水-空(水冷式)進(jìn)氣中冷器的開發(fā)

【日】 M．Harada T．Yasuda S．Terachi S．Pujols J．R．Spenny

0 前言

隨著發(fā)達(dá)國家的排放法規(guī)日益嚴(yán)格，發(fā)動機(jī)機(jī)械增壓小型化技術(shù)推向全球化。發(fā)動機(jī)機(jī)械增壓小型化在不犧牲發(fā)動機(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［1］。進(jìn)氣中冷器(CAC)是機(jī)械裝置，用來降低機(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，水-空進(jìn)氣中冷器的應(yīng)用將會越來越廣泛。

水-空(水冷式)進(jìn)氣中冷器的優(yōu)點如下:由于進(jìn)氣管路布置時無需通過進(jìn)氣格柵，整個管路的長度相對縮短，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。基于此，相比空-空進(jìn)氣中冷器，車輛的加速性和發(fā)動機(jī)的輸出性能更好。此外，水-空進(jìn)氣中冷器可以通過控制冷卻液的溫度來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)荷時也可以使用，以提高燃油經(jīng)濟(jì)性，降低排放。可以預(yù)測，LPL系統(tǒng)將會在今后得到廣泛應(yīng)用。

水-空進(jìn)氣中冷器在車輛環(huán)境下需要滿足以下3點要求:(1)節(jié)省空間，在有限的發(fā)動機(jī)艙空間內(nèi)安裝;(2)低壓回路系統(tǒng)適應(yīng)性，對增壓空氣側(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)氣中冷器可以滿足上述需求。同時，也描述了熱應(yīng)力分析工具的開發(fā)。

1 產(chǎn)品概念

產(chǎn)品的開發(fā)集中在以下2點:(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，開發(fā)1種高抗腐蝕性材料。

水-空進(jìn)氣中冷器是通過冷卻液和增壓空氣之間的熱交換來冷卻增壓空氣的裝置。圖1示出了開發(fā)的水-空進(jìn)氣中冷器的結(jié)構(gòu)。上部和下部水箱通過管子連接，外部翅片布置在管子和管子中間的同時，內(nèi)部翅片布置在管子內(nèi)部。冷卻液在管子中流動用來冷卻外部翅片中通過的增壓空氣。通過優(yōu)化管子和翅片波高的設(shè)計來實現(xiàn)芯子的高性能。對于冷卻管，開發(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。

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。對于導(dǎo)向板，在開口處設(shè)置卷邊壓接板用來壓接塑料蓋。這個區(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)。

圖1 水-空進(jìn)氣中冷器的結(jié)構(gòu)

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)部翅片高度來減小芯子的質(zhì)量/體積(性能)比(圖2)。對于冷卻液側(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物堵塞。因此，在考慮堵塞極限的同時選擇最優(yōu)的高度。

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)的排放氣體通過進(jìn)氣中冷器，當(dāng)其被冷卻時將會產(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，可運用犧牲腐蝕保護(hù)法來避免這個問題。另外，焊接管子和翅片時必須增加填充金屬(焊料)。因此，開發(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)和其點蝕傾向。

圖2 翅片高度的優(yōu)化

圖3 芯子材料和點蝕傾向

2 水-空進(jìn)氣中冷器的熱應(yīng)力問題

一般來說，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期，對于水-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，比如當(dāng)車輛急加速時。

水-空進(jìn)氣中冷器的1個優(yōu)點是增壓空氣流過的管路長度可以減少到相對于空-空進(jìn)氣中冷器管路長度的1/6。但是減少管路長度也會帶來不利，也就是芯子的溫度梯度會變大，這就意味著熱應(yīng)變梯度會更大。

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)變計和熱電偶檢測零部件，對于水-空進(jìn)氣中冷器是不適用的。

因此，開發(fā)了1款高精度的工具用來預(yù)測溫度分布的瞬態(tài)變化和分析溫度變化帶來的熱應(yīng)變。利用這種工具，闡明了開發(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)力問題分析工具的開發(fā)

3．1 熱應(yīng)變分析要點

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-時間關(guān)系曲線圖，首先利用計算流體動力學(xué)(CFD)分析預(yù)測每個時刻的溫度分布，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，熱應(yīng)變-時間關(guān)系曲線圖是作為初始條件輸入的，這樣獲得的變形-時間關(guān)系曲線圖比較精確(圖5)。

圖4 用于分析的模型和邊界條件

然而，為了分析產(chǎn)品的熱應(yīng)變，需要了解整個結(jié)構(gòu)的變形模式，這就需要劃分很多的單元(網(wǎng)格)和耗費很多的時間用于計算。事實上，基于該原因，上述計算過程不能用于產(chǎn)品的開發(fā)。為了解決這個問題，后續(xù)討論縮短分析時間的簡化方法。

3．2 分析模型的簡化

引起上述問題的主要因素是由于劃分了很多的單元(網(wǎng)格)，使熱應(yīng)變分析耗費了大量的時間。特別對于進(jìn)氣中冷器，外部翅片的單元(網(wǎng)格)數(shù)量約占整個單元(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，縮短了計算時間。對于開發(fā)的水-空進(jìn)氣中冷器，在FEM分析時使用了這種方法。

圖5 仿真流程

圖6 翅片-空氣模型的均質(zhì)化

外部翅片的均質(zhì)化對減少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，對這些特性值的進(jìn)行了定義。

為了驗證分析的精度，對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方向上的管子壁溫度分布的對比。通過對比可以確定均質(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。

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7 模型對比研究

圖8 熱應(yīng)力分析結(jié)果

圖9示出了溫度/瞬變時期應(yīng)變的試驗測量結(jié)果和仿真結(jié)果對比。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，仿真也可以精確地再現(xiàn)瞬變時期的熱應(yīng)變狀態(tài)。

如圖4所示，當(dāng)高溫增壓空氣進(jìn)入進(jìn)氣中冷器，此時管子和箱體(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，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)車輛急加速時該結(jié)構(gòu)成功地驗證了其產(chǎn)生的變形率可以滿足目標(biāo)的要求。

5 結(jié)語

在實際的仿真過程中使用整個進(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。該中冷器將在未來的低壓回路EGR系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。

圖9 仿真結(jié)果和試驗結(jié)果的對比

圖10 熱應(yīng)變機(jī)理