水-空(水冷式)進氣中冷器的開發

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

0 前言

隨著發達國家的排放法規日益嚴格，發動機機械增壓小型化技術推向全球化。發動機機械增壓小型化在不犧牲發動機功率和性能的情況下可以降低排放、提高燃油經濟性［1］。進氣中冷器(CAC)是機械裝置，用來降低機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種型式的進氣中冷器包括水-空進氣中冷器和空-空進氣中冷器。基于水-空進氣中冷器的優點，水-空進氣中冷器的應用將會越來越廣泛。

水-空(水冷式)進氣中冷器的優點如下:由于進氣管路布置時無需通過進氣格柵，整個管路的長度相對縮短，減小了進氣系統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-空進氣中冷器，車輛的加速性和發動機的輸出性能更好。此外，水-空進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，這種特性消除了進氣中冷器內的冷凝效應，對于低壓回路(LPL)廢氣再循環(EGR)布置在增壓器壓氣機上游的方案更為有利。在低壓回路系統中，EGR氣體在高的機械增壓負荷時也可以使用，以提高燃油經濟性，降低排放。可以預測，LPL系統將會在今后得到廣泛應用。

水-空進氣中冷器在車輛環境下需要滿足以下3點要求:(1)節省空間，在有限的發動機艙空間內安裝;(2)低壓回路系統適應性，對增壓空氣側的酸性冷凝物有充足的抗腐蝕性;(3)高的可靠性，高溫環境下有足夠的強度。

本文描述的鋁質水-空進氣中冷器可以滿足上述需求。同時，也描述了熱應力分析工具的開發。

1 產品概念

產品的開發集中在以下2點:(1)小型化，提高芯子區域(翅片和冷卻管)的冷卻性能和采用箱形封閉式集成結構;(2)增壓空氣側的抗腐蝕性，開發1種高抗腐蝕性材料。

水-空進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示出了開發的水-空進氣中冷器的結構。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，內部翅片布置在管子內部。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。通過優化管子和翅片波高的設計來實現芯子的高性能。對于冷卻管，開發了1種提高增壓空氣側管子高抗腐蝕性的高抗腐蝕性材料。

在2塊導向板覆蓋芯子中間區域，形成了增壓空氣的流通路徑。對于導向板，在開口處設置卷邊壓接板用來壓接塑料蓋。這個區域包含卷邊壓接板被焊接為一體形成箱形封閉式集成結構。由于連接方式是卷邊壓接，可以采用塑料材料，以達到減輕質量和降低成本的目的。

1．1 小且性能高的芯子

為了使芯子區域具有較高的冷卻性能，需要注意優化增壓空氣側翅片(促進冷卻液側傳熱)，以及優化翅片和冷卻管參數。

圖1 水-空進氣中冷器的結構

為了使性能最大化，采用百葉窗式翅片，翅片參數基于機油/冷凝物析釋的研究確定，同時需考慮了抗堵塞性。

為了促進傳熱，需要提高傳熱系數，或者增加散熱面積。一些散熱器在冷卻液側使用凹坑擾亂水流以提高傳熱系數。然而，這種凹坑只對部分散熱器有用(雷諾數1 000及以上)，這意味著其并不適用于水-空進氣中冷器(雷諾數500及以下)。因此，進氣中冷器采用直式翅片來增加散熱面積。

基于上述參數，研究了合適的外部翅片和內部翅片高度來減小芯子的質量/體積(性能)比(圖2)。對于冷卻液側的翅片，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的高度。

1．2 增壓空氣側管子的抗腐蝕性

在低壓回路系統中，含有硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)，或者氯化物(氯離子)的排放氣體通過進氣中冷器，當其被冷卻時將會產生酸性冷凝物。這些酸性冷凝物的存在，使得進氣中冷器的管子可能被腐蝕，可運用犧牲腐蝕保護法來避免這個問題。另外，焊接管子和翅片時必須增加填充金屬(焊料)。因此，開發的進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示出了材料的結構和其點蝕傾向。

圖2 翅片高度的優化

圖3 芯子材料和點蝕傾向

2 水-空進氣中冷器的熱應力問題

一般來說，產品的熱應變是由于不同零部件之間的熱膨脹系數及不同的溫度所導致的。特別需要指出的是，熱變形傾向于發生在溫度快速變化的瞬變時期，對于水-空進氣中冷器，高應變可能發生在高溫增壓空氣突然進入進氣中冷器時，比如當車輛急加速時。

水-空進氣中冷器的1個優點是增壓空氣流過的管路長度可以減少到相對于空-空進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，這就意味著熱應變梯度會更大。

雖然可以從外部看到空-空進氣中冷器芯子區域，但是對于水-空進氣中冷器，芯子是被箱形封閉式集成結構完全覆蓋的，這就為熱應變的分析帶來困難。采用常規方法，如使用紅外攝像機觀察溫度分布，或者使用應變計和熱電偶檢測零部件，對于水-空進氣中冷器是不適用的。

因此，開發了1款高精度的工具用來預測溫度分布的瞬態變化和分析溫度變化帶來的熱應變。利用這種工具，闡明了開發的水-空進氣中冷器的熱應變的產生機理。

3 熱應力問題分析工具的開發

3．1 熱應變分析要點

圖4示出了分析的模型和邊界條件。為了獲得準確的熱應變-時間關系曲線圖，首先利用計算流體動力學(CFD)分析預測每個時刻的溫度分布，然后將CFD的分析結果輸入到有限元分析法(FEM)中進行耦合分析。更具體地說，熱應變-時間關系曲線圖是作為初始條件輸入的，這樣獲得的變形-時間關系曲線圖比較精確(圖5)。

圖4 用于分析的模型和邊界條件

然而，為了分析產品的熱應變，需要了解整個結構的變形模式，這就需要劃分很多的單元(網格)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品的開發。為了解決這個問題，后續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(網格)，使熱應變分析耗費了大量的時間。特別對于進氣中冷器，外部翅片的單元(網格)數量約占整個單元(網格)的95%。已經在FEM分析中使用了均質化的翅片模型(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。對于開發的水-空進氣中冷器，在FEM分析時使用了這種方法。

圖5 仿真流程

圖6 翅片-空氣模型的均質化

外部翅片的均質化對減少CFD分析單元(網格)也是有效的，但是需要給均質化模型附加額外的特性以再現瞬變時期的熱傳遞效應。

瞬態熱傳導的基本方程如下:

式(1)中，尤其需要定義密度、比熱和熱導率。根據翅片和空氣的體積率，對這些特性值的進行了定義。

為了驗證分析的精度，對比了使用附加虛擬屬性值的均質化翅片模型的分析結果和使用全仿真的翅片模型的CFD分析結果。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化翅片模型的分析可以再現溫度分布，因此可以將產品作為整體使用均質化模型進行分析。

4 熱應力分析結果

圖8示出了熱應力分析結果。最大熱應力出現在冷卻液側管子和增壓空氣入口側芯板的焊接處。

圖7 模型對比研究

圖8 熱應力分析結果

圖9示出了溫度/瞬變時期應變的試驗測量結果和仿真結果對比。如圖9所示，仿真可以再現高溫增壓空氣的進入引起了管子壁溫度的上升。同時，仿真也可以精確地再現瞬變時期的熱應變狀態。

如圖4所示，當高溫增壓空氣進入進氣中冷器，此時管子和箱體(箱形封閉式集成結構)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。這種瞬態效應在二者之間產生了較大的溫度差，冷卻管的膨脹和變形被導向板限制，這就使管子處于壓縮狀態。基于上述機理，開發了1種可以吸收冷卻管和箱體熱膨脹差異的結構，當車輛急加速時該結構成功地驗證了其產生的變形率可以滿足目標的要求。

5 結語

在實際的仿真過程中使用整個進氣中冷器均質化模型的方法進行精確的熱應力仿真，即箱形封閉式集成結構進氣中冷器的熱應力仿真。結果表明，該中冷器具有高熱應變的可靠性。采用這種技術，具有導向板結構的水-空進氣中冷器在2014年開始量產，其具有良好的性能、結構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系統中獲得應用。

圖9 仿真結果和試驗結果的對比

圖10 熱應變機理