車用增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)水冷中冷器CFD 分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

蘆俊潔 王芳君 劉昭輝 陳柄林

（寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

為了減小汽車尾氣排放對(duì)環(huán)境的污染，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)得到各汽車發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家的關(guān)注和研究。渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)具有功率高、節(jié)能、排放低等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于車用發(fā)動(dòng)機(jī)，在混合動(dòng)力系統(tǒng)中也有廣泛應(yīng)用。但渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在增加進(jìn)氣壓力的同時(shí)，會(huì)使氣體產(chǎn)生膨脹，提高了進(jìn)氣溫度，從而降低了進(jìn)氣密度，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率，造成發(fā)動(dòng)機(jī)爆震，進(jìn)而使渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率降低。為此，需要在進(jìn)氣系統(tǒng)中加裝氣體冷卻裝置來降低進(jìn)氣溫度，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)高效的同時(shí)達(dá)到降低污染物排放的目的[1]。

1 帶水冷中冷器的車用增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)

1.1 中冷器

車用增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中常用的冷卻方式分直接冷卻和間接冷卻。

1）直接冷卻是指冷卻氣體直接和高溫氣體進(jìn)行換熱。目前應(yīng)用的技術(shù)是將增壓器后的高溫氣體引到汽車前端的散熱器，進(jìn)行風(fēng)冷散熱，冷卻后的氣體再由一個(gè)增壓管引流到節(jié)氣門體。該技術(shù)成熟且應(yīng)用廣泛，但存在進(jìn)氣路徑長(zhǎng)、氣體流動(dòng)阻力大、加速響應(yīng)滯后等缺點(diǎn)[2]。

2）間接冷卻是指冷卻水和高溫氣體進(jìn)行熱交換。目前應(yīng)用的技術(shù)是將增壓器后的高溫氣體引入水冷中冷器中進(jìn)行冷卻再進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)。相較于直接冷卻，采用水冷中冷器的間接冷卻具有冷卻效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝布置靈活等優(yōu)點(diǎn)。采用水冷中冷器后，由于連接管路短，有利于減小進(jìn)氣壓力損失、減小管路和腔室容積，改善渦輪遲滯狀況，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，并滿足較小的機(jī)艙空間布置需求。

為了實(shí)現(xiàn)較高的冷卻效率，水冷中冷器需要增加一個(gè)與發(fā)動(dòng)機(jī)本體冷卻系統(tǒng)相獨(dú)立的低溫循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。近年來，隨著電子水泵的推廣應(yīng)用，整車低溫循環(huán)水冷卻系統(tǒng)布置更加簡(jiǎn)便，水冷中冷器在渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用日趨廣泛[3]。

本文討論了一種為車用增壓發(fā)動(dòng)機(jī)提供的帶獨(dú)立式水冷中冷器的新型集成式進(jìn)氣系統(tǒng)，可通用在3缸增壓發(fā)動(dòng)機(jī)和4 缸增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上。

1.2 水冷中冷器結(jié)構(gòu)

水冷中冷器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 水冷中冷器結(jié)構(gòu)

1.3 帶水冷中冷器的車用增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)

該進(jìn)氣系統(tǒng)的布置形式如圖2 所示。

圖2 帶水冷中冷器的車用增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)布置形式

水冷中冷器能夠有效降低增壓器后的進(jìn)氣溫度，減少進(jìn)氣系統(tǒng)的壓力損失，其布置形式適應(yīng)節(jié)氣門位置，可緩解機(jī)艙空間不足的壓力。同時(shí)，通用性較高，可應(yīng)用在不同排量的發(fā)動(dòng)機(jī)上。

在這種布置形式下，進(jìn)氣方向和散熱銅管軸向之間的夾角接近90°，如圖3 所示。

圖3 水冷中冷器進(jìn)氣示意圖

高溫空氣由進(jìn)氣室入口進(jìn)入水冷中冷器后，沿進(jìn)氣室內(nèi)腔分散進(jìn)入各散熱銅管，在氣流慣性的作用下，易造成各散熱銅管內(nèi)的高溫氣體分布均勻性偏差較大，一部分散熱銅管內(nèi)高溫氣體流量大、熱負(fù)荷高，高溫氣體不能得到有效冷卻，出氣溫度高且不均勻，嚴(yán)重時(shí)易造成散熱銅管局部過熱，產(chǎn)生沸騰和氣蝕風(fēng)險(xiǎn)。

為此，本文提出了一種評(píng)估水冷中冷器中高溫氣體分布均勻性的評(píng)價(jià)方法以及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。并在原來模型的基礎(chǔ)上，提出了一種可提高高溫氣體分布均勻性的較為通用的優(yōu)化方案。

2 CFD 仿真分析

采用Starccm+三維仿真軟件對(duì)水冷中冷器高溫氣體分布均勻性進(jìn)行CFD 仿真分析。圖4 為3 缸發(fā)動(dòng)機(jī)水冷中冷器仿真模型示意圖。

圖4 3 缸發(fā)動(dòng)機(jī)水冷中冷器仿真模型

2.1 網(wǎng)格模型

使用Starccm+軟件將模型設(shè)置為多面體網(wǎng)格，并設(shè)置3 層厚度為3 mm 的邊界層。模型中，包括進(jìn)氣室、散熱管、出氣室在內(nèi)，總的網(wǎng)格數(shù)約為70 萬個(gè)。

2.2 數(shù)學(xué)模型

仿真分析中采用的數(shù)學(xué)模型為連續(xù)性方程、能量守恒方程、k-ε 湍流模型等。

2.3 邊界設(shè)置

仿真工況為發(fā)動(dòng)機(jī)的額定工況（額定功率下的工況），邊界由發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)得。

1）入口邊界：質(zhì)量流量為399.6 kg/h，溫度為169.74 ℃。

2）出口邊界：壓力為166 kPa，溫度為44.46 ℃。

3）散熱管流動(dòng)阻力系數(shù)：圖1 所示的水冷中冷器結(jié)構(gòu)中，散熱銅管為Z 型翅片結(jié)構(gòu)，可增加散熱效果。但模型中包含該翅片會(huì)增加網(wǎng)格數(shù)量，從而會(huì)增加計(jì)算量。為了提高仿真效率，對(duì)該換熱區(qū)域進(jìn)行簡(jiǎn)化，仿真模型不包含翅片，而是將散熱器直接設(shè)置為Porous Region（多孔區(qū)）。根據(jù)供應(yīng)商提供的流量壓力損失曲線，計(jì)算出散熱管的慣性阻力系數(shù)和粘性阻力系數(shù)。計(jì)算公式如下：

式中：p 為壓力，Pa；x 為長(zhǎng)度，m；ω 為速度，m/s；α·μ為粘性阻力系數(shù)，kg/m4；ζ·ρ/2 為慣性阻力系數(shù)，kg/（m3·s）。

通過公式（1）計(jì)算出散熱管的慣性阻力系數(shù)為1 713.539 kg/（m3·s），粘性阻力系數(shù)為11.077 kg/m4。

4）散熱管換熱量：圖1 所示的水冷中冷器結(jié)構(gòu)中，由于是通過冷卻水對(duì)散熱銅管內(nèi)的高溫氣體進(jìn)行冷卻，因此需將銅管區(qū)域設(shè)置成熱交換器，根據(jù)以下公式[4]估算出銅管的換熱量，加載到銅管區(qū)域內(nèi)。

式中：Q 為換熱量，W；m 為氣體質(zhì)量流量，kg/s；Cp為氣體的比熱容，J/（kg·K）；ΔT 為水冷中冷器進(jìn)氣口和出口溫度差，K。

通過公式（2）計(jì)算出換熱量為14 180.0 W。

2.4 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

采用氣體分布均勻性偏差Da作為評(píng)價(jià)水冷中冷器散熱銅管內(nèi)氣體分布均勻性的標(biāo)準(zhǔn)。通過CFD仿真統(tǒng)計(jì)出每個(gè)銅管內(nèi)的質(zhì)量流量mi，算出所有銅管中的平均質(zhì)量流量ma和總質(zhì)量流量mt，進(jìn)而根據(jù)下面的公式計(jì)算散熱銅管內(nèi)的氣體分布均勻性偏差Da。

式中：mi為各個(gè)散熱銅管內(nèi)的質(zhì)量流量（i=1，2，…，13），kg/s；ma為所有散熱銅管內(nèi)的平均質(zhì)量流量，kg/s；mt為總質(zhì)量流量，kg/s。

水冷中冷器氣體分布均勻性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：-10%≤Da≤10%。

只有當(dāng)水冷中冷器的Da在±10%以內(nèi)，才能保證水冷中冷器中散熱銅管內(nèi)氣體分布較為均勻。

2.5 仿真結(jié)果

經(jīng)過仿真分析得出，圖1 所示的水冷中冷器結(jié)構(gòu)中，氣體分布均勻性偏差Da的最大值達(dá)到了23%，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

為了解決該問題，在進(jìn)氣室設(shè)置導(dǎo)流板。根據(jù)水冷中冷器進(jìn)氣口布置和進(jìn)氣室的形狀，結(jié)合導(dǎo)流板形狀、尺寸和空間布置，優(yōu)化散熱銅管內(nèi)的流場(chǎng)分布，保證高溫氣體在換熱芯體各冷卻通道間流量均勻分配，提高散熱性能和換熱效率，防止因高溫氣流分布不均導(dǎo)致的出氣溫度不均勻、出氣溫度局部過高、散熱管道局部過熱及氣蝕穿孔等問題。

2.6 3 種優(yōu)化方案

在進(jìn)氣室的不同位置加裝導(dǎo)流板，設(shè)計(jì)成3 種導(dǎo)流板布置方案。圖5、圖6 和圖7 分別為方案1、方案2 和方案3，其Da值分別為6.77%、4.7%和4.85%，都滿足±10%的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 方案1 模型

圖6 方案2 模型

圖7 方案3 模型

在設(shè)計(jì)進(jìn)氣系統(tǒng)時(shí)，要盡量降低壓氣機(jī)后的壓力損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率。在保持相同進(jìn)氣壓力的前提下，充氣效率越大，進(jìn)氣量會(huì)越大，可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩越大。同時(shí)，進(jìn)氣系統(tǒng)壓力損失小，可以減輕增壓器的負(fù)擔(dān)。

圖8、圖9 和圖10 分別為方案1、方案2 和方案3 的壓力分布圖。

圖8 方案1 的壓力分布圖

圖9 方案2 的壓力分布圖

圖10 方案3 的壓力分布圖

從圖8、圖9 和圖10 可以看出，方案3 中，散熱銅管和進(jìn)氣室的壓力損失均小于方案1 和方案2。

綜合考慮其Da值和壓力損失，最終選用方案3。

上述3 缸發(fā)動(dòng)機(jī)上加裝方案3 的導(dǎo)流板可以通用到4 缸發(fā)動(dòng)機(jī)上，如圖11 所示。在不加裝導(dǎo)流板的前提下，Da值為20%，加裝方案3 的導(dǎo)流板后，Da值降低到了5.06%。

圖11 4 缸發(fā)動(dòng)機(jī)的水冷中冷器仿真模型

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)加裝了方案3 的導(dǎo)流板的水冷中冷器進(jìn)行一系列的單體試驗(yàn)，包括水冷中冷器的傳熱試驗(yàn)、密封性試驗(yàn)、密封試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、氣體壓力脈沖試驗(yàn)、冷卻水壓力脈沖試驗(yàn)、冷卻水熱循環(huán)試驗(yàn)、靜壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及清潔度、外部腐蝕、落錘試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果都為合格。

在水冷中冷器單體試驗(yàn)的傳熱試驗(yàn)中，使用了兩個(gè)樣件，每個(gè)樣件分別重復(fù)做了8 組試驗(yàn)。試驗(yàn)條件和試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分別見表1 和表2。

表1 試驗(yàn)條件

表2 試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

兩個(gè)樣件的試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 樣件試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)照表2 的試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知，兩個(gè)樣件均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。可知，散熱器加裝方案3 的導(dǎo)流板，可以滿足散熱器的換熱標(biāo)準(zhǔn)以及高溫氣體壓降標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

1）水冷中冷器中氣體分布均勻性偏差Da的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：-10%≤Da≤10%。通過CFD 仿真分析，統(tǒng)計(jì)出各個(gè)冷卻管內(nèi)氣體的質(zhì)量流量，可計(jì)算出Da。Da必須在±10%以內(nèi)，才能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）在不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，可以在水冷中冷器的進(jìn)氣室內(nèi)加裝導(dǎo)流板，從而提高進(jìn)氣均勻性。

3）本文利用CFD 仿真軟件對(duì)某車用增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)水冷中冷器進(jìn)行了分析，通過在中冷器的進(jìn)氣室內(nèi)加裝方案3 的導(dǎo)流板，對(duì)水冷中冷器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的水冷中冷器，其散熱器內(nèi)的氣體分布均勻性偏差從23%降低到了4.85%，提高了散熱器的散熱性能。

4）對(duì)加裝了方案3 的導(dǎo)流板的水冷中冷器進(jìn)行了單體傳熱試驗(yàn)，結(jié)果表明，散熱器加裝方案3 的導(dǎo)流板，可以滿足散熱器的換熱標(biāo)準(zhǔn)以及高溫氣體壓降標(biāo)準(zhǔn)。