发动机热管理系统中涡轮增压器散热器设计与优化

宇文涛 康璐

摘  要：涡轮增压器是发动机热管理系统重要组成部分，需要对其进行具体研究，以探析在发动机热管理系统当中，涡轮增压器的应用与发展趋势。对此，本文将着重阐释发动机热管理系统中涡轮增压器的工作原理，并具体讨论发动机热管理系统中涡轮增压器散热器的设计与优化。

关键词：发动机热管理系统；涡轮增压器；散热器；设计与优化

一、涡轮增压器散热器工作原理与特性

（一）涡轮增压器的作用与工作原理

发动机热管理系统中涡轮增压器主要由涡轮增压器和中冷器组成。其中涡轮增压器的结构包括涡轮、压气机、中间体、密封环、轴承/壳体等零部件。其工作原理是利用发动机气缸内燃烧产生的废气推动涡轮旋转，然后涡轮带动压气机叶轮旋转，把空气压入气缸，最高转速可达每分钟三十多万转。当空气被高比例压缩后会产生很高的热量，为了得到更高的容积效率，需要在废气注入气缸之前使高温空气进入中冷器中进行冷却。涡轮增压器通常可以分为三种类型:径向流型、轴向流型和混合流型，以适应不同的涡轮类型。涡轮增压器主要由压气机和涡轮组成。涡轮部件主要由涡轮机匣、喷嘴环和单级径向涡轮组成，它们是驱动压气机转动的能量来源。压气机部分主要由单层径向压气机、无翼扩压器和压气机匣组成。与水轮机主轴的连接采用焊接结构，压气机叶轮以动通道的形式安装在水轮机轴上，并将螺母压下。涡轮轴与压气机叶轮动态单比对准确，保证高速正常运行。压缩机转子轴承系统为内轴承型。压缩机通过压力润滑，并添加专用过滤器。润滑油从专用滤清器输送到中间机壳润滑系统，然后通过注油管直接流入发动机的油底壳。涡轮端与压气机安装有活塞环结构密封装置，压气机端也安装有油箔，防止润滑油和气体泄漏。涡轮增压器的主要固定部件是涡轮外壳、压气机外壳和中间外壳。

（二）散热器的工作原理分析

现阶段投入使用的涡轮增压器散热器可以快速高效地将散发热量，但结构复杂或者未有效降低空气侧的传热热阻。因此，本次设计的涡轮增压器散热器结构需要满足成本低、结构简单、易加工、安装方便、稳定性好，安装难度小、空气侧传热热阻低等要求。在涡轮增压器存在散热技术问题条件下，其不仅会诱导基本工作效率显著降低，引致涡轮增压器内部存储的数据信息资料发生灭失问题，甚至还有可能引致发生较为严重的人身伤害结果。涡轮增压器内部自身具备的散热空间相对狭小，各界民众通常会选择并且配置使用外在散热器技术组件推进实现具体化的散热技术处理过程。从目前已经获取的技术性调查数据可以知晓，散热器技术组件是涡轮增压器产品在选择购置外在散热器技术组件过程中的主流选择。但是在具体使用过程中，散热器技术组件风扇结构组成部分在执行吹风技术动作过程中所处的空间位置相对固定，其无法直接针对涡轮增压器的散热孔技术结构和高热区展开吹风处置，且散热器技术组件目前不具备能够提供低温状态的技术装置，客观上引致风扇技术结构无法吹出冷风，影响限制涡轮增压器在具体使用过程中的总体性散热技术效果获取状态。

二、散热器设计与优化方法

     发动机热管理系统中涡轮增压器散热器设计的主要步骤包含选择散热物质类型，流量与流向，明确设备材料和散热器结构设计等等。当前常用散热器包括风冷式、水冷式以及热管散热器，不同散热标准要基于具体状况选择适当的散热器种类。通常涡轮增压器散热形式包含两种，即主动散热法与被动散热法。合理的散热方式是直接影响散热器质量、性能与成本的主要因素。散热主要方式有几种。

（一）自然散热

     自然散热是被动式散热的一种，适用在小功率涡轮增压器中，涡轮增压器运行时，表面温度必定会上升，在其温度高于周边自然温度时，就会利用空气对流换热的形式向周边环境传递热量，此种无需辅助设施的散热就是自然散热。此种设计简便、成本低、无噪音，便于后期维护。此种方式容易受周边环境的影响，在空气流通慢时，散热会略差。所以，自然散热只可用在散热标准较低的涡轮增压器与不便运用其余散热方法的状况下。

（二）强迫空气散热

      此种方式是主动是散热，运用空气对流换热原理，利用涡轮增压器让空气通过外来按设定目标元件运行，吸走元件热量。按照涡轮增压器的工作原理可以分成抽风式散热与送风式散热，对均匀散热的设备看运用抽风式，不均匀散热可使用送风式。此种散热方式设计简单、作用明显，被广泛运用在涡轮增压器散热当中，其散热指标比自然散热要高出两倍。可是空气比热容小、噪声大，并且涡轮增压器启动停止对于设备会产生电磁干扰。为强化此种方式的效果，可运用提升空气对流量、增强空气与散热器表面接触的形式，提升对流换热要求。散热器优化设计方式包含，在散热器加入肋片、提高空气流速、运用射流模式等，空气射流可能把散热性能提高近10倍。

（三）相变散热

自然界物质分成三种相态，即固态、气态与液态。在物质相态出现变化时，会放热或吸热。相变散热有几个特性，相变问题与其需要的涡轮增压器工作温度相似；周边环境温度与涡轮增压器温度要分别在相变温度两边；在此过程中，材料温度通常不会产生变化，相变散热能够运用在太阳能与航空领域。由于热管半径较小，管中具有毛细力，液体在凝固位置送到蒸发位置，充分施展散热作用。热管换热时无需借助外力，无噪声、无污染，散热良好、散热介质无需常更换，这让其在涡轮增压器散热领域具有一定的发展空间。可是其也具有相应的问题，对原料、内部洁净度、生产技术具有很高的标准，维修难度高，工作范畴小，如若超过限定就会损坏。

三、发动机热管理系统中的应用与效果

涡轮增压器其内部空间较小尺寸微小，为了在基板上以光刻或蚀刻的形式进行加工，冷却流体通过散热器进行对流传热以去除热量。如果在涡轮增压器中增加额外的翅片，将大大增加传热面积，从而提高散热效率。目前，相关领域对单层微通道散热器进行了广泛的研究，单层微通道散热器在涡轮增压器中的应用具有良好的散热性，有效降低电子器件温度，实现均匀散热。然而，双层通道散热器尚处于研究初期，技术尚不成熟。由于其体积小，多组散热器的计算公式和原理不适用于该散热器。目前，对这类散热器的研究并不完善，还存在许多问题。然而，这种类型的散热器具有良好的性能，特别是在涡轮增压器的应用中，具有较大的发展前景。

为保证发动机热管理系统的正常使用，建议将设备运行记录与散热器的设计值进行比对。操作人员应每日将水(油)的温度和压力值记录在散热器的机器操作记录簿上。如果温度或压力值与设计值的偏差超出范围，应引起注意，分析偏差的原因，并通过控制装置进行调整。

在运行过程中，如果发现散热器冷却性能下降或阻力增大，首先要检查液腔内是否有未完全排出的残余空气，以及散热器是否被杂物堵塞。如果正常，则应考虑清洗。如果散热器出口侧出现大量冷凝水，应及时排出。

四、非标设计在涡轮增压器散热器中的应用

散热器通常使用外部空气来冷却管道内的水(油)。即散热器通过循环水(油)泵强制循环水(油)，然后通过轴流风机提供冷却空气。水(油)流与空气流形成交叉流动布置进行热交换。热量是第一个从热水(油)转移到通过对流冷却管的内壁，然后通过传导冷却管的外壁，然后，通过传导热量转移的外墙冷却散热鳍片管，最后，通过与寒冷的空气对流，热转移到空气带走，从而达到降低涡轮增压器的温度。非标设计在涡轮增压器散热器中的应用应根据涡轮增压器的实际需要，按照相应的规格设计。与传统设计方法相比，非标设计具有其独特的使用特点。在实际设计时，要保证参数的准确性，结合涡轮增压器的应用需求，更大程度上保证散热器的使用性能。

结束语

涡轮增压器在一定程度上可以改善发动机的动力和经济性能，目前在发动机热管理系统上得到了普遍应用，为了确保涡轮增压器的正常使用，散热器也要根据工业技术的发展不断升级改造。为了保障涡轮增压器散热器发挥出最佳性能，发动机热管理系统中涡轮增压器散热器运行过程中需要重视维护工作，不仅为工业生产降低了生产成本，同时也为我国机械制造行业开发出更优质的产品提供了强有力的保障。

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