1、970045 車(chē)用柴油機(jī)氣-氣中冷器數(shù)學(xué)模型及應(yīng)用 李國(guó)祥*顧宏中 ( 上海交通大學(xué)) 劉云崗陸辰陸家祥 ( 山東工業(yè)大學(xué)) 摘要 本文針對(duì)車(chē)用柴油機(jī)普遍采用的“ 管帶式” 結(jié)構(gòu)中冷器, 利用計(jì)算與試驗(yàn)相結(jié)合的方法總結(jié)出 了中冷器冷卻效率和阻力系數(shù)與柴油機(jī)工作參數(shù)相關(guān)聯(lián)的中冷器數(shù)學(xué)模型, 數(shù)學(xué)模型反映的關(guān)系 與試驗(yàn)結(jié)果取得了良好的吻合, 應(yīng)用該模型于增壓中冷柴油機(jī)工作過(guò)程模擬計(jì)算也獲得了較好的 效果。 關(guān)鍵詞: 車(chē)用柴油機(jī), 中冷器, 數(shù)學(xué)模型 Air-to- Air Intercooler Mathematical Model for Vehicle Diesels and Its Appl

2、ication Li GuoxiangGu Hongzhong (Shanghai Jiao T ong U niversity) Liu YungangLu ChenLu Jiaxiang (Shandong University of Technology) Abstract In connection with the tube-band type intercoolers widely adopted by vehicle diesels,the rela- tion between engine running parameters and intercooler cooling e

3、fficiency and resistance coefficient is detected through simulating calculation and experimental test. An air-to-air intercooler model, which connects intercooler cooling efficiency and resistance coefficient with turbo-charge pressure ratio,intake air mass flow,environment temperature and pressure,

4、is presented.It has a good co- incidence with the experimental result. And the simulating calculation results of turbocharge-in- tercooling engine is also satisfied when it is used. Key words: Vehicle diesel engine, Intercooler, Mathematical model 符號(hào)說(shuō)明 T 溫度, K; ? 密度, kg/ m3; n 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速, r/ min; K 傳熱系數(shù),

5、 kJ/ ( m2?) ; 原稿收到日期為1995-10-08, 修改稿收到日期為 1996-07-17。 * 中國(guó)、 上海, 郵編 200030。 第 15卷( 1997)第 3 期 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào) Transactions of CSICEVol. 15(1997) No. 3 FH 熱氣側(cè)通流面積, m 2; L 流程, m; Cmin 冷熱 兩側(cè)熱容 量較小者, kJ / ( s ?) ; u 流速, m/ s; G 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量, kg/ s; ?adk 壓氣機(jī)絕熱效率; NT U 傳熱單元數(shù); F 傳熱面積, m2; f 摩擦因子; D 水力直徑, m; p 壓力, kPa。 下標(biāo):

6、 k 中冷器入口( 壓氣機(jī)出口) 參 數(shù); B 柴油機(jī)標(biāo)定工況下的參數(shù); 0 冷風(fēng)側(cè)入口( 環(huán)境) 參數(shù); s 中冷器出口參數(shù); b 標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀態(tài)下的參數(shù)。 引言 由于采用模擬計(jì)算的手段研究增壓中冷柴油機(jī)這樣的復(fù)雜問(wèn)題可使其優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā) 揮, 因而模擬計(jì)算已成為增壓中冷柴油機(jī)研究中較多采用的手段 1, 2。 目前, 增壓柴油機(jī)的模 擬計(jì)算工作已相對(duì)較為成熟, 對(duì)增壓中冷柴油機(jī), 只要在這個(gè)基礎(chǔ)上加入合理的中冷器數(shù)學(xué) 模型即可實(shí)現(xiàn)增壓中冷柴油機(jī)工作過(guò)程的模擬計(jì)算。然而至今對(duì)中冷器的處理一般都是將 其視為一簡(jiǎn)單的降溫節(jié)流元件, 利用柴油機(jī)標(biāo)定工況所選定的參數(shù)算出冷卻效率 ?c和阻力 系數(shù) ? r

7、, 作為變工況的參數(shù)使用, 這種處理很難令人滿(mǎn)意。 文獻(xiàn) 1 提出了一個(gè)由中冷器熱平 衡計(jì)算推出的數(shù)學(xué)模型, 文獻(xiàn) 2 則將中冷器熱計(jì)算的方程組移入柴油機(jī)模擬計(jì)算過(guò)程中去 作為中冷器數(shù)學(xué)模型, 兩種方法均能較好地解決中冷器對(duì)柴油機(jī)工作參數(shù)的影響, 為增壓中 冷柴油機(jī)的準(zhǔn)確模擬提供了依據(jù)。本文提出了將中冷器參數(shù)與柴油機(jī)工況參數(shù)相關(guān)聯(lián)的中 冷器數(shù)學(xué)模型, 并經(jīng)過(guò)了試驗(yàn)和計(jì)算的驗(yàn)證。 1數(shù)學(xué)模型的建立 在增壓中冷柴油機(jī)模擬計(jì)算中, 中冷器作為其中一部件, 其對(duì)柴油機(jī)工作過(guò)程的影響是 通過(guò)冷卻效率和阻力系數(shù)兩個(gè)參數(shù)引入的 1。冷卻效率 ? c及阻力系數(shù) ?r定義為 ?c= ( Tk- Ts) / (

8、Tk- T0)( 1) ?r= ( pk- ps) / ( G2/ ( ?k3?FH 2) ( 2) 只要確定了冷卻效率?c及阻力系數(shù)?r, 那么對(duì)于給定的中冷器入口參數(shù), 其出口參數(shù)即 可確定。 因此, 中冷器數(shù)學(xué)模型應(yīng)反映冷卻效率和阻力系數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)之間的關(guān)系。 1. 1 相關(guān)參數(shù)的選擇 若中冷器結(jié)構(gòu)一定, 影響其冷卻效率和阻力系數(shù)的因素為 熱氣側(cè): 入口溫度 T11, 壓力 p11, 流量 G1; 冷氣側(cè): 入口溫度 T21, 壓力 p21及流量 G2; 中冷器入口與增壓器壓氣機(jī)出口相聯(lián), 則: T11= Tk, p11= pk, G1= G, G 為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量; 328 內(nèi)燃機(jī)

9、學(xué)報(bào)第 15 卷第 3 期 冷風(fēng)由冷卻風(fēng)扇從環(huán)境中抽吸空氣形成, 風(fēng)扇由曲軸驅(qū)動(dòng), 其轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n成正 比。 當(dāng)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)參數(shù)選定, 中冷器結(jié)構(gòu)、 位置確定后, 冷風(fēng)流量是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù), 故: T21= T0, p21= p0, G2= f ( n) 可見(jiàn)與中冷器數(shù)學(xué)模型相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)應(yīng)為: Tk, pk, G, p0, T0, n。 又 1 : Tk= T0 k- 1 k k- 1 1 ?adk + T0( 3) 式中: k= pk/ p0, 對(duì)于給定的增壓器, 在環(huán)境溫度和壓力已知時(shí), Tk和 pk二者相互關(guān)聯(lián)。 可以證明, 柴油機(jī)工作參數(shù) pk, G, n 三者相互關(guān)聯(lián),

10、已知其二, 則第 3 項(xiàng)可定 4 。 鑒于上述分析, 可以從前述 6個(gè)相關(guān)參數(shù)中取 pk( k) , G, p0, T04項(xiàng)即可, 而且所選的 4 個(gè)參數(shù)均為獨(dú)立變量。 1. 2計(jì)算方法 中冷器冷卻效率和阻力系數(shù)與所選定的 4 個(gè)柴油機(jī)工作參數(shù)之間的關(guān)系, 是利用文獻(xiàn) 3 提出的分步效率-單元數(shù)法, 通過(guò)對(duì)“ 管帶式” 結(jié)構(gòu)中冷器進(jìn)行熱力過(guò)程模擬計(jì)算的方法 總結(jié)出來(lái)的。需說(shuō)明的是: ( 1) “ 管帶式” 結(jié)構(gòu)中冷器, 其熱氣側(cè)為型材流管, 冷風(fēng)側(cè)為波紋翅片, 材質(zhì)為全鋁, 具有 結(jié)構(gòu)緊湊、 工藝性好、 可靠性高和成本低易清洗等特點(diǎn), 是目前我國(guó)車(chē)用柴油機(jī)中冷器普遍 采用的形式。 ( 2) 車(chē)

11、用柴油機(jī)中冷器一般安裝于水箱前, 位于車(chē)頭迎風(fēng)處, 由于目前我國(guó)車(chē)用柴油機(jī) 增壓中冷機(jī)型多為載重卡車(chē), 功率范圍較窄和受安裝位置限制, 其尺寸差別較小( 如表 1) , 故本文的結(jié)果對(duì)目前國(guó)內(nèi)車(chē)用柴油機(jī)增壓中冷機(jī)型普遍適用。 表 1國(guó)內(nèi)部分車(chē)用柴油機(jī)中冷器型式及尺寸 機(jī)型及廠家中冷器型式芯子尺寸( 長(zhǎng)寬高) 玉柴 D6112管帶式70060056 上柴 D6114管帶式70060063 濰柴 Style WD615. 67管帶式72062045 濟(jì)南汽發(fā) 6130ZL Q管帶式72060056 由于實(shí)際中冷器通道內(nèi)進(jìn)出口溫度相差較大, 溫差引起的密度變化使得流速沿程變化, 管內(nèi)流動(dòng)狀況與充分發(fā)

12、展流假設(shè)差別較大; 方管四周壁面溫度的明顯差別以及進(jìn)出口間較 大溫差引起氣流物性的不可忽視的變化等因素, 都使我們有充分的理由懷疑分步效率-單元 數(shù)法計(jì)算過(guò)程中, 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的準(zhǔn)確性。為使分步效率-單元數(shù)法能夠更確切地反映實(shí)際 中冷器內(nèi)的傳熱過(guò)程, 作者通過(guò)對(duì)一中冷器模型的實(shí)測(cè)對(duì)這一算法進(jìn)行了修正 4 。 通過(guò)在傳 熱單元數(shù)和壓力損失計(jì)算式中引入修正系數(shù) !和 ( ! 、 為常數(shù)) : NT U = !K ?FH Cmin ( 4) #p = f L D u2 ? ( 5) 使用經(jīng)修正后的分步效率 -單元數(shù)法計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果取得了較好的吻合。 1. 3 數(shù)學(xué)模型的建立 329 1997年

13、 7月李國(guó)祥等: 車(chē)用柴油機(jī)氣-氣中冷器數(shù)學(xué)模型及應(yīng)用 利用上述修正分步效率-單元數(shù)法, 作者通過(guò)模擬計(jì)算考察了 pk, G, p0, T0等各參數(shù)單 獨(dú)變化的這種理想條件下中冷器冷卻效率和阻力系數(shù)隨之變化的規(guī)律, 計(jì)算過(guò)程如下: 1. 輸入中冷器結(jié)構(gòu)參數(shù)及相關(guān)柴油機(jī)工況參數(shù); 2. 確定發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻空氣流量; 3. 利用分步效率 -單元數(shù)法計(jì)算中冷器出口參數(shù); 4. 計(jì)算中冷器冷卻效率和阻力系數(shù); 5. 判斷參數(shù)改變工作是否完成, 沒(méi)完成則改變相應(yīng)參數(shù)返回, 完成則繼續(xù)下一步; 6. 回歸總結(jié)冷卻效率和阻力系數(shù)與柴油機(jī)工作參數(shù)相關(guān)聯(lián)的關(guān)系式。 計(jì)算過(guò)程作以下說(shuō)明: ( 1) 各參量的范圍: k

14、= 1. 4 2. 4; p0/ pb= 0. 6 1. 1; G/ GB= 0. 5 1. 2; T0/ Tb= 0. 89 1. 107( T0= 263 K 323 K) ( 2) 壓氣機(jī)出口溫度 Tk是根據(jù)選定增壓壓力由式( 3) 計(jì)算而得, 式( 3) 中壓氣機(jī)絕熱效 率 ?adk值由所選定的 k、 G 根據(jù)事先輸入計(jì)算機(jī)的壓氣機(jī)特性曲線查取。 ( 3) 冷風(fēng)流量 G2與各參數(shù)的關(guān)系為 G2= G2B( kB/ k) a( G/ G B) b; G 2= G2b Tbp0 T0pb ( 6) ( 4) 由于所選 4 個(gè)相關(guān)參數(shù)可視為獨(dú)立變量, 因此在回歸分析時(shí)可先對(duì)每個(gè)參數(shù)單獨(dú) 變化

15、的結(jié)果按指數(shù)規(guī)律進(jìn)行回歸總結(jié), 最后再按: Y = C 4 j= 1 X nj j( 7) 總結(jié)出中冷器冷卻效率和阻力系數(shù)與柴油機(jī)工作參數(shù)之間的關(guān)系式。 其中, 每個(gè)參數(shù)變化時(shí) 的回歸分析中, 相關(guān)系數(shù)均高于 0. 98。 由此獲得中冷器冷卻效率與阻力系數(shù)和柴油機(jī)工作系數(shù)相關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)模型: ?c= 0. 8720 - 0. 23 k G GB - 0. 1 T0 Tb - 0. 19 p0 pb - 0. 30 ( 8) ?r= 0. 2406 2. 01 k G GB - 2. 07 T0 Tb - 1. 13 p0 pb - 2. 23 ( 9) 圖 1試驗(yàn)臺(tái)架布置 壓力測(cè)點(diǎn) 溫度測(cè)點(diǎn) 2

16、試驗(yàn)驗(yàn)證 為驗(yàn)證中冷器數(shù)學(xué)模型的適 應(yīng) 性, 作 者 在 圖 1 所 示 的 6130ZLQ 柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上, 進(jìn) 行了測(cè)試試驗(yàn)。由于臺(tái)架試驗(yàn)時(shí) 發(fā)動(dòng)機(jī)不帶風(fēng)扇, 為模擬中冷器 實(shí)際冷卻條件, 采用了一變頻調(diào) 速儀控制冷卻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。具體作 法是: 試驗(yàn)前, 先在外特性預(yù)計(jì)進(jìn) 行測(cè)試的幾個(gè)轉(zhuǎn)速下, 由柴油機(jī)選配的冷卻風(fēng)扇參數(shù), 及散熱器和中冷器的風(fēng)阻大小, 確定 各測(cè)點(diǎn)的冷風(fēng)流量; 然后根據(jù)冷卻風(fēng)機(jī)的參數(shù)及中冷器風(fēng)阻大小, 確定在上述各對(duì)應(yīng)流量下 330 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)第 15 卷第 3 期 的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速, 試驗(yàn)開(kāi)始后, 在各測(cè)試工況下, 調(diào)節(jié)變頻調(diào)速儀, 使用光電轉(zhuǎn)速表測(cè)定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn) 速, 使其等于預(yù)

17、定值, 待工況穩(wěn)定后進(jìn)行有關(guān)參數(shù)的測(cè)量。 圖 2 為由數(shù)學(xué)模型表示的關(guān)系計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比, 其中數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果是 以實(shí)測(cè) pk, G, p0, T0等代入( 8) 、 ( 9) 兩式計(jì)算而得中冷器冷卻效率和阻力系數(shù), 并由此求出 ( a) 冷卻效率變化情況( b) 壓力損失變化情況 圖 2數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)照 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 由數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果 圖 3模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)照 試驗(yàn)結(jié)果-模擬計(jì)算結(jié)果 壓力損失; 實(shí)測(cè)結(jié)果是根據(jù)實(shí)測(cè)中冷器進(jìn)出口溫 度由式( 1) 求出冷卻效率, 由實(shí)測(cè)進(jìn)出口壓力獲 得壓力損失?？梢?jiàn), 兩種結(jié)果在變化趨勢(shì)上完全 一致, 其中冷卻效率最大相差 2.

18、0% , 平均相差 1. 2%, 壓 力損失 最大 相差 4. 4%, 平 均相 差 2. 1%, 取得了良好的吻合。 3數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用 將上述模型植入增壓柴油機(jī)工作模擬計(jì)算 程序中, 即可實(shí)現(xiàn)增壓中冷柴油機(jī)工作過(guò)程模 擬。作者選用了國(guó)際內(nèi)燃機(jī)會(huì)議推薦的 CIMAC 程序, 該程序沒(méi)有考慮氣-氣中冷器的方式, 作者 將式( 8) 和式( 9) 表示的中冷器模型加入, 并輸入 6130ZLQ 柴油機(jī)相關(guān)參數(shù), 對(duì)增壓中冷柴油機(jī) 工作過(guò)程進(jìn)行了模擬計(jì)算。 圖 3 為模擬計(jì)算結(jié)果 和臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)照, 可見(jiàn), 兩者同樣獲得 了相當(dāng)好的吻合。 331 1997年 7月李國(guó)祥等: 車(chē)用柴油機(jī)氣-氣中冷器數(shù)學(xué)模型及應(yīng)用 4結(jié)論 本文提出的中冷器數(shù)學(xué)模型將中冷器冷卻效率和阻力系數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)相關(guān)聯(lián), 可直觀反映中冷器參數(shù)與柴油機(jī)工況間的關(guān)系, 且與試驗(yàn)結(jié)果取得了非常好的吻合, 應(yīng)用其 進(jìn)行增壓中冷柴油機(jī)工作過(guò)程模擬計(jì)算也獲得了較好的效果。 參考文獻(xiàn)