基于全新集成式進(jìn)氣管-歧管-中間冷卻器解決方案的案例

    渦輪增壓器和中間冷卻器在大多數(shù)活塞發(fā)動機(jī)中，進(jìn)氣是通過活塞向下行程造成壓力下降從而將空氣吸入氣缸的。渦輪增壓器和超級增壓器通過在空氣進(jìn)入進(jìn)氣歧管前壓縮空氣，迫使更多空氣進(jìn)入氣缸，讓每個發(fā)動機(jī)循環(huán)產(chǎn)生更大功率，從而達(dá)到提升內(nèi)燃機(jī)性能和效率的目的。但是在渦輪增壓器壓縮空氣的同時，空氣溫度也會上升，導(dǎo)致能夠壓入氣缸的空氣密度減少和空氣質(zhì)量受限。這樣進(jìn)而會影響燃燒能力。高進(jìn)氣溫度還會增大提前點(diǎn)火或爆震的風(fēng)險，可能給發(fā)動機(jī)造成嚴(yán)重?fù)p壞。多年來最先進(jìn)的渦輪增壓和超增壓發(fā)動機(jī)（例如賽車使用的發(fā)動機(jī)），已經(jīng)采用中間冷卻器來去除空氣壓縮密度加大后產(chǎn)生的熱量。最常見的中間冷卻器是空氣-空氣中間冷卻器，其使用大氣來降低進(jìn)氣溫度。這種類型的中間冷卻器相對簡單便宜，但其效率受到所接觸的環(huán)境空氣的量及溫度限制。

圖1 將空氣-水中間冷卻器與空氣歧管集成，能明顯降低成本和重量

    空氣-水中間冷卻器使用水從空氣中吸取熱量，能顯著提升性能。但是空水中間冷卻器過去很少用在成批生產(chǎn)型車輛上，因為這種中間冷卻器需要泵、散熱器、液體和管道，會顯著增加車輛的成本和重量。汽車設(shè)計的一大新趨勢是使用更輕便、更緊湊、更低成本的空水中間冷卻器，因為這種中間冷卻器能夠集成到進(jìn)氣歧管中。但是要高效集成中間冷卻器和進(jìn)氣歧管頗有難度。進(jìn)氣和冷卻水必須沿集成式進(jìn)氣管—歧管—中間冷卻器流動，這樣才能保持高水平的熱交換，從而在保持低氣溫的同時最大限度地減輕造成發(fā)動機(jī)效率下降的壓力損耗。瑪涅蒂瑪瑞利公司工程師使用ANSYS計算流體動力學(xué)(CFD)軟件優(yōu)化新型集成式進(jìn)氣管—歧管—中間冷卻器的性能，所用時間僅為以往仿真方法所需的一小部分。

為復(fù)雜系統(tǒng)建模

    使用常規(guī)的構(gòu)建測試方法反復(fù)設(shè)計這種復(fù)雜系統(tǒng)成本高昂且非常耗時，因為涉及大量的設(shè)計參數(shù)，而且物理測試采集到的信息量有限。另一方面由于其復(fù)雜的內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)，該產(chǎn)品會帶來巨大的仿真難題。其幾何結(jié)構(gòu)包含眾多微型波道，用于讓空氣沿彎折路徑穿越中間冷卻器，以盡量把熱量傳遞到周圍的液體中去。準(zhǔn)確地捕獲上述這些關(guān)鍵變量（速度、壓力和溫度等）可能發(fā)生突變的區(qū)域中的流體行為，一般要求通過生成膨脹（邊界）層的方法來加密網(wǎng)格。過去瑪涅蒂瑪瑞利公司的工程師在這些應(yīng)用中使用混合網(wǎng)格法，在邊界層中布置六面體單元，在剩余流體體積中使用計算強(qiáng)度較低的四面體單元。

    但在本例中考慮到波道幾何結(jié)構(gòu)極高的復(fù)雜性，要創(chuàng)建優(yōu)質(zhì)的混合網(wǎng)格需要較長的求解時間，即便借助大量計算資源也是如此。

    由于通過產(chǎn)生湍流來提高熱傳遞的流阻存在，六面體主導(dǎo)的網(wǎng)格不可行。即便是忽略流阻，把微通道假定為不規(guī)則四邊形橫截面的常規(guī)流通道來進(jìn)行網(wǎng)格剖分，也會產(chǎn)生非常多的單元數(shù)量和不均勻的網(wǎng)格密度，導(dǎo)致較長的求解時間。

多物理場仿真

    Magneti Marelli工程師在ANSYS CFX中通過使用定向損耗模型解決了這一問題，該模型基于針對多孔介質(zhì)中流體流動的Darcy動量損耗公式。使用該模型，工程師能夠結(jié)合Darcy法則求解給定域中Navier-Stokes公式的廣義形態(tài)，這種形態(tài)考慮了介質(zhì)的體積空隙率并使用Darcy法則表達(dá)壓力差。工程師運(yùn)行仿真并將結(jié)果與物理測試比較。然后他們調(diào)整用于控制中間冷卻器在仿真中的孔隙率水平的線性和二次損耗系數(shù)，以與用物理實驗測得的跨中間冷卻器的空氣壓力損耗匹配。在校準(zhǔn)模型后，它與物理測量密切相關(guān)，同時所用時間比模擬進(jìn)氣管—歧管—中間冷卻器完整幾何結(jié)構(gòu)所需的求解時間要少得多。該仿真提供的設(shè)計備選方案的性能估算比以往的手工計算要精確得多?；诓灰?guī)則四邊形單元的CFD模型需要三天求解時間，而基于Darcy法則的模型單元數(shù)量減少1,200萬個，只用一天即可完成求解。

圖2 中間冷卻器中的微小波道給分析帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)

圖3 較傳統(tǒng)的方法采用不規(guī)則四邊形橫截面來網(wǎng)格化波道，會導(dǎo)致求解時間過長

    借助經(jīng)過驗證的模型，Magneti Marelli工程師評估了眾多設(shè)計參數(shù)對中間冷卻器的熱交換和兩端壓差的影響。他們還將壓力場導(dǎo)出到ANSYS Mechanical，進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真以評估結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在設(shè)計流程的各個階段，工程師 使用ANSYS DesignXplorer迅速完成整個設(shè)計空間的迭代， 找出最符合指定設(shè)計目標(biāo)的參數(shù)值。該團(tuán)隊現(xiàn)在使用仿真研究數(shù)種其他復(fù)雜現(xiàn)象，例如空氣進(jìn)氣歧管內(nèi)側(cè)的凝結(jié)效應(yīng)以及當(dāng)起動電機(jī)啟動發(fā)動機(jī)時進(jìn)氣系統(tǒng)中發(fā)生的水錘效應(yīng)。

    在設(shè)計流程中盡早使用仿真，通過在較早階段實現(xiàn)以往無法企及的設(shè)計優(yōu)化，大幅節(jié)省了時間和成本。該公司預(yù)計與此前使用的設(shè)計方法相比，他們既能實現(xiàn)更高性能，還能減少所需的原型迭代次數(shù)。當(dāng)前設(shè)計顯著增強(qiáng)了中間冷卻器的熱交換能力，與之前的中間冷卻器設(shè)計相比將出口溫度降低了8%，從而提高了發(fā)動機(jī)的性能。新設(shè)計還通過降低總體壓力損耗，將燃油經(jīng)濟(jì)性提升5%。該項目還在繼續(xù)進(jìn)行，工程師目前重點(diǎn)優(yōu)化的是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性。Magneti Marelli的集成式進(jìn)氣道-歧管-中間冷卻器技術(shù)已得到主要汽車制造商的積極響應(yīng)，并正在將這種新設(shè)計應(yīng)用到即將問世的車型上。