（车辆工程专业论文）增压柴油机空空中冷的研究.pdfVIP

中国农业大学硕士学位论文 篁皇皇蔓皇皇皇_ 皇_ _ _ _ _ _ 量皇_ 量邕皇皇皇量墨墨墨圈曩曼曩蔓蔓量皇- _ _ _ 宙_ _ 邕葺崮嘲i i _ 摘要 增压中冷柴油机能在满足严格的排放法规的同时，保持和提高发动机的动力性，燃油经济 性和可靠性。九十年代以来，在西方国家得到日益广泛的应用。国内在这方面尚在起步阶段。 该技术在工程运用的关键是针对具体运用的情况，设计出满足设计要求和应用条件的中冷器。 本文通过对中冷器设计工作中的热力学计算过程的分析研究，针对以往设计计算的缺陷， 提出了改进方法。并运用这一方法对中冷器的设计和性能计算进行了改进。使中冷器的设计t 作更加能够反映中冷器工作的实际状态。 本文对中冷器总体设计中所牵涉到的集气箱，管路，风力等方面设计和匹配问题进行了研 究和总结。提出了中冷器匹配设计中应该注意的问题和准则。通过进行发动机中冷试验，确定 了运用改进的设计方法和总体设计中的准则设计制造中冷器，能够满足发动机对中冷器的设计 要求。中冷器的设计匹配工作达到了预期的要求。 本文在中冷系统开发研究中采用的上述方法和提出的一些原则，对相关的研究开发工作具 有一定的借鉴价值。 关键词：增压，中冷器，换热器，设计计算 a b s t r a c t t u r b o c h a r g i n ga n dc h a r g ea i rc o o l i n g ( c a cf o rs h o r t ) h a sb e c o m em o r ew i d e l yu s e di nw e s t e r n c o u n t r i e ss i n c e1 9 9 0 s ，w h i l em e o e dt h es t r i n g e me m i s s i o ns t a n d a r d s ，i te n h a n c e st h ep e r f o n n a n c eo f t h ed i e s e li nd y n a m i c ，f u e le c o n o m ya n dr e l i a b i l i t y h o w e v e r , i t sa p p l i c a t i o ni nc h i n ai ss t i l la tt h e b e g i n n i n gs t e p t h ek e yp o i n to f t h ec a ct e c h n o l o g y , b e do nt h ea p p l i c a t i o n i st od e v e l o pac o o l e r t om e e tt h er e q u i r e m e n to f d e s i g na sw e l la sa p p l i c a t i o n t h r o u g ht h es t u d yo ot h et h e r m o d y n a m i c sc a l c u l a t i o ni nd e s i g n i n gc a c ，a ni m p r o v e m e n t m e a s u r ew a sg i v e ni nt h i se s s a ya i m e dt oi m p r o v et h ed e f i c i e n c i e si nc a l c u l a t i o ni nc o n v e n t i o n a l d e s i g n i n g t h ei m p r o v e m e n td e s i g nw a sa l s og i v e nw h i c hc a l lr e f l e c tt h ea c t u a ls t a t u so ft h ec a c w o r k i n gi nal a r g e rd e g r e e t h i sp a p e rs t u d i e sa n ds u m m a r i z e st h ed e s i g na n dm a t c hi s s u e si ni n l e t ，t u b ee t c ，i n v o l v e di n c a cd e s i g n i n g ，a n dp u tf o r w a r dt h ei s s u e sa n dt h ep r i n t i p l e sw h i c hs h o u l db ef o c u s e do ni nm a t c h d e s i g no fac o o l e r t h ei n t e r c o o l i n gt e s th a si m p r o v e dt h a tw h e na p p l y i n gt h ei m p r o v e m e n tm e a s u r e t ot h ed e s i g n ，t h ec a cd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h eo v e r a l ld e s i g np r i n c i p l e sc a nm e e tt h ec a c d e s i g n r e q u i r e m e n to ft h ed i e s e l t h u s ，t h ed e s i g n i n gm a t c ho ft h ec o o l e rm e e t st h ee x p e c t e dr e q u i r e m e n t t h i sp a p e ri n v o l v e st h em e t h o da n dt h ep r i n c i p l e si nr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tc a cs y s t e ma l s o h a v ec e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ef o rr e l a t i v er e s e a r c h k e yw o r d s ：t u b r o c h a r g e ，i n t e r c o o l e r t h e a te x c h a n g e r ，d e s i g nc a l c u l a t i o n 中国农业大学碗士学位论文 主要符号表 a 真接传递式换热器中一侧的总传热面积，m 2 a 。换热器冷流体侧的换热面积，m 2 a f换热器一侧的扩展表面面积o a r换热器的迎风面积，m 2 凡换热器热流体侧的换热面积，m 2 a o晟小自由通流面积，n 1 2 c 流体的热容量流率，w k c c 冷侧流体的热容量流率，w 做 c h热侧流体的热容量流率，w k c + 热容量流率之比 c p流体的定压比热容，j ( k g k ) d h流道的水力真径，i t i f 范宁摩擦系数，无量纲 g 基于最小自由流通面积的质量流速，k g ( m 2 s ) h 传热系数，、v 0 十k ) j c o l b u m 因子，无量纲 k 总传热系数，w ，( m 2 b l ( c流动收缩压力损失系数无量纲 k流动膨胀压力损失系数无量纲 n t u 传热单元数，无量纲 n u 努塞尔数，无量纲 p r 普朗特数，无量纲 q传热量，j r e 雷诺数，无量纲 s t斯坦顿数，无量纲 w 流体质量流速，k g s p 换热器一侧的总传热面积与换热器芯体总体积之比，m 2 m 3 u 流体动力黏度，p a s o 最小自由流通面积与迎风面积之比，无量纲 下标符号 h 热空气( 流体) 侧 c 冷空气( 流体) 侧 i 进口状态 o 出口状态 l m对数平均 m 平均或对数平均 w 壁温或壁面 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：一一寺。叠阳 时间：。年占月，玉日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、拒编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上 发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：匀焉辨 时间：0 2 。竽月d 日 导师签名： 孑葺 时间： 2 卵易年6 月i 中日 中国农业大学硕士学位论文第一章缔论 第一章绪论 1 1 增压中冷技术的发展概况 1 9 0 5 年瑞士a l f r e d b u c h i 提出了废气涡轮增压的概念，并且开始在柴油机上进行实验。并 t1 9 2 5 年获得了脉冲涡轮增压的专利。在这之后的几十年里，涡轮增压技术得到了飞跃的发展。 特别到了八十年代，由于增压中冷可以很好的解决发动机的热负荷的问题，提高发动机功率 降低燃浊消耗，减少排放污染的，被认为是柴油机锭业中最热门的问题。 发动机的热负荷问题一直都是增压柴油机面临的主要困难之一。而且随着增压度的不断提 高，这个问题也变得愈加突出。为此出现了降低迸气温度的方法。早在本世纪初，b u c h u i 就提 出进气冷却可以作为提高柴油机比功率的一种办法。柴油机标定功率通常被燃烧情况和涡轮机 的入口温度所限制。进气冷却不仅可以获得更高的进气密度，而且使涡轮机入口温度将低。从 而提高标定功率。中冷是降低柴油机热负荷的有效措施。实验表明，进气温度每下降1 ，发 动机得最高燃烧温度可以下降1 0 左右。面排气温度可以f 降2 3 。增压中冷可以在不增加 发动机热负荷的情况下，由于空气密度的进一步提高，使得发动机的功率提高1 5 2 0 i i o 从六十年代开始，全球范围内对降低废气捧放和提高燃油经济性的要求又使人们对进气冷 却的重要性有了进一步的认识。进气中冷可以降低尾气中的氮氧化物的含量，有利于减少排放。 目前在各种降低排放的措施中，进气中冷技术是一种十分有效的办法。 圈i - 1 发动机增压中冷技术示意图 柴油机采用增压中冷是提高发动机功率，降低燃油消耗，减少摊放污染的的有校方法。是 柴油机发展的必然方向。目前汽车i 业发达的国家的柴油机已经基本上全部采用了增压中冷技 术。增压中冷已经是达到欧i ，欧j l 排放标准的基本配蓝。溺国外相比，国内各大柴油机厂对 增压中冷的研究和运用较晚，但是就目前全国内燃机行业整体趋势来看，特别是对于柴油机， 增压中冷的运用越来越j “泛。迄今为i t ，国内在大功率的柴油机都使_ l = 了增压中冷技术。中小 功率柴油机有很大一部分采坩了中冷。尔风公司和玉柴公川已经在儿个功率领域的增压柴油机 卜形成了大批量生产。 中国农业大学硕士学位论文 第一章堕论 增压柴油机配置空空中冷最早在五，六十年代国外就有应用。图1 - 1 所示就是空空中冷系 统结构。但是由于在车辆上使用时，布置较困难，所以在当时应用很少。进入九十年代，由于 排放法规的日益严格，空空中冷在增压柴油机上的应用已经是十分广泛了”。不仅在中，重型 柴油机上使用；例如卡特比勒3 0 0 系列，小松的1 6 5 系列等。许多轻型轿车在装备柴油机时也都 采用了增压中冷：例如r o v e r 奔驰3 0 4 等。 国内在前些年，由于技术水平和柴油机的排放法规的滞后。在空空中冷柴油机的开发和应 用方面的研究很少。这几年面对排放的要求和市场竞争，目前已经有包括东风，玉柴等儿人厂家 开始批量生产相关产品。目前大功率固定式柴油机和中功率的船用和内燃机车用的柴油机几乎 全部采用中冷技术。 2 0 0 4 年国家环保总局下发的确认通过车用压燃式发动机排气污染物排放限值及测量方 法，柴油车自由加速烟度排放标准，汽车柴涸机全负荷烟度排放标准的客车目录中，采 用的发动机基本都是采用增压中冷技术。其中有近三分之一采用了空空中冷系统。 1 2 中冷器内传热和流动的研究概述 柴油机中冷技术有两种基本类型水空中冷和空空中冷，水空中冷系统是利用柴油机循环 冷却水对进气进行冷却，空空中冷系统是利用自然空气冷却进气。不论是采用了那种冷却形式， 中冷器都是利用冷却介质与热介质之间的热量交换达到对热介质冷却的效果。从本质上讲，都 是热交换器的范畴，从具体形式上说，传统上都是采用了图1 2 所示的板翅式形式。近年来在 板翅式上发展起来的管带式结构( 图1 3 所示) 。逐步成为车用中冷器的首选结构。 田1 - 2 板翅式中冷器圈1 3 管带式中冷器 扳翅式换热器属于紧凑式换热器的一种。甲在1 9 3 0 年英国马尔斯顿艾克歇尔瑟公司就州 铜台金浸渍钎焊方法制成航空发动机散热器用的板翅式换热器。经过7 0 年的发展，目前板翅式 换热器作为一种高效、紧凑、轻巧的换热殴备，已在“汕化j ：、航空航天、电子、原子能、武 器f ：业、冶金、动力工程和机械等领域得剑，。泛应用，爿：在利州热能、回收余热、节约原料、 降低成本以及一些特殊用途上取得了显并的经济效益。其主要特点是：传热效率高、紧凑、轻巧、 适应性强、制造工艺要求严格、制造研究开发费用高、结构复杂、l ：作压力温度有定的限制、 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章鞲论 易堵塞和被腐蚀、工质要求比较沽挣、加i ：i i i 2 艺复杂等特点。 对丁板翅式及其它紧凑式换热器采用的翅片系统的研究开始于1 9 5 4 年，美国斯坦福大学的 】( a y s 和l o n d o n 领导的小组对各种紧凑型换热表面进行了系统详尽的研究。其中的成果，至今 依然是从事该领域的研究的基础p i 。近年来，板翅式换热器的设计理论、试验研究、制造工艺、 开拓应用的研究方兴来艾，特别是一些新技术的渗透，使其应用范围更加广泛，进入了一个新 的发展时期。管带式是在板翅式基础上发展起来的，由于具有结构紧凑，单位体积传热面积人， 热气道采用了型材扁管。克服了以往热气道内翅焊接困难等缺陷，二【= 艺简单结构强度高。不 漏气，容易清洗，具有良好的可靠型i l l l 5 i 。 我国6 0 年代自行开发板翅式换热器，以其优良的性能。被广泛应用于空分设备、石油化工 设备、上程机械和宇宙空间技术等j 二业部门。使我国成为继英、美、日之后第4 个生产板翅式 换热器的国家。3 0 年来，我国板翅式换热器技术取得了显著进步。以杭州氧气厂为代表的些 板翅式换热器生产厂家已经在研发领域上处于同行业的领先地位。 目前对板翅式( 含管带式) 中冷器的研究大致集中在以f j l 个方面： 1 。2 ，1 热力学计算 传统的设计计算方法主要有平均温差法和效率一单元数法i “，通常以进出口参数为对象。 近些年有许多工作对这些传统的算法作了修正，例如引入了传输问题，但是分析问题依据依然 是：传热介质常物性，传热系数为常数，进出1 3 平均温度为定性温度。而这些依据同实际情况 会有很大出入，主要原因在于中冷器进出口温差太大，常物性的估计已经不太合理，虽然通常 会采取修正办法，但是满足不了对计算精度日益高的要求。另外，传统热力学计算的结果通常 仅仅为进出口的参数，无法获得中冷器内部流动传热的规律。更不能揭示内部流动的本质。 目前，仍有大量的研究致力于找到提高传热性能的理论依据，从而迸一步对中冷器内部的 流动及传热过程进行研究1 7 1 1 。i i i 。 1 2 2 数值计算 热交换器的设计中，无论是采用l m t d 法还是n t u 法，从选择换热芯子到最后计算山结 果都要花费很大的精力，而且计算中大多时候要试算。随着计算机技术的不断进步，数值模拟 在中冷器的设计中已经被越来越多的设计者采用。特别是c f d 软件的出现和应用，热交换嚣的 没计和研究逐渐向着更深层次发展。随着计算机技术和计算流体力学( c f d ) 技术的快速发展， 人们可以对中冷器的内部流动特征进行详细地分析，国外有很多的研究崩计算机来模拟换热器 的i 作过程，主要是进行稳态模拟和动态模拟。借助计算机来计算换熟器在稳态条件下各种操 作性能参数，以及对流体的温度，速度分布和传热的情况进行分析。这方面的论文目前在传热 学领域可以见到，但是针对中冷器内部流动平特征方面的专著和论文尚不多见。 近些年来，随着计算传热学的发展，对中冷器的数值计算有了一定的研究，但是流动状态 一股都选层流，边界条件也都是假定为艟温恒定或恒熟流率。这同中冷器中实际的湍流非充分 笈鹱，壁侧受热流率冷却的实际情况相荠很大。关于端流运动与传热的数值计算，是目前计算 中国农业人学硕士学位论文 第一章绪论 流体力学与计算传热学中困难最大，但也是研究最活跃领域。目前处于前沿的数值计算可以大 致分为以下三大类”q ： 直接模拟：用非稳态的n a v i e t - - s t o k e s 方程米对湍流进行赢接计算的方法。如果该方法可 以成功运用，所得到的结果的误差就仅仅是一般数值计算所引起的的误差，井可以控制，但是， 对于该方法所要求计算能力远远超出了现阶段计算机的能力。 大涡旋模拟：这种方法旨在用非稳定的n a v i e r - - s t o k e s 方程来直接模拟大尺度涡旋t 但不 直接计算小尺度涡旋，这种方法同样器要比较大的计算机容量。 时均方程法：这类方法将非稳态控制方程对时间作平均，并且加入一定的假设，在所得到 方程组中实现了封闭。从而实现了对方程的降阶运算。这也是目前工程湍流运算中所采用的基 本方法。 1 2 3 中冷器试验研究 试验方法是传热学研究的重要手段通过试验测试，可以获得第一手资料一中冷器内的流 场，温度场。进一步总结和分析传热过程中的规律和特点，为中冷器的设计提供可靠的数据。 目前对于稳态的情况- 卜，可以采用红外热相仪测定中冷器内的温度场，用熟线风速仪( h w f a ) 测定中冷嚣的气流的流场。 但是需要指出，一方面；中冷器的实际工作状态人多处于非稳态。另一方面；中冷一般采 ；j 叉流式热交换器的结构，结构复杂，内部的流场和温度场的测试很难进行。同时，实验过程 中很难模仿实际工作的。t = 作状态和情况。因此，真正能够反映中冷器内部传热和流动的实验为 数很少。 中冷器的实验研究中也大致分为两大部分。一方面是在 ：程热物理领域，以换热器为对象 的研究工作，他们着重研究换热器的热力学的特性和具体性质，通过实验研究可以对以有的经 验公式进行修正，同时还探讨对流换热机制和对中冷的影响。 另一方面是在内燃机行业对于中冷技术的研究。以往人们在处理增压中冷发动机时候，习 惯将中冷器看成一个简单的降温节流单元，只是对中冷器的入口和出口的参数进行分析i i l 。这 是由于中冷器所采用的这种叉流式换热器结构比较复杂总的换热面积很大而单元体通道尺寸 很小。以本次试验的中冷器为例，它的热通道是一个哎，宽，高为：4 4 * 7 5 0 ( 单位：r a m ) 的方形通道。 在这样狭长通道中，对其内部流场进行热力学分析雨i 实验，是非常困难的。所以，大多数内燃机 程研究方面，会先对中玲器进行一些简化和假设，升建立相应的数学模型，再进行求解。在 国内，这些年来一些单协在中冷器内部温度场，流场的分析和测定以及数学模型的建立上做了 一些j 作。上海交大的顾宏中教授提出了一个由中冷器热平衡计算出来的数学模型l l ”。吉林i 人的方祖华从增压空气的压力恢复的概念上提出自己的数学模型，并且将中冷器的熟计算移入 紧油机模拟计算过程中1 1 3 1 。山东j 。业犬学的李国祥也提出一个基于分步效率一单元数法的中冷 器数学模型i l “。但是这些数学模型的建立大大丰富了中冷器的分析方面的理论。其结果是否与 实际相符，数学模型是否可靠正确还有待于相应的试验米验证。 铁道部一r 属的研究单位在中冷气台架实验上做了一魑尝试t 作i l ”。山东下业大学也曾经利 则相似裂原理，对空空中冷器的内部湍疫场进行了i 测试希 分析l l “。国内的其他一些单仃在 4 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 其他领域对板翅型换热器也作了一些实验。 作为增压技术的关键，中冷器的研究日益受到重视，国内外不少换热器及内燃机方面的专 家，学者都在这一方面作了大量的工作。出现了一批生产中冷器的公司和厂家。例如：美国的 w h t 公司，b o w m a n 公司，德国的g e a 公司，法国f r y e 公司，瑞士的b r o w n 公司。日 本的日立公司。俄罗斯的中央柴油机研究院。在国内的浙江银轮公司，青岛的远洋公司，南充 冷器厂等都是这一领域中的主要厂家。国内中冷器生产厂家的中冷器设计人多停留在传统的经 验设计上，虽然在设计中也运用了一些现代设计手段：象c a d 技术等，但是都没有建立一种 有效的优化设计准则，而且各个设计环节中缺乏有机的联系。 现代计算机技术的发展。人们可以运用c f d 来建立定量的优化设计目标和准则。结合计算 机辅助设计手段和快速成型技术，将产品设计和产品生产有机的结合起来，减少设计中的盲目 性，提高设计精度。缩短设计周期，减少设计成皋。这一方向在现代设计中是越来越明显。 1 3 课题的主要任务和意义 本课题是基于实际t 作的需要，课题任务是为配置空空中冷的发动机在测功时，设计相应 匹配的空空中冷器。通过整个匹配设计工作，希望能达到以下目的： 1 经过调研，充分了解中冷技术的最新发展技术，使设计工作和实际产品具有较为先进 的技术内涵； 2 ，对已有的热交换器设计原理和方法进行照理和总结，针对空空中冷系统的特点建立一 种有效的中冷器设计计算方案： 3 ，建立一种较适于上程应用的中冷器性能数值评估方法； 4 ， 通过发动机台架试验，研究中冷系统的在下程应用领域中需要注意的问题，研究中冷 条件( 进气温度和温差，增压气体的压力和压降，外部使用条件) 对发动机的性能的影 响： 5 ，通过实际操作，对中冷器优化设计方法进行探索； 5 中国农业大学硕士学位论文第二二章中冷船系统与结构分析 第二章中冷器系统与结构分析 2 1 增压柴油机中冷器概述 内燃机增压是将空气压缩提高压力后供入气缸，用以提高充气密度，增加每循环气缸的进 气量，以便增加供油摄，提高内燃机的功率。非增压的内燃机，进入气缸的气体是在大气压的 作h ； 下进入的，要增加内燃机的进气量进而增大功率就必须增大内燃机的排量而内燃桃捧 量的增大就是内燃机体积、重量的增加。增压内燃机是在排量不变，重量增加不大的情况下， 功率较大增加甚至成倍增加。内燃机增压后不仅使功率增加。还带来了其它一些性能的提高。 如增压后由于空气量充足，燃烧完全，提高的热效率，使耗油率降低；燃烧完全减轻了排气污 染。 但是，随着增压的广泛应用，压气机出口的空气温度随之升高，在一定程度上限制了空气密 度的提高。耍进一步增加空气密度只有降低增压空气的温度，这时就要采取中间冷却措施。增 压中冷由此应运而生。 增压中冷是指在柴油机的压气机出口和发动机的入口之间安置中间冷却器。如图2 1 所示： 柴油机使用增压中冷，能使增压后的空气温度降低、密度增大，使柴油机的循环进气量增多。增 压中冷可以在柴油机的热负荷不增加甚至降低， 高柴油机的功率，还可以提高发动机的经济性， 以及机械负荷增加不多的前提下，较大幅度地提 降低排放污染。 _ 忡 i 叫磊， # ， 一 _ 。i ， s 5 d 嘲，fl 警s d e 2办 “屯一 图2 - 1 进气温度对发动机输出动力的影响 试验表明在给定的增压的压力f ，增压空气温度每r 降1 0 ，它的密度就增大3 ，当 空气燃油消耗率都保持不变时，柴油机的功率就能提高3 。不仅如此，柴油机效率也随增雁 空气温度下降而上升每下降i o c ，效果提高约0 ，5 。冈此，在同样的空燃比下，增乐空气 的温度每下降1o c ，功率实际上可提高约3 5 。进气中冷不但可提高柴油机的功率，而且还 可降低柴油机在相同的额定功率r 的热负荷和排气温度以及最人爆发压力。在热负荷保持不变 的情况r ，柴油机由于增压空气的温度f 降而提高功率，比空燃比保持不变时的工况会更高。 6 中国农业大学硕士学位论文 第二二章中冷器系统与结鞫分析 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ 一ii i _ 一 德国曼恩公司在台单缸试验机上的试验结果表明，在活塞温度相同时，增压空气温度每下降 lo c ，柴油机功率能提高5 i ”。另外，中冷技术作为降低柴油机排气中氮氧化物的一种方法， 目前已经成为满足目益严格的排放法规的基本配置。 2 1 1 常见的增压柴油机中冷系统的分类 目前常见的车用柴油机中冷系统都是属于叉流外冷间壁式冷却方式，根据冷却介质不同、 进气中冷可以分为主要两种方式；采用冷却水对进气冷却( 水冷式) 和采用空气冷却进气( 空 空中冷) 方式。 水冷式中冷器又可以根据冷却水的水路布置而分为以下两大类。 1 ) 发动机本身冷却水系中的循环水来冷却进气，如图2 - 2 所示，这种发动机系统的中的 冷却水来自发动机的循环水系。如图所示；从发动机水泵出来的水被分为两部分，一部分被输 送到发动机的冷却系统( 缸套，油冷，节温器等等) ，另一部分被输送到中冷器来冷却进气。这 种冷却方式结构简单，不需要另设计水路，但是可以看出，这种系统的进气歧管内的进气温度 是受到水泵的出水温度限制的。柴油机在正常工作条件f ，冷却水的温度较高，在低负荷对可 对增压空气进行加热，有利于提高低负荷时的燃烧性能；但在高负荷时对增压空气的冷却效果 较蓑。这种系统般在增压度不大的柴油机上使用”。 蟹2 - 2 机内循环水冷却进气系统 图2 - 3 独立的冷却水系统 7 中国农业大学硕士学位论文 第二章中冷器系统与结构分析 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - i - _ _ _ _ - 2 ) 用独立冷却求路冷却进气：在这种柴油机种，设有两种独立的冷却水路。如图2 - 3 所示；在传统的发动机冷却系统之外，另外设一个低温冷却系统给中冷器( 有时包括机油冷却 器) 冷却。这种冷却效果较好，在船用和大马力的柴油机中大量使用。 空空中冷系统根据驱动冷却风扇的动力来源不同，可以分为三类； 1 ) 曲轴驱动风扇系统 曲轴驱动风扇系统的中冷系统如图2 _ 4 所示；这种方式一般使用于午用柴油机，把中冷器 放置在冷却水箱前面，环境空气被散热器的风扇吸过来，在冷却主散热器之前，先冷却中冷器。 从增压器压气端出来的增压空气通过管道连接到车辆的前部，在中冷器中降温后，再进入进气 歧管。同时，由于中冷器位于车辆的前部，在车辆行使中，产生的迎风也可以用来冷却水箱和 中冷器。 圈2 4 空气冷却进气系统 2 ) 空气涡轮驱动风扇系统 由压气机分出一小股气流驱动一个涡轮，用涡轮来带动风扇冷却中冷器。由于驱动风扇的 气流来自涡轮驱动的气流的能量同压气机出口的压力和温度都有关，当然就和柴油机负荷有 关。低负荷对风量小，大负荷时风量大，可以兼顾不同负荷的燃烧性能。 3 ) 独立电子风扇系统 对丁一些特殊用途的机械，由于发动机布置的要求，或是风扇等部件布置方面的困难，会 采独立的电子风扇系统来冷却进气。 2 1 2 常见中冷器的结构 水冷式中冷器的结构： 目前普遍使j i = | j 的水冷式中冷器是采_ l i 管片式结构和冷轧翅片结构。 中国农业人学颂士学位论文 第二章中冷器系统与结构分析 _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ 一i i _ - _ - 圈2 - 5 管片式中冷器的结构图2 _ 6 冷轧翅片管结构 1 ) 管片式结构 管片式中冷器是在许多水管上套上一层层的散热片，采用锡钎焊或者采用堆锡焊的办法， 焊接在一起。图2 - 5 所示就是常见的管片式中冷器的结构。冷却水管和散热片采用紫铜或黄钢 制选。水管的排列分为叉排列和顺排列两种排列方式，水管截面的形状有圆形、椭圆形、扁管 形、滴形和流线形等。其中圆管工艺性和可靠性较好，但空气的流通阻力较大，使空气压力损 失较大。滴形管和流线形管虽然空气阻力较小，但由于_ l 艺性和可靠性较著，目前很少应用。 椭圆管与圆管和扁管相比，具有较高的传热系数和较小韵空气阻力，但其工艺性和可靠性不及 圆管但是优于扁管。试验表明椭圆管比圆管传热系数约高1 0 空气阻力损失约小1 8 ，所 以，目前在柴油机上多采用椭圆管作水冷式中冷器的冷却水管。 2 ) 冷轧翅片结构 冷轧翅片管是由单金属管或内硬外软的双金属管在专用轧机上轧制葡成( 如图2 - 6 所示) 。 通常，单金属管用紫铜或铝；取金属管的内管用黄铜，外管以铝为材料。双金属管在轧制过程 中使两种金属牢固地贴合在一起，几乎没有间隙，即使在长期振动：i ：作条件下也不会脱开。通 常采用涨管法，将翅片管固定在端板上。整个加工过程不用焊接不存在虚焊以及长期振动1 ： 作后的脱焊现象。因此冷轧翅片管中冷器的主要优点就是接触地方的热阻小，传热系数高，工 作可靠性好。其缺点是在同样体积下冷却表面积较小和气阻力损失较火。如果设计合理，与水 管为椭圆管的管片式相比。传热系数提高约3 0 ，冷却表面积减少约3 0 从而保持相同的散 热能力；其空气阻力损失与水管为圆管的管片式大致相同。 空空中冷器的结构： 空空中冷器是用环境空气来冷却增压后的高温空气。由于热侧和冷侧换热介质都是空气， 两侧的对流换熟系数在同一数量级，因此两侧换热面积廊人毁相当。常用的空空中冷器的结构 有板翅式中冷器和管带式中冷器两种。 1 ) 板翅式中冷器： 板翅式中冷器的结构是在厚o 5 一o 8 m m 的薄金属板之间，舒焊由厚0 1 一o 3 m m 的薄金属 板制成的翅片，两端以侧面的限制板来封焊。同时因为各层翅片方向互错9 0 度，两个不同方向 的翅片分别形成了两种叉流换热介质的通道。板翅式中冷器人多刖铜和铝合金制造，它结构紧 凑，传热面积大，效率高。 2 ) 管带式中冷器： 9 t 矿 ；留 中国农业大学硕士学位论文 第二章中冷器系统与结构分析 管带式中冷器是在板翅式中冷器的结构基础上发展而来的。他的热气侧信道是多孔成型管 材，其它结构和板翅式中冷器相同。同板翅式中冷器相比，管带式的优势在热气侧。由于采用 了成型管材，简化了工艺，从而避免了翅片和隔板之间的虚焊，以及工作振动中的脱焊而造成 的接触热阻。提高了传热效率和工作可靠性。管带式的缺点同样在热气侧，由于是光直的信道， 很难采用扰流措施。目前车用发动机的中空空中冷器基本上都是采用管带式结构。本文所选用 的也是管带式的中冷器。 圈2 7水冷中狰器的图示图2 - 8空空中冷器图示 2 1 3 两种中冷器的分析比较 两种中冷器各自具有自己的优点同时也有需要改进的方面： 水冷式中冷器的优点在于：一方面可以直接利用发动机的冷却水路在功率不太大的情况 1 - ，整体结构较为紧凑。另一方面，在发动机小负荷下工作时候以及环境气温较低的情况下， 可采用从发动机冷却回路中向增压空气预热的办法，来解决冷启动和起暧车的作用。一般在增 压度不大的柴油机上使用。 水冷式中冷器缺点在于：发动机j 二作时，冷却水路的水温( 机体进水口处) 一般在6 0 以 上，对进气的冷却效果有限。而且，水冷系统的结垢的清除问题和水冷系统的防泄露都是工程 中难以处理的问题。 同水冷式中冷系统相比。空空中冷系统具有下面的特点： 结构简单：空空中冷系统结构简单，整个系统同发动机的冷却水路没有直接的接触，因 而不必考虑渗漏冷却水的危险。， 由于热交换的热量直接进入人气，同经过水冷却的热交换相比，具有较高的换热效率。 热交换两边的温差较大( 通常在1 4 0 ( 2 ) ，可以得到比水冷却中冷更加低的进气温度。效 率更高。 需要在机体外另外加装冷却系统。对设备的设计和i 安装都有较高的要求。 总之，各种中冷系统都是各自有各自的特点，需要在实际i 薹埘时加以分析。对下所选的系统 除了要考虑技术的可行性，还要考虑不同使川场合的具体要求。如在机车，车用，船用翻鼙 川郝是各自有不同的要求。 o 中国农业大学硕上学位论文第二章中挎器系统与结构分折 2 2 中冷器的结构分析 由于换热芯子是中冷器的核心部件，下面将着重从板翅式换热器的角度来介绍中冷器的内部 结构。其它部件( 集气箱，管道等) 将会在第五章介绍。 2 2 1 中冷器流道单元 板翅式中冷器芯子是由隔板、翅片、封条这三个基本组成部分构成的“，如图2 9 所示 封条 条 圈2 9 板翅式中冷器芯基本结构单元 疰两块隔板之间放置翅片，其两侧再用封条进行密封，这样就组成了一个完整的单元体， 对于每一个单元体来说它就是流体的一个信道，冷、热两种流体在相邻的基本单元体的流道 中流动，它们是通过翅片及与翅片连成一体的隔板进行热交换的。根据实际的需要将许多个这 样的单元体根据流体流动的方向的布置迭置起来，钎焊成一个整体，就组成了中冷器的芯体。 在相邻的流道中流过参与热交换的不同流体，如果两流体的流动方向是相互逆向流经板束的， 我们称这种板束为逆流板束；如果两种流体是交叉流过板束的，我们就将此种情况命名为又流 板束。错逆流是指两种流体在各自的信道中沿着各自的翅片方向流动，而翅片彼此之间是成直 角的方向布置，但是其中一种流体是按照逆流的方向经过几次叉流豹方向流动的。图2 1 0 展示 了几种常见的流道布置形式。一般的情况下，从强度、热绝缘和制造1 ：艺等要求出发，我们还 要在板束顶部和底部各留有若干层假翅片层( 又称强度层或工艺层) 。再将板束配以适当的供流 体顺利进出的封头和接管，这就组成了完整的板翅式中冷器。 中冷器在位置允许的情况下，般采用叉流单流程的布置形式，在个别情况下，会采用二 流程的布置形式。 圈2 - 1 0 不同形式的板柬信道 中国农业太学硕士学位论文第二章中冷嚣系统与结构分析 _ _ - _ l _ - _ _ _ _ _ l _ - _ _ _ i _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ - - _ i _ _ _ _ - _ _ 2 2 2 翅片 中冷器芯子是中冷器的主要部件，而翅片又是中冷器芯子的最基本组件。冷、热流体之间 的热交换大部分都是通过翅片进行的，只有一小部分是直接通过隔板来进行热交换的。翅片与 隔板之间为完善的钎焊，高温流体将大部分的热量传给翅片，并通过隔板再由翅片传给冷流体。 翅片除了承担主要的传热任务以外，还起着两隔板之间的加强作用。尽管翅片和隔板所j = ! i 的材 料都很薄，但是由此构成的单元体的强度很高，能承受较高的压力。 翅片的作用主要有以t - l l , 个方面： i 、 翅片的存在使得热交换器在有限的空间中扩大了传热面积，从而也缩小了中冷器的体 积，提高了中冷器的紧凑性。翅片和隔板牢同的钎焊成一体它们之闻的热阻很小，因此翅片 叉可以看成是隔板的延伸和扩大。 。 2 、 翅片的特殊结构形状增加了流体的换热系数，致使中冷器的传热强度也得到了根有效 的提高。 3 、 由于翅片起着两隔板之间的加强作用。所以翅片的存在提高了中冷器的强度和承压的 能力。翅片和隔板之间是焊接在一起的，这就使得隔板受到了很好的支撑和加固，并且还可以 承受很高的压力。 彩迹艘诊 平直趄片 锗齿翅片 多孔翅片 渣支翅片 圈2 - 1 i 各种翅片形状 1 ：业上最常用的翅片的形状有：平赢翅片、锯齿翅片、多孔翅片、波纹翅片( 见图2 - 1 1 ) 。 在我国，实际生产中常用的翅片主要是平直、多孔和锯齿形翅片三种，而且还制定了相应的行 业标准供各换热器厂家参考。目前国家标准中推荐的翅片形式和相廊的参数还很有限，需要不 断地加以改进和增补。 翅片形式的选择：根据不同工质与各种换热i ：况可以采用不同结构形式的翅片，根据本文 中所给定的设计参数和设计要求，对于冷气道选择平直翅片。平直翅片由薄金属片冲压而成， 其换热与流体动力特性和管内流动相似，相对丁其他结构形式的翅片米讲，其特点是换热系数、 流动阻力系数都比较小，这种翅片一般用在要求比较的流体阻力而其自身的换热系数义比较大 ( 例如液侧或发生相变) 的传热场合。并且，平直翅片一般具有较高的强度。在热流道采用多 孔成刑管材。 翅片结构参数的选择：翅片的选择主要考虑换热系数，在换热系数较小的场合，宜采用高 而薄的翅片( 即翅高较大、翅厚较薄的翅片) ，着眼丁增大换热面积：而在换热系数较大的场合 宜采川低而厚的翅片( 即翅高较小、翅厚较厚的翅片) ，这样可具有较人的翅片效率；同时翅片 参数的选择还要考虑标准化。尽累减少系列揣种、尽龄套用制造厂商已有的翅片规格，以降低 中国农业大学顺士学位论文第二章中冷器系统与结构分析 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - 一i1 一 成本。 2 2 3 导流片和封条 基于板翅式换热器的结构特点，它的封头( 又称集气管) ，截面积一般要比自由通道的小， 而且封头往往需要偏于一侧，所以在换热器的两端设置导流片，把流体均匀的引导到翅片的流 道中或汇集到封头中。导流片也有保护较薄的翅片在制造时不受损坏和避免通道被钎剂堵塞的 作用。导流片的结构与多孔翅片相同，仅是几何参数不同，翅距、翅厚和小孔直径比多孔翅片 人。 板翅式换热器常用封头可分为乎挡板拼焊封头和板材冲压整体封头。平挡板拼焊封头制造 简单，只要半圆管焊上挡板即可，封头与平挡板及管均开坡口内外焊，而封头与板束焊接开单 面坡口。板材冲压整体封头，封头与接管要求和平挡板拼焊封头相同，只是承受高压和交变载 荷的可逆式换热器切换封头与板柬焊接时加衬圈。 2 2 4 隔扳 隔板是两层翅片之间的金属薄板，义称金属复合板，它在母体金属( 铝锰合金) 表瘟覆盏 一层钎料台金，在钎焊时合金融化而使翅片与金属焊接成整体。由于板翅式换热器形状复杂， 钎焊缝长，钎料可轧制成薄片敷放在木材表面，而一般都用机械方法布覆予锅材表面，成为 种钎焊用复合板即双金属复合扳。 板翅式换热器最外边的盏板，除承受压力外还起保护作用，盖板与翅片的焊接多数采用盖 板下加焊片的方法，焊片厚度和材质与隔板复合层厚度和材质一样。 对于空空中冷器通常用热流道的成型管材作为冷流道翅片的隔扳。在设计中不牵涉道这 一问题。 2 2 5 中冷器组装工艺 由于板翅式换热器在制造时截面积和长度都受到焊接1 ：艺的限制，实际使用中单个板束的 热交换器的板束单元尺寸往往不能满足要求i ；1 前一日鼙上的要求，则经常采j _ j 将多个相同的板束 串联或并联，组成一个大型的板翅式热交换器的组装体。并联组装用集流管及分配管将其连成 一个整体。 本章小结： 本章系统介绷了中冷嚣的分类和运用上的特点。指出了两种不同类犁的中冷器的各自优缺 点，并且介烈了中冷器结构中核心部件一冷却芯子的幽部结构。为下一章中冷器的热计算作了 一些铺垫j + 作。 中国农业大学硕士学位论立 第三章中冷器的设计计算 自_ l ii， i - 第三章中冷器的设计计算 中冷器的优化设计是一项十分复杂的事情。这不仅因为瑟、升过程中涉及的数学运算繁杂， 还因为在设计计算过程中要用到许多无法用数学公式描述的定量判据。 现行的设计过程一般是以表面选择为基础进行的实例研究法。首先，设计人员需要根据用 户提出有关熟负荷或介质流量等以及生产工艺的条件( 工作温度，允许温著，允许压降和介 质的物理化学特性等等) ，再考虑材料的可利用性和加工条件等因素。选取中冷器的结构型式， 流动布置，传热表面及材料等，并进行传热分析和压降计算。下一步则进行机械设计。这包括 零部件的强度计算。热应力，振动等方面的分析。 中冷器的传热分析和压降计算大致可分为设计性热计算和校核性热计算两种。前者的目的 在于决定中冷器的传热面积，但是同样大小的传热面积可以采用不同的构造尺寸，另外，结构 尺寸也影响热计算的过程。而校核性热计算则是针对现成的中冷器，它的目的在于确定流体的 出口温度并了解该热交换器在非设计工况下的性能变化，判断能否完成在非设计工况f 的热交 换任务。 无论是设计性热计算还是校核性热计算，所采用的基本关系式有两个，即传热方程式和热 平衡方程式， 传热方程式q = 尺f f ，= k f f ( t 1 却，t l f ，t 2 ，* ，t 2 f ) ( 3 1 ) 热平衡方程式q = w i ( t l ，。w t l ，加) = 畋( f 2 ，。，一t 2 。) ( 3 。2 ) 从此可知在热计算共有七个基本量，即( k f ) ，w t ，w 2 ，t l , i nf 1 。，f 2 f 2 。， 这七个量中，必须事先给出五个才能进行计算，采用平均温差法或传热单元数法都可得到相同 的结果，但在解题时的具体步骤却有所不同。 本节先介绍常用的两种传热分析方法然后完成研究课题中的设计计算任务 3 1 对数平均温差法( l m t d 法) 和传热单元数法( n t u 法) 热交换器的热力学设计中，我们常用到两种方法：对数平均温差法( i j i i t d 法) 和传热单元数 法( n t u 法) 。这两种方法各有自己的特点。在l m t d 法中，计算总传热效率的公式为： q = j 口( 3 3 ) 式中：q 传热鼙，( j ) k 总传热系数，w ( m 2 k 1 a 总传热面积，( 莳) f 修j j i 系数，无量纲 4 中国农业大学硕士学位论文 第三章中冷器的设计计算 t lr r 一按纯逆流布置方式计算两流体之间的对数平均温差 其中，f 在传热器是逆流布置时候等于1 。而