基于catia的f09渦輪增壓發(fā)動機(jī)中冷器設(shè)計

1、<p><b>　　摘 要1</b></p><p>　　Abstract2</p><p><b>　　1、前言3</b></p><p><b>　　2、緒論4</b></p><p><b>　　2、1汽車歷史4</b><

2、/p><p>　　2、2中冷器簡介5</p><p>　　2、2、1中冷器背景5</p><p>　　2、2、2中冷器的作用7</p><p>　　2、2、3中冷器的分類8</p><p><b>　　3、設(shè)計分析10</b></p><p>　　3.1設(shè)計任務(wù)分析

3、10</p><p>　　3、2 理論分析12</p><p>　　4、中冷器設(shè)計17</p><p>　　4、1 預(yù)備計算17</p><p>　　4、2結(jié)構(gòu)計算18</p><p>　　4.3 熱力計算20</p><p>　　4.4 阻力計算23</p><

4、;p><b>　　4、結(jié)論26</b></p><p>　　致 謝27</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)28</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，渦輪增壓系統(tǒng)開始應(yīng)用的越來越廣泛。中冷器作為渦輪增

5、壓系統(tǒng)的重要部件也得到了很大的發(fā)展。中冷器的形式有很多，管帶式是在二十世紀(jì)八十年代末九十年代初期開始得到重視和研究的一種新型高效的中冷器。但是，由于管帶式中冷器的發(fā)展時間還不長，自今尚無成熟的設(shè)計和計算理論。因為中冷器也屬于換熱器的一種，其區(qū)別在于中冷器的內(nèi)部壓力大，要求換熱過程的壓力降小，一般情況都是我們都是按照換熱器理論來進(jìn)行設(shè)計和計算的。</p><p>　　本文主要式對管帶式空-空中冷器進(jìn)行設(shè)計和計算。首

6、先對渦輪增壓系統(tǒng)和中冷器進(jìn)行簡單介紹，主要介紹了中冷器出現(xiàn)的背景、作用和分類；然后，根據(jù)設(shè)計要求，進(jìn)行設(shè)計分析和理論準(zhǔn)備；最后，對中冷器進(jìn)行結(jié)構(gòu)、熱力、阻力的計算。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】：管帶式空-空中冷器，設(shè)計分析，結(jié)構(gòu)，阻力，計算</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the deve

7、lopment of automobile industry, turbocharged system began to use more and more widely. charge air cooler system is the important as parts also got very big development. The form has a lot for charge air cooler, introduce

8、s the type is in the late 1980s in the early 1990s began to get attention and research of a new efficient charge air cooler. However, due to the development of introduces type charge air cooler is not long time. from tod

9、ay, there is no mature theory on the design and</p><p>　　This paper mainly introduces type of direct charge air cooler on design and calculation. First to turbocharged system and charge air cooler implement

10、simple introduction, mainly introduced the background, the function and classification of charge air cooler. Then, according to the design requirements, design and analysis and theoretical ready. Finally, the charge air

11、cooler structure, heat, resistance calculation.</p><p>　　【Key words】：direct charge air cooler, design analysis, structure, resistance, calculation</p><p><b>　　1、前言</b></p><

12、;p>　　隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車工業(yè)也發(fā)生著日新月異的變化。現(xiàn)在，人們對汽車的要求越來越高，在高速舒適的同時，也追求經(jīng)濟(jì)環(huán)保。中冷器的出現(xiàn)正是在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生的。</p><p>　　中冷器一般只有在安裝了渦輪增壓的車才能看到。因為中冷器實際上是渦輪增壓的配套件，其作用在于提高發(fā)動機(jī)的換氣效率。 對于增壓發(fā)動機(jī)來說，中冷器是增壓系統(tǒng)的重要組成部件。無論是機(jī)械增壓發(fā)動機(jī)還是渦輪增壓發(fā)動機(jī)，都需要在增壓器與

13、發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管之間安裝中冷器。</p><p>　　渦輪增壓的發(fā)動機(jī)為何會比普通發(fā)動機(jī)擁有更大的動力，其中原因之一就是其換氣的效率比一般發(fā)動機(jī)的自然進(jìn)氣更高。當(dāng)空氣進(jìn)入渦輪增壓后其溫度會大幅升高，密度也相應(yīng)變小，而中冷器正是起到冷卻空氣的作用，高溫空氣經(jīng)過中冷器的冷卻，再進(jìn)入發(fā)動機(jī)中。如果缺少中冷器而讓增壓后的高溫空氣直接進(jìn)入發(fā)動機(jī)，則會因空氣溫度過高導(dǎo)致發(fā)動機(jī)損壞甚至死火的現(xiàn)象。</p><

14、p>　　0.9L長安之星2將安裝中置渦輪增壓發(fā)動機(jī)，本次設(shè)計的主要目的就是設(shè)計適用于0.9L長安之星2的中冷器。</p><p><b>　　2、緒論</b></p><p><b>　　2、1汽車歷史</b></p><p>　　車的誕生，車的發(fā)展，在歷史的長河中給我們留下了點點滴滴。汽車自上個世紀(jì)末誕生以來，已經(jīng)

15、走過了風(fēng)風(fēng)雨雨的一百多年。從卡爾.本茨造出的第一輛三輪汽車以每小時18公里的速度，跑到現(xiàn)在，竟然誕生了從速度為零到加速到100公里/小時只需要三秒鐘多一點的超級跑車。這一百年，汽車發(fā)展的速度是如此驚人！同時，汽車工業(yè)也造就了多位巨人，他們一手創(chuàng)建了通用、福特、豐田、本田這樣一些在各國經(jīng)濟(jì)中舉足輕重的著名公司。這篇資寫著許多有趣的故事，在中國已經(jīng)成為世界五大汽車強(qiáng)國之際，讓我們一起來回望汽車的發(fā)展歷史，體會汽車給我們帶來的種種歡樂與夢想…

16、…</p><p>　　汽車在改變我們的生活，它在帶給我們極大便利的同時，的確也帶來了一些煩惱。但是，生活就是這樣，對任何生活方式的評價都是相對的，沒有絕對的好與壞。這是一種觀念，一種態(tài)度，更是一種文化。</p><p>　　1890-1920馬車過渡到汽車，金屬車身出現(xiàn)。1885年，德國工程師卡爾·本茨制成了世界上第一輛三輪車，并于1886年1月29日申請并獲得了發(fā)明專利，所以

17、，1886年1月29日被認(rèn)為汽車的誕生日。幾乎同時，德國工程師戈特利布·戴姆勒也成功研制成一輛公認(rèn)的以內(nèi)燃機(jī)為動力的四輪汽車。1894年奔馳velo是最早的量產(chǎn)汽車。材料方面,1900年，金屬車身獲得專利，但主體結(jié)構(gòu)仍是木材和連接（以前是這個“他”）它們的鋼材。二十世紀(jì)初，JOHN PIERPONT MORGAN創(chuàng)建了美國鋼鐵公司，為迅速成長的汽車工業(yè)提供充足原料，1914年Edward G budd 發(fā)明了全金屬車身。同年道

18、奇公司生產(chǎn)了第一輛全金屬汽車。1918年意大利藍(lán)旗亞公司也開始生產(chǎn)全金屬汽車。非承載式車身向承載式車身轉(zhuǎn)變，汽車不再是底盤和車身的簡單疊加，而是成為整體。技術(shù)方面，1890年panhard levassor公司(法國)制造的第一批汽車為后來汽車設(shè)定了很多標(biāo)準(zhǔn)并沿用至今。如前置發(fā)動機(jī)后輪驅(qū)動布局和最早的變速器。1904年panhard levassor又對汽車布局做出了注解，包括發(fā)動機(jī)艙罩的身高和乘客座位的降低等</p>&

19、lt;p>　　汽車的發(fā)展主要簡歷了以下幾個階段：</p><p>　　1、1920年-1950年 哈利·厄爾時代</p><p>　　2、1930年-1950年 流線型與船型車身</p><p>　　3、1940年-1960年 國民車</p><p>　　4、1970年-1990年 平面直角和多元化</p>&l

20、t;p>　　5、1990年-present 分裂的時代</p><p><b>　　2、2中冷器簡介</b></p><p>　　2、2、1中冷器背景</p><p>　　隨著汽車的迅速發(fā)展，人們對汽車動力性和節(jié)能環(huán)保的要求越來越高。渦輪增壓系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。渦輪增壓的主要作用就是提高發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量，從而提高發(fā)動機(jī)的功率和扭矩，讓車子更有勁。一

21、臺發(fā)動機(jī)裝上渦輪增壓器后，其最大功率與未裝增壓器的時候相比可以增加40%甚至更高。這樣也就意味著同樣一臺的發(fā)動機(jī)在經(jīng)過增壓之后能夠產(chǎn)生更大的功率。就拿我們最常見的1.8T渦輪增壓發(fā)動機(jī)來說，經(jīng)過增壓之后，動力可以達(dá)到2.4L發(fā)動機(jī)的水平，但是耗油量卻比1.8發(fā)動機(jī)并不高多少，在另外一個層面上來說就是提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低尾氣排放。不過在經(jīng)過了增壓之后，發(fā)動機(jī)在工作時候的壓力和溫度都大大升高，因此發(fā)動機(jī)壽命會比同樣排量沒有經(jīng)過增壓的發(fā)動機(jī)要

22、短，而且機(jī)械性能、潤滑性能都會受到影響，這樣也在一定程度上限制了渦輪增壓技術(shù)在發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用。增壓類型有4種，機(jī)械增壓系統(tǒng)、氣波增壓系統(tǒng)、廢氣渦輪增壓系統(tǒng)、復(fù)合增壓系統(tǒng)；其中廢氣渦輪增壓系統(tǒng)最為常見。如圖2.2.1所示，</p><p>　　圖2.2.1渦輪增壓 圖2.2.2渦輪增壓工作原理</p><p>　　增壓器與發(fā)動機(jī)無任何機(jī)械聯(lián)系，實際上是一種空氣壓縮機(jī)，通過

23、壓縮空氣來增加進(jìn)氣量。它是利用發(fā)動機(jī)排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進(jìn)入氣缸。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增快，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進(jìn)入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應(yīng)增加燃料量就可以增加發(fā)動機(jī)的輸出功率。一般而言，加裝廢氣渦輪增壓器后的發(fā)動機(jī)功率及扭矩要增大20%—30%。但是廢氣渦輪增壓器技術(shù)也有其必須注意的地方，那就是泵輪

24、和渦輪由一根軸相連，也就是轉(zhuǎn)子，發(fā)動機(jī)排出的廢氣驅(qū)動泵輪，泵輪帶動渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪轉(zhuǎn)動后給進(jìn)氣系統(tǒng)增壓。增壓器安裝在發(fā)動機(jī)的排氣一側(cè)，所以增壓器的工作溫度很高，而且增壓器在工作時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速非常高，可達(dá)到每分鐘十幾萬轉(zhuǎn)，如此高的轉(zhuǎn)速和溫度使得常見的機(jī)械滾針或滾珠軸承無法為轉(zhuǎn)子工作，因此渦輪增壓器普遍采用全浮動軸承，由機(jī)油來進(jìn)行潤滑，還有冷卻液為增壓器進(jìn)行冷卻。渦輪增壓工作原理如圖2.2.2。紅色為高溫廢氣，藍(lán)色為新鮮空氣。</p>

25、;<p>　　圖2.2.3 渦輪增壓工作簡圖</p><p>　　渦輪增壓的工作過程如圖2.2.3所示，圖中紅色的為高溫廢氣，藍(lán)色為新鮮空氣。CAC指中冷器，1為增壓進(jìn)氣口，2為增壓出氣口（中冷器進(jìn)氣口），3中冷器出氣口。紅色的高溫高壓氣體帶動渦輪高速旋轉(zhuǎn)，這種高速旋轉(zhuǎn)通過軸傳遞給另一渦輪旋轉(zhuǎn)，對空氣進(jìn)行壓縮，增壓的新鮮空氣經(jīng)過中冷器進(jìn)行冷卻，最后通入氣缸做功。</p><p&

26、gt;　　中冷器是增壓系統(tǒng)的一部分。當(dāng)空氣被高比例壓縮后會產(chǎn)很高的生熱量，從而使空氣膨脹密度降低，而同時也會使發(fā)動機(jī)溫度過高造成損壞。為了得到更高的容積效率，需要在注入汽缸之前對高溫空氣進(jìn)行冷卻。這就需要加裝一個散熱器，原理類似于水箱散熱器，將高溫高壓空氣分散到許多細(xì)小的管道里，而管道外有常溫空氣高速流過，從而達(dá)到降溫目的（可以將氣體溫度從150℃降到50℃左右）。由于這個散熱器位于發(fā)動機(jī)和渦輪增壓器之間，所以又稱作中間冷卻器，簡稱中冷

27、器。因為中</p><p>　　冷器實際上是渦輪增壓的配套件，其作用在于提高發(fā)動機(jī)的換氣效率。 對于增壓發(fā)動機(jī)來說，中冷器是增壓系統(tǒng)的重要組成部件。無論是機(jī)械增壓發(fā)動機(jī)還是渦輪增壓發(fā)動機(jī)，都需要在增壓器與發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管之間安裝中冷器。下面以渦輪增壓發(fā)動機(jī)為例，對中冷器進(jìn)行簡紹。如圖2.3所示，　渦輪增壓的發(fā)動機(jī)為何會比普通發(fā)動機(jī)擁有更大的動力，其中原因之一就是其換氣的效率比一般發(fā)動機(jī)的自然進(jìn)氣更高。當(dāng)空氣進(jìn)入渦輪

28、增壓后其溫度會大幅升高，密度也相應(yīng)變小，而中冷器正是起到冷卻空氣的作用，高溫空氣經(jīng)過中冷器的冷卻，再進(jìn)入發(fā)動機(jī)中。如果缺少中冷器而讓增壓后的高溫空氣直接進(jìn)入發(fā)動機(jī)，則會因空氣溫度過高導(dǎo)致發(fā)動機(jī)損壞甚至死火的現(xiàn)象。</p><p>　　圖2.2.5 柴油機(jī)中冷器</p><p>　　2、2、2中冷器的作用</p><p>　　中冷器的作用是降低發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣溫度。那么

29、為什么要降低進(jìn)氣溫度呢？ 　　 </p><p>　?。ǎ保┌l(fā)動機(jī)排出的廢氣的溫度非常高，通過增壓器的熱傳導(dǎo)會提高進(jìn)氣的溫度。而且，空氣在被壓縮的過程中密度會升高，這必然也會導(dǎo)致空氣溫度的升高，從而影響發(fā)動機(jī)的充氣效率。如果想要進(jìn)一步提高充氣效率，就要降低進(jìn)氣溫度。有數(shù)據(jù)表明，在相同的空燃比條件下，增壓空氣的溫度每下降10℃，發(fā)動機(jī)功率就能提高３％～５％。 　</p><p>　?。ǎ玻┤?/p>

30、果未經(jīng)冷卻的增壓空氣進(jìn)入燃燒室，除了會影響發(fā)動機(jī)的充氣效率外，還很容易導(dǎo)致發(fā)動機(jī)燃燒溫度過高，造成爆震等故障，而且會增加發(fā)動機(jī)廢氣中的NOX的含量，造成空氣污染。 　　</p><p>　　為了解決增壓后的空氣升溫造成的不利影響，因此需要加裝中冷器來降低進(jìn)氣溫度。</p><p>　　使用設(shè)計良好的中冷器可以額外多獲得5%-10%的動力。 　　</p><p>　　

31、也有一些車子使用頂置中冷器，通過發(fā)動機(jī)蓋上的開孔來獲得冷卻空氣，所以在車子起步之前，中冷器只會受到一些從發(fā)動機(jī)艙吹來的熱風(fēng)的吹拂，雖然散熱效率受到了影響，不過因為進(jìn)氣溫度在這樣的情況下會升高，所以發(fā)動機(jī)的油耗會下降不少，這樣也間接降低了發(fā)動機(jī)的工作效率，但是對于功率強(qiáng)勁的增壓車來說，過大的動力導(dǎo)致的起步不穩(wěn)反而會在這種情況下緩解，Subaru斯巴魯?shù)腎mpreza車系就是頂置中冷器的典型。除此之外，頂置中冷器布局最大的優(yōu)勢還在于可以有效

32、的縮短壓縮氣體到達(dá)發(fā)動機(jī)的行程。</p><p>　　2、2、3中冷器的分類</p><p>　　中冷器的作用是降低發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣溫度。一般由鋁合金材料制成。按照冷卻介質(zhì)的不同，常見的中冷器可以分為風(fēng)冷式和水冷式2種。</p><p>　?。?）風(fēng)冷式 利用外界空氣對通過中冷器的空氣進(jìn)行冷卻。優(yōu)點是整個冷卻系統(tǒng)的組成部件少，結(jié)構(gòu)比水冷式中冷器相對簡單。缺點是冷卻效率比

33、水冷式中冷器低，一般需要較長的連接管路，空氣通過阻力較大。風(fēng)冷式中冷器因其結(jié)構(gòu)簡單和制造成本低而得到了廣泛應(yīng)用，大部分渦輪增壓發(fā)動機(jī)使用的都是風(fēng)冷式中冷器，例如華泰特拉卡TCI越野車和一汽－大眾寶來1．8T轎車搭載的發(fā)動機(jī)都使用了風(fēng)冷式中冷器。 </p><p>　　圖2.2.5 空-空中冷器分類</p><p>　　2）水冷式 利用循環(huán)冷卻水對通過中冷器的空氣進(jìn)行冷卻。優(yōu)點是冷卻效率較

34、高，而且安裝位置比較靈活，無需使用很長的連接管路，使得整個進(jìn)氣管路更加順暢。缺點是需要1個與發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)相對獨(dú)立的循環(huán)水系統(tǒng)與之配合，因此整個系統(tǒng)的組成部件較多，制造成本較高，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。水冷式中冷器的應(yīng)用比較少，一般用在發(fā)動機(jī)中置或后置的車輛上，以及大排量發(fā)動機(jī)上，例如奔馳S400 CDI轎車和奧迪A8 TDI轎車搭載的發(fā)動機(jī)都使用了水冷式中冷器。</p><p>　　圖2.2.6水-空中冷器工作原理<

35、;/p><p>　　圖2.2.7 汽車柴油機(jī)水-空中冷器</p><p><b>　　3、設(shè)計分析</b></p><p><b>　　3.1設(shè)計任務(wù)分析</b></p><p>　　具體設(shè)計要求和條件：</p><p><b>　　1.輸入?yún)?shù)：</b>&

36、lt;/p><p><b>　　2.冷卻類型：風(fēng)冷</b></p><p>　　3.最大外形參數(shù)(mm)：620×180×100</p><p>　　4.熱側(cè)入口壓力：253.25KPa</p><p>　　5.內(nèi)側(cè)流阻≤15KPa；空氣側(cè)流阻≤1KPa</p><p>　　0.9

37、L長安之星2將安裝中置渦輪增壓發(fā)動機(jī)，所以需要設(shè)計中冷器。因此本設(shè)計任務(wù)要求完成0.9L渦輪增壓發(fā)動機(jī)中冷器設(shè)計。</p><p>　　首先要確定中冷器在乘用車的布置位置：</p><p>　　圖3.1.1 中冷器在乘用車的位置</p><p>　　如圖3.1.1所示，中冷器在乘用車的布置位置有6種，其布置位置的不同，對中冷器的性能都有不同的影響，對其結(jié)構(gòu)也有不同的

38、要求，本次設(shè)計的是發(fā)動機(jī)中置面包車的中冷器，根據(jù)車型的要求，選擇將中冷器布置為散熱器前緊湊式。這樣布置的優(yōu)勢是，節(jié)省了布置空間，與散熱器共用風(fēng)扇，降低了成本，方便維修和保養(yǎng)。</p><p>　　中冷器設(shè)計要求。1、為取得滿意的中冷效果，要求中冷器在發(fā)動機(jī)多種工作條件下供給相對恒定的進(jìn)氣溫度。對中冷器而言，由于發(fā)動機(jī)在大進(jìn)氣流量的負(fù)荷條件下設(shè)計，要獲得足夠低的溫度，在低進(jìn)氣量下更為困難，因此中冷器應(yīng)按滿負(fù)荷條件下

39、設(shè)計。一般我們用最大功率點的條件去設(shè)計，用最大扭矩點條件去校核。一般情況下，在最大功率點由于進(jìn)氣流量大，中冷器內(nèi)部壓力降容易超標(biāo)；在最大扭矩點，由于冷風(fēng)流量較小，中冷器散熱性能難以達(dá)到要求。2、為得到中冷后發(fā)動機(jī)需要的最大溫度降，中冷器的工作特性應(yīng)根據(jù)發(fā)動機(jī)和渦輪增壓器給定的工作點來確定。一般情況下，中冷后的溫度相對于環(huán)境溫度應(yīng)不高于15℃到25℃。3、應(yīng)使中冷器增壓側(cè)壓力降盡可能低，中冷器增壓側(cè)壓力降過大，將抵消溫度下降的效果。4、盡

40、可能降低冷卻空氣側(cè)壓力降。5、盡可能采用高效低阻散熱原件，可以提高單位散熱單元的散熱能力，從而達(dá)到用最小的體積，最經(jīng)濟(jì)的方法設(shè)計制造出滿足發(fā)動機(jī)要求的中冷器。6、盡可能吧空空中冷器的容積設(shè)計得小一點。增壓器壓氣機(jī)到進(jìn)氣歧管的容積和阻力兩者的增加對發(fā)動機(jī)加速反應(yīng)有著不良的影響。</p><p>　　中冷器氣室設(shè)計要求：中冷器氣室設(shè)計的好壞的標(biāo)準(zhǔn)是能否使空氣均勻地流過芯子，以及氣流流過氣室的阻力要小。在氣室設(shè)計比較合

41、理的情況下，通過氣室的壓力降要占整個中冷器壓力降的60％左右，而僅有40％的壓力降是芯子產(chǎn)生的。因此中冷系統(tǒng)壓力降的減少是氣室優(yōu)化設(shè)計所必須考慮的。具體要求有以下幾點：1、選擇合適的氣室口直徑。氣室口直徑的大小應(yīng)根據(jù)中冷器的進(jìn)氣流量而定，而不是等同于增壓器出口直徑。2、盡量減少90°彎頭，一個直角彎管的阻力相當(dāng)于3個120°彎管的阻力。3、氣室口與氣室體交接處的設(shè)計非常關(guān)鍵，應(yīng)適當(dāng)加大流道截面，應(yīng)盡量光滑過渡。4、所

42、有氣室內(nèi)外表面都應(yīng)光滑過渡，有條件的話還應(yīng)該做一下氣室的流場分析。</p><p>　　中冷器設(shè)計必須要了解影響中冷器性能的因素。主要有以下一些：</p><p>　　1、車臉的開孔率，理想的開孔率為70%—80%。轎車和輕卡課適當(dāng)降低為60%。如果把開孔率降低30%，冷卻能力相差20%，沸騰空氣溫度相差10℃。2、與中冷器串聯(lián)在一起的冷卻器組的冷側(cè)風(fēng)阻太大。他們之間的裝配縫隙太大。3、風(fēng)

43、扇設(shè)計風(fēng)量偏小。風(fēng)扇與散熱器太近，風(fēng)扇同時產(chǎn)生軸向和頸項氣流。兩個方向的氣流發(fā)生相互干擾而使風(fēng)量減少。當(dāng)不使用護(hù)風(fēng)圈時，風(fēng)扇與散熱器的距離越小越好，約為25—30mm；使用護(hù)風(fēng)圈時，風(fēng)扇與散熱器距離遠(yuǎn)就可得到較高的效率，該距離一般為127—228.6mm。4、風(fēng)扇與發(fā)動機(jī)的距離的下限為100mm。5、風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)罩間隙設(shè)定不合理，載重車的風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)罩間隙越小越好，一般為20mm，此時風(fēng)量可達(dá)到93%，如果改進(jìn)風(fēng)罩的安裝方法，可使間隙小道2

44、mm；轎車的風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)罩間隙卻不能太小。6、風(fēng)扇與風(fēng)罩的相對位置不合理，風(fēng)扇伸入護(hù)風(fēng)圈的長度一般為葉片弦長的2/3—3/3，其中離心式風(fēng)扇伸入2/3為極限，而軸流式風(fēng)扇可伸入3/3。7、發(fā)動機(jī)擋風(fēng)的附件盡量不安裝在風(fēng)扇通道的后方，注意避免通過冷卻器組的氣流回流及過分不均勻。導(dǎo)致中冷器壓力下降的因素：發(fā)動機(jī)進(jìn)出氣管彎曲太多，流道太長；進(jìn)</p><p><b>　　3、2 理論分析 </b>&

45、lt;/p><p>　　圖3.1.1 增壓過程</p><p>　　由圖3.2.1可知，中冷器安裝在增壓器與發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣歧管之間，對進(jìn)氣進(jìn)行冷卻的裝置，所以與散熱器的作用原理基本相同。此次設(shè)計我們采用的是管帶式中冷器，以下是管帶式中冷器的理論介紹：</p><p>　　管帶式中冷器是由多條鋁合金材料的圓管經(jīng)擠壓而成的扁管，同時把紊流片焊接到扁管內(nèi)部，把帶狀鋁箔翅片加入

46、管子之間，施加一定的壓力，最后將翅片與管整體釬焊而成的。由它的結(jié)構(gòu)可以明顯看出，在管帶式中冷器當(dāng)中，管內(nèi)的流體從進(jìn)口進(jìn)去以后一直到出口為止，中間一直在扁管內(nèi)流動，因此管內(nèi)的流體的溫度是連續(xù)的逐步降低的。而在翅片側(cè)，空氣通過每一個管間時，它的入口溫度都是相同的，但是由于管內(nèi)流體的溫度是從進(jìn)口到出口連續(xù)逐步降低的，因此流經(jīng)管間每一段的換熱量是不同的，導(dǎo)致各層的空氣出口溫度也是變化的，其整體變化趨勢是沿管內(nèi)流體的進(jìn)口到出口方向呈逐漸減低，以靠

47、近管內(nèi)流體進(jìn)口的一層空氣的出口溫度最高，而空氣出口溫度最低的是在管內(nèi)流體出口的那一層。</p><p>　　因為管帶式中冷器的這種結(jié)構(gòu)特點，所以若對它的熱力計算采取整體進(jìn)出口的算法是不恰當(dāng)?shù)?，因為管?nèi)的流體沿著管道在每一段同空氣交換熱量，但是相對于每一段的管道來說，管道內(nèi)流體的進(jìn)口溫度也是持續(xù)的發(fā)生變化的。由于這個原因，若在設(shè)計和計算中采取整體的、平均的計算方法，會導(dǎo)致同實際的換熱情況發(fā)生很大的偏差。由于管內(nèi)流體

48、的溫度沿管道進(jìn)口到出口的方向，是連續(xù)的逐步的降低的，而空氣側(cè)的進(jìn)口溫度始終保持為一定的值，這使得管道兩側(cè)的流體的溫差也沿這個方向逐步降低。溫差的減小，使得中冷器的換熱效果變差，換熱效率降低。 </p><p>　　從以上的分析中可知，若對管帶式中冷器的熱力計算采用整體的算法，會導(dǎo)致計算出來的中冷器的總換熱量比實際的大，也就是說計算出的中冷器的換熱效率會比實際的值要更大，從而使得若使用該設(shè)計出的管帶式中冷器，管內(nèi)流

49、體的出口溫度將會比計算的值要高，而空氣的平均出口溫度則會比計算的值要低。由這些分析可以知道，在管帶式中冷器的設(shè)計計算中，不適合采用整體的計算方法，那會造成較大的偏差，使得設(shè)計的理論計算結(jié)果和實際的值不相一致。</p><p>　　圖3.2.2管帶式中冷器</p><p>　　同時，也因為管帶式中冷器的這種結(jié)構(gòu)特點，如若在熱力計算中采用平均溫差的方法，會使得計算相當(dāng)復(fù)雜，在沒有相關(guān)工具或者計

50、算軟件的情況下，不建議使用這種方法進(jìn)行計算。</p><p>　　鑒于中冷器的精確計算較為復(fù)雜，所以作了以下的幾個假設(shè) </p><p>　　1) 假設(shè)管內(nèi)的空氣從進(jìn)口到出口始終為氣態(tài)，也就是在管內(nèi)流動的整個過程中沒有發(fā)生相變。由于車輛發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)在正常工作情況下，管內(nèi)流體的溫度一般為五十多度至一百多度，因此這種假設(shè)在一定允許誤差范圍內(nèi)是成立的。 </p><p&

51、gt;　　2) 假設(shè)冷側(cè)流動的空氣為干空氣，也就是空氣中不含有水蒸氣的成分，這樣在換熱過程中就不用考慮水蒸氣的影響，可以使計算得到簡化。由于各地的環(huán)境不同，空氣的濕度也會有相當(dāng)大的變化和不同，即使是在一個地方，不同時間時空氣的狀態(tài)和成分也是不同的。而且，若空氣為濕空氣，它的熱容比干空氣要大。所以，在計算時采用這種假設(shè)也是合理的。</p><p>　　圖3.2.3 幾種中冷器出口溫度、速度、時間對比</p

52、><p>　　圖3.2.3是幾種中冷器的出口溫度與速度、時間圖，該圖形象的反應(yīng)了風(fēng)冷式（包括全覆蓋式和緊湊式）和水冷式中冷器的工作狀態(tài)，從圖中我們可以看出，在低中速（V≤100km/h）時，緊湊式中冷器的效果相當(dāng)好，短時間內(nèi)，中冷器的出口溫度在30度到40度之間，而全覆蓋式和水冷式的冷卻效果相當(dāng)，緊湊式冷卻效果比全覆蓋式和水冷式好。隨著時間的推移，緊湊式中冷器出口溫度迅速上升，并在V=150km/h左右，出口溫度得到

53、最大值70℃左右；隨后隨著速度時間的增加，中冷器的出口溫度呈緩慢下降的趨勢。全覆蓋式中冷器與緊湊式中冷器的變化規(guī)律基本相同，區(qū)別在于上升溫度緩慢且出口溫度較緊湊式低，所以全覆蓋式中冷器的性能更加穩(wěn)定可靠。水冷式中冷器隨著速度時間的增加，出口溫度呈緩慢增加的趨勢，較風(fēng)冷式中冷器性能更加穩(wěn)定，過程容易控制，冷卻效果更好。經(jīng)過分析可知，水冷式中冷器的性能是最好的，但水冷式中冷器的制造成本也是最高的，它需要獨(dú)立的冷卻循環(huán)系統(tǒng)；較風(fēng)冷式中冷器結(jié)構(gòu)

54、復(fù)雜，精度要求更高，開發(fā)難度大，而且其優(yōu)越的性能在高速時更能體現(xiàn)。我們所設(shè)計的是面包車的中冷器，要求成本低，制造容易，所以我們選擇緊湊式中冷器作為此次設(shè)計</p><p>　　中冷器增壓過程必然會引起溫度和壓力的變化，其變化如圖3.2.4所示，1-2是實際壓縮過程，1-2*是理想壓縮過程；通過比較這兩個過程我們可以看到理想狀態(tài)下，我們希望壓力增加到一定的程度時，其溫度能盡量低些，但實際的情況是隨著壓力的增加，其溫

55、度增加的值比預(yù)期的高。2-3是實際經(jīng)過中冷器進(jìn)行冷卻的過程，2*-3*是理想狀態(tài)下經(jīng)過中冷器冷卻的過程；通過比較這兩個過程我們可以看出，理想狀態(tài)下我們希望能將經(jīng)過壓縮的高溫氣體降到壓縮前的溫度25℃，但實際經(jīng)過中冷器得到的氣體是無法降低到壓縮前的狀態(tài)的，在經(jīng)過實際的將溫過程時，得到的出口溫度是在50℃左右。</p><p>　　圖3.2.4 中冷器壓力-溫度變化</p><p>　　同時

56、，在本課題的設(shè)計和計算過程中，使用了下面的這些分析和方法：</p><p>　　1) 將管帶式中冷器劃分成連續(xù)的一層一層，按其每一層分別進(jìn)行計算，每一層的出口溫度為下一層管道流體的進(jìn)口溫度，而流量則是相同的；空氣側(cè)的進(jìn)口溫度都相同，而流量則按平均值計算。在每一層當(dāng)中，認(rèn)為管內(nèi)的流體是充分混合的，也就是不考慮管內(nèi)流體的橫向的能量交換，同時等效的把一層當(dāng)中的溫度變化看做是在層與層的連接處瞬時的發(fā)生的。而在翅片側(cè)，認(rèn)

57、為流經(jīng)每一個開窗的空氣的溫度只沿它的流動方向發(fā)生變化，也就是認(rèn)為雖然空氣是不混合的，但是翅片間的空氣不發(fā)生熱量交換。</p><p>　　2) 在管帶式中冷器的設(shè)計計算當(dāng)中，對中冷器每一層管路的換熱計算使用的計算方法是η -NTU 法，這種計算方法對于中冷器兩側(cè)的流體，只需要知道它們各自的入口溫度和熱容量，不需要太多其它的元素，因此計算過程相對比較簡單，計算量也不會特別的大。在管道進(jìn)口和出口那兩層管路，由于只與

58、流經(jīng)一個開窗的空氣發(fā)生能量交換，因此等效的認(rèn)為同這兩層管內(nèi)流體交換熱量的空氣的流量都分別為總體平均值的一半大小。而在中間各層的管道中的流體，它與流經(jīng)該層管道上、下兩個表面的空氣都發(fā)生了能量交換，因此它的換熱面積為上、下兩個換熱面的總和，上、下兩個換熱面的空氣流量都為平均值的一半大小，所以，等效的認(rèn)為同中間各層的管內(nèi)流體交換能量的空氣流量大小為總體的平均值的大小，而換熱面積則為一個換熱面的大小。</p><p>　

59、　3) 對于論文中涉及計算的四種不同的翅片形式，分別為平直型翅片、百葉窗型翅片、鋸齒型翅片和波紋型翅片，對它們的計算也采用了不同的方法。對于翅片為平直型翅片，由于已經(jīng)有針對這種翅片形式的成熟的理論，因此直接通過已有的理論直接計算它的換熱系數(shù)，然后計算整個的換熱情況。對于其它三種翅片，由于型面比較復(fù)雜，影響換熱的因素特別的多，至今還沒有一個成熟的、完整的計算理論，大都是通過實驗來測定，然后在根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合出經(jīng)驗公式進(jìn)行計算。由于后三種

60、翅片的換熱比較復(fù)雜，因此一般都是先計算出它的換熱因子 j，然后根據(jù)換熱因子 j換熱系數(shù)之間的關(guān)系式子，進(jìn)一步計算出它的換熱系數(shù)。對于后面三種形式的翅片，采用的計算方法和設(shè)計計算過程大部分都是相同的，只是具體的地方有一些區(qū)別。</p><p>　　4) 在每一種翅片形式的管帶式中冷器的整個計算過程中，使用了試湊的方法來進(jìn)行計算，也就是先選定某一種形式和規(guī)格的翅片，然后假設(shè)一組管帶式中冷器的外形尺寸參數(shù)，根據(jù)這些數(shù)

61、據(jù)以及冷、熱側(cè)流體的物性參數(shù)和進(jìn)出口溫度和流動阻力的要求進(jìn)行計算，如果不能滿足設(shè)計的要求，則修改某一個外形參數(shù)或者某幾個外形參數(shù)，直到最后的結(jié)果滿足了設(shè)計的要求。</p><p>　　5) 對于冷、熱側(cè)的流體的物性參數(shù)，是先根據(jù)設(shè)計要求的熱側(cè)進(jìn)、出口溫度，計算出總的換熱量和空氣側(cè)的平均出口溫度，然后分別求出冷、熱側(cè)的平均溫度，取相應(yīng)的物性參數(shù)的值。然后在中冷器的每一層當(dāng)中，逐層的對中冷器的換熱進(jìn)行計算，得出每一

62、層上的冷、熱側(cè)的出口溫度，又根據(jù)這一層上冷、熱側(cè)的具體溫度，計算這一層上的冷、熱側(cè)的流體的平均溫度，查表得到該層的冷、熱側(cè)的流體的物性參數(shù)。</p><p>　　還有一點需要注意，由于是設(shè)計計算，因此最后計算出來的總換熱量應(yīng)當(dāng)比實際要求的要大一定的量，這樣可以保留一定的余地，保證設(shè)計出的中冷器實際工作時不會輕 易超過負(fù)荷運(yùn)行，既滿足工作換熱的要求，同時也可以延長中冷器的使用壽命。</p><p

63、>　　在中冷器的阻力計算當(dāng)中，論文中只給出了翅片側(cè)的流動阻力計算，這是因為管內(nèi)流體為水，對阻力不敏感，同時它是用泵驅(qū)動的，因此論文中沒有給出水側(cè)的流動阻力的計算。而對于翅片側(cè)的空氣，由于它對阻力相當(dāng)敏感，而且這一側(cè)的流動型面比較復(fù)雜，對換熱的影響也相當(dāng)?shù)拇?，所以對空氣的流動阻力進(jìn)行了計算和校核。</p><p>　　在翅片側(cè)的空氣流動阻力的計算當(dāng)中，使用的溫度分別為空氣側(cè)的平均進(jìn)口溫度和出口溫度。由于沒有找

64、到有關(guān)與管帶式中冷器的阻力計算的相關(guān)資料，因此論文中使用了板翅式中冷器的流動阻力的計算式，當(dāng)然，在計算中使用的翅片側(cè)的摩擦因子 f 都是針對各種翅片而不同的。另外，由于管帶式中冷器不帶有端蓋，因此在阻力計算中都略去了這一項，只包括了進(jìn)口阻力、出口阻力和流道阻力三項。</p><p><b>　　4、中冷器設(shè)計</b></p><p>　　本次中冷器的設(shè)計主要包括預(yù)備計

65、算、結(jié)構(gòu)計算、熱力計算、和阻力計算四部分。</p><p><b>　　4、1 預(yù)備計算</b></p><p>　　由于熱側(cè)的進(jìn)出口條件已知，因此中冷器的理論總換熱量為：</p><p>　　Q=G1CP1(t1′-t1″)</p><p>　　=0.084×1.009×（120-50）</p

66、><p><b>　　=5.933kw</b></p><p>　　則，空氣側(cè)的平均出口溫度應(yīng)為：</p><p>　　1800m2/h=1800×1.29/3600=0.645kg/s</p><p>　　t2″=t2′+Q/G2CP2</p><p>　　=40+5.933/(0.645

67、×1.005)</p><p><b>　　=49.153℃</b></p><p><b>　　求平均溫度：</b></p><p>　　t1m=（t1′+t1″）/2=(120+50)/2=85℃</p><p>　　t2m=（t2′+t2″）/2=(49.153+40)=44.577

68、℃</p><p>　　根據(jù)平均溫度分別求得熱側(cè)的水和冷側(cè)的空氣的物性參數(shù)如表4.1.1所示</p><p>　　表4.1.1 冷熱空氣的物性參數(shù)</p><p><b>　　4、2結(jié)構(gòu)計算</b></p><p>　　根據(jù)對中冷器換熱量等方面的要求，初步確定管帶式中冷器的熱側(cè)扁管尺寸和冷側(cè)翅片尺寸分別如表 4.2.1

69、 和表 4.2.2所示：</p><p>　　表 4.2.1 熱側(cè)扁管尺寸</p><p>　　波紋型翅片的外形尺寸為：</p><p>　　表 4.2.2 冷側(cè)翅片尺寸</p><p>　　注：為增大散熱面積，在中冷器的扁管中一般安裝有內(nèi)翅片（內(nèi)置紊流片）。為方便計算，取內(nèi)翅片，波高為4.5mm，其余外形尺寸與冷側(cè)翅片相同。</

70、p><p><b>　　中冷器高度：</b></p><p>　　H=nh+(n+1)S2</p><p><b>　　=6×9＋10×8</b></p><p><b>　　=134mm</b></p><p><b>　　翅

71、片高度：</b></p><p><b>　　L2=S2/2</b></p><p><b>　　=4mm</b></p><p><b>　　流道當(dāng)量直徑：</b></p><p>　　de1=1.412mm</p><p>　　de2=2

72、.423mm</p><p><b>　　翅片面積比:</b></p><p><b>　　傳熱面積比：</b></p><p><b>　　流動面積：</b></p><p><b>　　迎風(fēng)面積：</b></p><p><

73、;b>　　熱側(cè)孔度：</b></p><p><b>　　一次傳熱面積：</b></p><p><b>　　扁管體積：</b></p><p><b>　　兩扁管之間得體積：</b></p><p><b>　　二次傳熱面積：</b>&

74、lt;/p><p><b>　　4.3 熱力計算</b></p><p><b>　　質(zhì)量流速：</b></p><p><b>　　雷諾數(shù)：</b></p><p><b>　　普朗特數(shù)：</b></p><p><b>　

75、　換熱系數(shù) </b></p><p>　　由雷諾數(shù)可知，冷熱側(cè)流體均屬于過渡流狀態(tài),則： </p><p>　　1) 對于管內(nèi)流體，由于不考慮管內(nèi)的相變，也就是假設(shè)管內(nèi)始終為氣態(tài)，所以對于波紋型翅片，使用的式參考資料（3）中的經(jīng)驗公式（1），首先計算出它的換熱因子j，然后再根據(jù)換熱因子和換熱系數(shù)之間的關(guān)系式就算出空氣側(cè)的換熱系數(shù)</p><p>　　2

76、對于管外波紋型翅片，使用的式參考資料（3）中的經(jīng)驗公式（1），首先計算出它的換熱因子j，然后再根據(jù)換熱因子和換熱系數(shù)之間的關(guān)系式就算出空氣側(cè)的換熱系數(shù)</p><p><b>　　翅片參數(shù)：</b></p><p><b>　　總有效傳熱面積：</b></p><p><b>　　兩側(cè)總的傳熱面積：</b&

77、gt;</p><p><b>　　兩側(cè)傳熱效率：</b></p><p><b>　　管壁熱阻：</b></p><p>　　對于氣-氣中冷器，污垢熱阻很小，所以忽略中冷器的污垢熱阻，則有：</p><p>　　因為當(dāng)以熱流體側(cè)的總傳熱面積F1為基準(zhǔn)時，對應(yīng)的系數(shù)為:</p><

78、;p><b>　　傳熱單元數(shù)：</b></p><p>　　兩流體各自非混合的叉流中冷器效率，此處按德雷克近似關(guān)系式：</p><p><b>　　中冷器總效率：</b></p><p><b>　　中冷器的傳熱量：</b></p><p><b>　　流體的出

79、口溫度：</b></p><p>　　從以上計算可以看出，計算值與假設(shè)值相當(dāng)接近，故認(rèn)為上面的Q、、即為所求的解。</p><p><b>　　4.4 阻力計算</b></p><p><b>　　1、熱側(cè)阻力計算：</b></p><p><b>　　假設(shè)，則</b&

80、gt;</p><p>　　由于，得，查參考資料（2）中的圖3-12，得</p><p><b>　　，</b></p><p>　　對于波紋型翅片，由參考資料（3）中的式2和3，得摩擦因子</p><p>　　由此可以看到，扁管內(nèi)阻力△P1低于設(shè)計要求的15000Pa，故設(shè)計達(dá)到要求。</p><p

81、><b>　　2、冷側(cè)阻力計算：</b></p><p><b>　　假設(shè)，則</b></p><p>　　由于，得，查參考資料（2）中的圖3-12，得</p><p><b>　　，</b></p><p>　　對于波紋型翅片，由參考資料（3）中的式2和3，得摩擦因子&

82、lt;/p><p>　　由此可以看到，翅片側(cè)的空氣流動阻力△P2低于設(shè)計要求的1000Pa，故設(shè)計達(dá)到要求。</p><p>　　綜合前面的熱力計算，以及阻力計算，可以得出該設(shè)計滿足要求，該翅片形式為波紋型翅片的管帶式中冷器可以實現(xiàn)設(shè)計對換熱量的要求，并且該中冷器的空氣側(cè)阻力在設(shè)計允許的范圍之內(nèi)，完成設(shè)計。</p><p><b>　　4、結(jié)論</b&g

83、t;</p><p>　　經(jīng)過以上的計算，我們可以確定中冷器的結(jié)構(gòu)型式及使用工況：</p><p>　　表4.1 中冷器結(jié)構(gòu)型式及使用工況</p><p>　　本畢業(yè)設(shè)計課題是對管帶式中冷器進(jìn)行設(shè)計計算，由于中冷器的設(shè)計計算沒有成熟的理論，所以設(shè)計計算都是按照換熱器進(jìn)行的。經(jīng)過兩個月的投入和老師的指導(dǎo)，最后很好的完成了畢業(yè)設(shè)計的課題任務(wù)，達(dá)到了預(yù)期的目的。<

84、;/p><p>　　總的來說，該畢業(yè)設(shè)計的課題有著很多的意義，不單單是完成了一些中冷器的設(shè)計和計算。通過畢業(yè)設(shè)計的整個過程，使我學(xué)習(xí)到了比這些更多的東西，我們將課本學(xué)到的知識和在公司學(xué)到的知識進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，對以前從未接觸的中冷器進(jìn)行設(shè)計計算，使們對四年本科所學(xué)的知識有一個很好的回顧和對新的知識進(jìn)行了學(xué)習(xí)理解，更使我了解了對一項工作，該如何著手、如何準(zhǔn)備、如何一步步的分析并最終把它完成。總之，畢業(yè)設(shè)計即將全部結(jié)束，本

85、科四年的大學(xué)生活也即將結(jié)束，但是這一切它對以后的生活、學(xué)習(xí)和工作的意義永遠(yuǎn)都在。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] M.W.凱斯，A.L.倫敦. 緊湊式熱交換器[M]. 北京：科學(xué)出版社，1997：176-178，207，209，214.</p><p>　　[2] 余建祖. 換熱器設(shè)計[M]. 北京：北

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