某自卸車中冷壓降性能改進設計

錢時俊

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230061）

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某自卸車中冷壓降性能改進設計

錢時俊

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230061）

文章針對某重型自卸車的中冷壓降過高的性能問題提出改進方案，更改中冷器的氣室結構，并增大進出氣口氣室口徑，使得冷熱氣流更加順暢，并通過單體風洞試驗和整車轉轂進排氣試驗進行驗證，從驗證結果可以看出：改進效果明顯，為后期中冷壓降過高提供改進參考方案。

中冷壓降；中冷器；散熱管；紊流片；氣室；改進

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.016

CLC NO.: U464.135+.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-43-04

背景

中冷器作為發動機附配件的重要組成部分，中冷器的性能對發動機的經濟性起到至關重要的作用，然而過高的中冷壓降會使得進入發動機中的空氣量減少，從而增加發動機的油耗，制約發動機的動力輸出，使發動機的動力性及經濟性大大降低，最終將影響整車的運營成本，降低產品的市場競爭力。目前，中冷壓降性能指標一般按行業標準 QC/T 828中的要求（如下表1）進行設定。

散熱性能和壓降要求按QC/T 828中5.1的規定進行試驗，滿足表1要求：

表1　散熱性能和壓力降要求

1、現狀

對某款重卡自卸車進行轉轂試驗，測得試驗數據如下表2所示：

表2　中冷器轉轂試驗數據

從轉轂試驗數據看出中冷器壓降為 17.9kPa，達不到QC/T 828 中規定的中冷器壓降小于12.5kPa的標準要求，從而導致發動機的進氣量不足，從而影響整車的動力性和經濟性。

2、原因分析

2.1中冷器進氣流量理論計算

增壓柴油機qve計算公式：qve=P·ge·α·A0/(1000·γa)

帶入數值計算得出qve=1293m3/h；

根據進氣流量熱風流量：G1=qve×ρa /3600

G1=1293×1.29/3600=0.463kg/s

中冷器實際所需散熱量：Q1=Ca×G1(T1-T2)，

此處T1取170℃，T2取70℃，

Q1=1.009×103×0.463×（170-70）=46717W

中冷器所必須具備的理論散熱能力：Q2＞Q1×1.2

取Q2=1.2Q1=56060W

中冷器散熱面積公式： Q2=K傳感系數×△T'×A散熱面積

A散熱面積=Q2/(K傳感系數×△T')

△T'=(△T-△T")/ln(△T/△T") 取冷側溫升△T"=30℃

A=56060/(100*58)m2=9.67m2

根據計算結果選擇如下表2所示的中冷器，該中冷器的散熱面積為11.484，理論上能滿足散熱性能要求，該款重型自卸車采用的中冷器為空對空中冷器，中冷器氣室采用上下氣室，氣室口位于上氣室，散熱管內部安裝開窗型紊流片，該中冷器的設計參數見下表2。

表2　原始中冷器設計參數表

2.2管路彎角過大

經過對進氣系統中冷前后的管路查看，中冷器管路布置符合設計指南要求，并無過大的彎角，管路不是造成中冷壓降過大的原因；

圖2　中冷管路

圖3　中冷管路

2.3中冷器進出氣口管徑太小

經過圖紙校核，中冷器進出氣口直徑與中冷器進出氣軟管、發動機進氣口、增壓器出氣口直徑相同，管徑符合發動機匹配要求，中冷器進出氣管徑小不是造成中冷器壓降過大的原因。

圖4　中冷氣室口徑

2.4氣室設計不合理

中冷器氣室結構對其整體壓降影響非常大，通過進氣室后的壓降也要占整個中冷器壓降的60%左右，該車型中冷器采用上下氣室，中冷器上下氣室中間有隔板阻擋氣流，使氣流不能迅速的通過中冷器，中冷器氣室是造成中冷壓降過大的主要原因。

圖5　上下氣室

圖6　上下氣室

2.5散熱管截面尺寸

增大散熱管的截面尺寸能使得通過截面的氣流量增多，氣流將變得更 加順暢，增大散熱管截面積是造成中冷壓降過大的。

2.6將紊流片開窗型改為錯位型

圖7　錯位型

圖8　開窗型

開窗型的紊流片能夠使散熱管中的氣流更加紊亂，而內置錯位型的紊流片能改善氣流紊亂現象，使氣流更加順暢。

3、整改措施

根據以上的原因分析給出以下改進方案：

改進措施一：將中冷器的上下氣室改為左右氣室結構，中冷器左右氣室中間無隔板阻擋氣流，氣流由于流通的路徑變短，能快速的從中冷器的一個氣室流向另一個氣室，氣流將變得更加流暢，從而將降低整個中冷器的壓降。

整改前后中冷器總成對比

圖9　整改前

圖10　整改后

對整改前后的中冷器理論分析：

利用Fluent模擬計算中冷器，涉及到中冷器中流體的流動和傳熱。涉及計算的一般步驟是：幾何建模、劃分網格、邊界設定、物理模型選擇、計算和后處理。中冷器建模后分為三部分，進氣道、出氣道、芯體；其中芯體部分做如下簡化：只做出增壓空氣通道，而冷卻介質通道挖空，冷氣熱氣之間做對流換熱；將進氣道、芯體、出氣道連為整體。我們選擇中冷器的邊界條件為：對于壓縮熱空氣，空氣進口為質量流量進口（mass-flowinlet）；空氣出口為壓力出口(pressure outlet)；中冷器材料為鋁，設置為壁面（wall）壁厚為0.6；對其做對流換熱處理，傳熱系數為100 w/.k。通過CFD分析得到的靜態壓力圖如下：

圖11　左右氣室中冷器

根據兩中冷器 CFD理論分析可知左右氣室中冷器要明顯優于上下氣室的中冷器，但影響中冷器壓降的因素較多，既與中冷器的氣室口位置、散熱管的橫截面積等有關，又與散熱管內部紊流片的形式有關，因此只憑理論計算無法準確模擬中冷器的性能結果。

圖12　上下氣室中冷器

改進措施二：將散熱管的寬度由原來的40mm改為52mm,高度不變，整個散熱管的橫截面積將增加30%，散熱管由豎直狀態改為水平狀態，氣流的路徑明顯縮短，管路造成氣流的壓力損失將減小，從而導致中冷器的壓降降低。

改進措施三：將散熱管內置開窗式紊流片改為錯位式，錯位式是在散熱管內部增加部分散熱片而并非開窗式（在整個散熱管內安裝如圖8所示的紊流片），降低了散熱管內紊流片的安裝數量，從而降低氣阻來達到降低壓降的目的。

整改后的中冷器設計參數表如下表：

表1　

4、整改后試驗驗證結果

根據上述的整改措施對中冷器進行相應的整改，將整改完成的中冷器安裝在試驗樣車上進行轉轂試驗，轉轂試驗條件如下：

試驗方法：整車中冷器壓降轉轂臺架測量系統

試驗設備：整車性能轉轂、便攜式精度輪胎氣壓計、溫度傳感器、壓力傳感器、FLUKE 2635A、多功能數據采集箱

試驗環境：氣溫：5℃～35℃范圍內；氣壓：91kPa～104kPa 范圍內；濕度：相對濕度小于 80%。

試驗樣車：a)試驗樣車至少經過 2500km 磨合，并進行了保養調整。b)試驗前，完成《車輛檢查》和《試驗前檢查》。c)試驗前，按照《車輛固定方法》固定車輛。d)試驗前，車輛以轂帶車的形式，以 80km/h行駛約 20min。e)汽車發動機性能應滿足 GB/T 18297 的試驗要求。f)汽車排氣消聲器總成應滿足 QC/T 631 的要求。

試驗測量點選擇（如下圖）：

圖13　

試驗結果表2：

從轉轂進排氣試驗結果看出樣車中冷器壓降為6.2kPa，滿足設計標準 QC/T 828 中的中冷壓降≤12.5kPa的技術要求。

表2　

5、總結

綜上所述，在當前無法加大中冷器的情況下，只能在細節上下功夫來提升中冷系統的性能。通過優化中冷器氣室來改善中冷器內部壓降，試驗結果證明，在該款車型上進行的整改措施是切實有效的。該項目中實施的方案后期可以在全部的重卡國四自卸車等車型上進行推廣，有效提升整車中冷性能。

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[2] 林建忠.流體力學.北京：清華大學出版社,2005.

[3] 肖寶蘭等.翅片參數對車用中冷器流動傳熱性的影響.浙江大學學報.2010p2164-2178.

An improved self cooling pressure drop performance in truck design

Qian Shijun
（Anhui jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601）

In this paper, a heavy-duty dump truck in the cold high pressure drop performance issues proposed improvement program, to change the cooler gas chamber structure, and increase access to an air intake chamber diameter, making hot and cold air more smoothly, wind and the monomer hole rotating hub and vehicle test experiments verified, it can be seem from the verification results; improvement effect is obvious, the pressure drop is too high for the latter to provide an improved inter-cooler reference scheme.

middle pressure drop; middle cooler; heat sink; turbulent flow sheet; air chamber; improve

錢時俊，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。

U464.135+.8

A

1671-7988 （2016）06-43-04