柴油机可调式簧片中冷器设计及研究

2019-12-11赵永胜安泽婷孙家峰赵文舒

山东理工大学学报（自然科学版） 2019年1期

赵永胜，安泽婷，孙家峰，赵文舒

(1.大连交通大学交通运输与工程学院，辽宁大连 116028；2.多伦多大学机械与工业工程学院，加拿大安大略多伦多 M5S2E8)

汽车作为最重要的交通工具之一，其变化与进步日新月异。随着人类活动范围的增大，现代车用柴油机通常会遇到各种复杂的工况，诸如高原上气压低、缺氧等恶劣环境，导致柴油机功率下降，性能恶化甚至寿命降低。在解决这些问题的过程中，柴油机增压技术应运而生。但增压的同时，也使系统内部空气温度提升，热负荷上升，进气量减少，进而降低了发动机的功率[1]。而中冷器的出现很好地解决了这一系列问题，对于增压发动机来说，无论是机械增压还是涡轮增压，都需要在增压器与进气歧管之间安装中冷器[2]。

现有的柴油机中冷器已经很成熟，而且早已投入批量化生产。但已有产品大多采用普通中冷器，而普通中冷器在柴油机低速时容易出现过冷，使通入气缸内的空气温度过低，增加了预热时间，降低了发动机的热效率，因而本文提出可调中冷器的设想并对可调式簧片中冷器进行设计分析。

1 研究方法及内容

1.1 研究方法

本文在现有柴油机和中冷器基础上，利用二、三维模型建立方法[3]及有限元分析、优化设计、机械可靠性设计分析、计算机辅助设计等方法，完成可调式簧片中冷器的设计、建模、网格划分、边界定义以及流场分析。

1.2 研究内容

本文根据中冷器公司提供的相关数据(部分零部件的结构、尺寸以及安装位置)，在参考现有中冷器样机的基础上设计可调式簧片中冷器。即在中冷器上气室铆接弹性簧片，实现柴油机高低速情况下，中冷器进气量可调，从而得到不同的降温效果，解决柴油机低速过冷的问题。利用AutoCAD2007读取二维图纸并设计簧片结构及其与现有中冷器的连接，再通过三维建模软件SolidWorks2016建立实体模型(包括低工况无簧片式和低工况有簧片式两种模型)，然后导入有限元网格划分软件Hypermesh进行有限元网格模型的建立，定义边界并用流场分析软件Fluent模拟简化上述两种中冷器内部流场，通过对比两者的温度、压力、速度云图，对其进行流场分析，证明设计的合理性。

2 二、三维建模以及模型处理

2.1 可调式簧片中冷器二维模型的建立

首先，利用AutoCAD2007查看中冷器公司提供的部分中冷器零件二维尺寸参数和整体外形图，对所需要设计造型的中冷器进行整体建模规划。初步拟定簧片式中冷器设计方案，即在中冷器上气室安装簧片，如图1所示。当发动机处于低工况运转时，簧片处于自然垂落状态，高温空气只会与部分中冷器面积接触；随着发动机转速的提高，进气量增大，簧片会被气体压力推开，增大了冷却面积，因而实现更大的降温效果。

图1 可调式簧片中冷器局部二维模型Fig.1 Local two dimensional model of tunable reed intercooler

2.2 可调式簧片中冷器三维模型的建立

利用Solidworks2016建立三维模型。由于中冷器内部结构较为复杂且重复，因此建模时可以采用各个击破的方法，即首先建立主要零部件的三维模型，如图2—图4所示，然后利用零件装配的方法获得中冷器装配体。其中，簧片如图5所示，为一弧形弹性金属片，在其上半段有4个分布均匀的加工孔，用以穿过铆钉将其铆接于上气室，起到中冷器可调作用。因为其反复伸张的工作性质，在循环应力作用下容易产生疲劳破坏，故而簧片材料选用铍青铜或者65Mn弹簧钢，使其有足够的使用寿命。装配体完成后，可以利用Solidworks2016的连接重组功能将各零件连接，为后续仿真计算做准备。本设计主要对低工况无簧片和低工况有簧片的中冷器模型展开研究，三维实体分别如图6、图7所示。

图2 芯体管实体Fig.2 Core tube entity 图3 上气室实体Fig.3 Gas chamber entity

图4 波浪翅片实体Fig.4 Wavy finned entity图5 簧片设计实体Fig.5 Reed design entity

3 有限元分析及流场仿真分析

将空气流场经过的实体(三维建模已经获得)导入Hypermesh中准备进行有限元网格模型建立，启用Hypermesh中3D网格划分功能，选中实体进行网格划分。检查网格质量后进行边界面定义，定义流体进出口。然后导入流场分析软件Fluent，检查网格质量后进行流场分析[4]。

图6 低工况无簧片实体Fig.6 Entity without reed in low working condition图7 低工况有簧片实体Fig.7 Reed entity in lowworking condition

3.1 中冷器性能的计算

实际工作中，中冷器降温过程有热空气在扁管芯体构成的通道中流动，冷空气在管间的空间中垂直流过管道外侧。为了强化换热，管道外侧加装波浪翅片，形成诸多三角形的小孔通道，管道和翅片均为铝制。此中冷器换热方式是两部分流体不混合，通过管道和翅片进行热交换，下面为中冷器性能计算的基本方程[5-7]：

(1)基本传热方程

φ=AkΔtm

(1)

式中： Δtm=ψ(Δtm)ctf，ψ是小于1的修正系数，可查表获得；(Δtm)ctf是把给定的冷热流体进出口温度布置成逆流时的对数平均温差。

传热系数的确定(选择内表面为依据)：

(2)

式中Ai、A0是管子内、外换热面积。

(2)压力损失计算

(3)

式中，f是阻力系数，其计算公式为

f=(1.82lgRe-1.64)-2

(4)

(3)肋效率计算

(5)

3.2 三维模型有限元网格的划分

将流场实体三维模型导入Hypermesh中进行实体网格划分并定义流体流入流出边界面[6]，如图8、图9所示。

图8 低工况无簧片网格划分Fig.8Grid partition of non reed intercooler in low working condition图9低工况有簧片网格划分 Fig.9Grid partition of reed intercooler in low working condition

3.3 有限元模型的流场分析

打开Fluent,进行3D运行，将已经定义过的边界面网格文件读入Fluent中；检查并优化网格质量，设置初始稳态求解器，启动能量方程，流体选择空气，湍流模型选择k-epsilon；定义边界条件：设置中冷器入口温度为423K,入口速度为110m/s,入口压力为280kPa,管和外界的温度均为300K[8]。

进行初始化设置，开启监视功能，初步迭代上限设为1000次，开始运算，在分别迭代了195次和102次之后，各自收敛，结果如图10、图11所示。

图10 低工况无簧片迭代结果Fig.10Iterative results of non reed intercooler in low working condition

为直观显示两者对比结果,进行了压力、速度和温度云图绘制[8]，结果如图12—图17所示。两者压力、速度和温度云图变化的数据对比见表1。

图11 低工况有簧片迭代结果Fig.11 Iterative results of reed intercooler in low working condition

4 结论

可调式簧片中冷器在簧片的调节下可以控制柴油机高低速工况的进气量，观察低工况中冷器压力、速度、温度云图可以看出：

(1)在低工况时，相对无簧片普通中冷器而言，有簧片中冷器的压力损失得到部分改善，损失减少约900Pa。

(2)有簧片中冷器出口速度比无簧片式多约5m/s，平均速度也比普通无簧片式中冷器高，这样有利于减小摩擦，保证气流在中冷器内部的顺畅流动[9]。

图12 低工况无簧片压力云图 Fig.12 Pressure cloud map of non reed intercooler in low working condition图13 低工况有簧片压力云图Fig.13 Pressure cloud map of reed intercooler in low working condition图14 低工况无簧片速度云图Fig.14 Velocity cloud map of non reed intercooler in low working condition

图15 低工况有簧片速度云图Fig.15 Velocity cloud map of reed intercooler in low working condition图16 低工况无簧片温度云图Fig.16 Temperature cloud map of non reedintercooler in low working condition图17 低工况有簧片温度云图Fig.17 Temperature cloud map of reed intercooler in low working condition

表1两种中冷器压力、速度、温度变化数据对比Tab.1Comparisonofpressure,velocityandtemperaturedataoftwokindsofintercoolers