載貨汽車中冷器的設計及結構作用

摘 要 柴油機中冷器本質上是熱交換器的一種。它作為增壓中冷柴油機不可缺少的部分，對從增壓器流出的壓縮空氣進行冷卻，進而提高進入柴油機的新鮮空氣的密度，增大柴油機的進氣量，提高柴油機的功率，降低污染物的排放。

關鍵詞 載貨汽車 柴油機 中冷器 作用 設計 結構

載貨汽車中冷器是增壓柴油機不可缺少的一部分。而增壓中冷系統對柴油機的動力性、經濟性和降低排放污染物具有巨大的貢獻。在今能源緊缺、注重環保的大前提下，對柴油機中冷器的優化設計及其與柴油機的匹配研究就顯得十分重要。增壓中冷的作用是降低發動機的進氣溫度，將經壓氣機壓縮后的高溫空氣進行冷卻，可使進入發動機氣缸的空氣密度進一步提高，從而提高發動機動力性，減輕發動機的熱負荷，降低排溫，改善經濟性，降低排放，尤其是可以大大降低NOx的排放量。一般增壓空氣溫度每下降10℃，發動機功率可增加3%～5%，提高燃料經濟性和對海拔高度的適應性， 改善增壓器匹配和適應性。進氣溫度下降使排氣溫度相應下降，這對降低發動機熱負荷和提高增壓器的使用壽命等都十分有利。

一、載貨汽車中冷器的設計

1、初期設計

中冷器換熱量Q（kJ/s）計算

Q=qmbCpb（Tb1-Tb2） 式中qmb（kg/s）-增壓空氣流量，Cpb（kg/s）-增壓空氣比熱容，Tb1（k）-中冷器進口溫度，Tb2（k）-中冷器出口溫度。

中冷器換熱系數K（m2K/W）計算

K=1/（1/hb+R1+R2+R3+R4+Ab/hwAw） 式中hb（W/m2K）-增壓空氣的對流換熱系數，hw（W/m2K）-冷卻介質的對流換熱系數，Ab（m2）-增壓空氣換熱面積，Aw（m2）-冷卻介質換熱面積，R1（m2K/W）-增壓空氣污垢熱阻，R2（m2K/W）-冷卻介質污垢熱阻，R3（m2K/W）-散熱片焊接處接觸熱阻，R4（m2K/W）-導熱熱阻。

2、中期校核

中冷器散熱面積校核（對數平均溫差法）

增壓空氣和冷卻空氣的對流平均溫差△T（K）計算

△T=[（Tb1-Tw2）-（Tb2-Tw1）]/ln[（Tb1-Tw1）-（Tb2-Tw2）]

式中Tw1（k）-冷卻介質進口溫度，Tw2（k）-冷卻介質出口溫度。

中冷器散熱面積Ac（m2）計算

Ac=Q/（K△T） 柴油機正常工作所需散熱面積值必須小于實際散熱面積值。

增壓空氣出口溫度校核（效能傳熱單元數法）

（1）熱容比：€%O=（qmCp）min/（qmCp）max 式中（qmCp）min取qmbCpb和qmwCpw中較小者，（qmCp）max取較大者，其中qmw（kg/s）-冷卻介質流量，Cpw（kg/s）-冷卻介質比熱容。

（2）傳熱單元數：NTU=KAc/（qmCp）min

（3）效能：€%^=1-exp{-（€%O/n）·[exp-NTU·€%O（n-1）]} 式中n=NTU-0.22

（4）增壓空氣出口溫度：Tb2=Tb1-€%^（Tb1-Tw1）

冷卻介質出口溫度：Tw2=Tw1+（qmbCpb）/（qmwCpw）（Tb1-Tb2）

柴油機正常工作增壓空氣出口溫度必須小于允許溫度值。

壓力損失校核

中冷器芯體中的阻力主要由傳熱面形狀的改變而產生的阻力和摩擦力組成，該阻力直接影響增壓柴油機進氣壓力狀況，為了柴油機正常工作增壓空氣的壓力損失△Pb和冷卻介質的壓力損失△Pn必須小于允許損失的壓力值。

（1）增壓空氣的壓力損失：△Pb=PbCb2（0.3164Lb/Reb0.25Db

+1.4）/2 式中Lb-增壓空氣通道深度

（2）冷卻介質的壓力損失：△Pw=PwCw2（0.3164Lw/Rew0.25Dw

+1.4）/2 式中Lw-增壓空氣通道深度

二、載貨汽車中冷器結構

柴油機中冷器本質上是熱交換器的一種。它作為增壓柴油機不可缺少的部分，對從增壓器流出的壓縮空氣進行冷卻，進而提高進入柴油機的新鮮空氣的密度，增大柴油機的進氣量，提高柴油機的功率，降低污染物的排放。在實際應用中，其類型和結構差別很大。柴油機中冷器的類型有很多，目前增壓柴油機的中冷器大都采用錯流外冷間壁式冷卻方式。中冷器一般由鋁合金材料制成。根據冷卻介質不同，常見的中冷器可以分為水冷式和風冷式。水冷式利用汽車發動機的水冷卻系統來冷卻增壓空氣，結構較為復雜，且冷卻效果受發動機水溫的限制，不可能達到更低的溫度。載貨汽車中冷器多采用風冷式即空-空中冷器，它用管子將增壓空氣引至安裝在發動機冷卻水散熱器前面的空氣散熱器，利用發動機的風扇和汽車行駛時的迎面風來冷卻增壓空氣。風冷式中冷器的體積比水冷式的大，它不增加發動機散熱器的散熱負擔，但對散熱器的散熱有一定的影響，其溫降一般為25℃～60℃。風冷式中冷器是用環境空氣來冷卻增壓后的高溫空氣，由于熱側和冷側換熱介質均為空氣，兩側的對流換熱系數在同一數量級，因此兩側的換熱面積應大致相同，風冷式中冷器的結構有扁管式、翅片式和管翅式等。扁管式中冷器在扁管外圍設有散熱片，增壓空氣在管內流動，冷卻空氣在管外流動。由于熱氣側換熱面積太小，使中冷器傳熱效率低，應用少。應用較多的是板翅式和管翅式中冷器。

（作者單位：沈陽金杯車輛制造有限公司）