷器迎風溫度為43℃。

中冷器出口溫度，按照JAC設計要求，輸入發動機的進氣溫度相對環境溫度溫升應小于25℃，及tw0≤65℃。

2.6 中冷器的對數平均溫壓

△tmax/△tmin比值按照經驗設計要求應大于2，才能判斷熱交換過程具有較高的效率，a的取值范圍為8～16，代入公式(5)～公式(12)得出△tmax/△tmin的取值范圍為2.38～2.71之間，滿足設計要求。

2.7 中冷器冷卻管根數確定

按中冷器散熱能力計算內部空氣的散熱量：

其中，K——中冷器散熱系數（熱通過率），W/m2?℃；

根據配套廠家其它同類型中冷器的實驗數據（見圖6）來看，冷風風速Vc約為10m/s時，K值的取值約為100 W/m2?℃。

代入公式(1)、公式(13)、公式(14)，并將a的取值范圍設為8～16，得出表2：

表2 冷卻管根數與中冷器散熱量對照表

發動機實際所需散熱能力：

代入數據得出發動機實際所需散熱量約為5.23kW，一般我們取設計安全系數為1.1，即設計散熱能力必須大于

5.75kW。

對照表2，我們得出：散熱管根數選擇10根，即可滿足該車設計要求，并將該狀況下散熱量代入公式(10)，得出理論中冷出氣口溫度tw0為59.52℃，即進氣溫升為19.52℃。

3、輕量化設計結果判定

為驗證本次輕量化設計的效果，將新設計的中冷器安裝到目標整車上，并進行熱平衡試驗，由于整車開發周期限制，本次試驗未能模擬40℃最高許用環境溫度，但對于利用進氣溫升考察設計效果也具有一定的參考意義，具體試驗數據記錄如表3。

表3 實際熱平衡試驗數據

備注：考慮試驗初期，實際整車可能未真正進入平衡狀態，表3統計僅截取了熱平衡試驗過程后半段的30個數據記錄進行統計。

對比理論設計參數與試驗結果得到圖7。

從圖7可以看出本次輕量化設計的目標與試驗結果基本吻合，在試驗和零部件性能的正常誤差范圍以內。

同步并進行了新老中冷器的中冷壓力降、老款中冷器進氣溫升的測量，以及中冷器成本、重量方面的調查，匯總于表4。

表4 輕量化設計結果匯總

輕量化設計結果判定：目標達成！

4、結束語

本文將熱交換學原理充分運用到中冷器的輕量化設計過程中，取得了一定的效果。從設計值與試驗值對比來看，兩者基本吻合，說明了文中闡述的輕量化設計方法是比較準確的，可應用于同類其它車型的設計或參考。

[1] 史美中.熱交換器原理與設計.東南大學出版社，2009.6.

[2] JAC.輕型卡車進氣系設計指南.江淮汽車技術中心，2010.3.

[3] JAC.商用車中冷器設計基準書.江淮汽車技術中心，2011.6.

The application of hot swapping in the design about lightweight of a intercooler

Xu Bin, Zhang Aidong
(The international company of Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd., Anhui Hefei 230601)

In the incessant calefactive of the energy sources conjuncture, the design about lightweight of automobile gained the recognition by mostly carmakers. This article integrate the hot swapping theory to make the lightweight design of a intercooler which used in a certain JAC truck,and gained a definite harvest,can be used for the design and reference of other congeneric vehicle.

intercooler；hot swapping；lightweight

U462

A

1671-7988(2014)07-50-04

徐斌，就職于安徽江淮汽車股份有限公司國際公司。