某柴油機車型CAC中冷器的理論設計

蘇寧寧+蘇國勇+喬書珂

【摘 要】進氣增壓冷卻是提高柴油機功率、降低柴油機熱負荷的重要方法，為了滿足柴油內燃機向高速、大功率發展，中冷器進行了相應的蛻變，本文介紹了中冷器芯體的設計與整車的布置的校核，選擇最優的芯體，達到減重及降低單車成本的目的。

【關鍵詞】柴油機；中冷器；芯體

現柴油車上普遍采用渦輪增壓器，空氣經過增壓器后，壓力增加，溫度升高，不同的增壓比，增壓后的出氣溫度一般可達100-200℃之間，中冷器可降低增壓后的空氣溫度，提高充氣效率，達到降低排放的目的。中冷器分為水冷式和風冷式，下文主要介紹風冷式CAC中冷器，以環境空氣為介質來冷卻增壓發動機進氣的熱交換器。

1 專業術語

中冷器主要有芯體、氣室組成。芯子由散熱帶、冷卻管、主板、側板等組成，芯體是設計中冷器的關鍵，芯體設計會用到以下參數：

1.1 冷側

中冷器與冷卻空氣接觸面。 1.2 熱側

中冷器與增壓空氣接觸面。

1.3 冷側迎風面積At

垂直與冷卻空氣流動的芯體的正面積，芯體正表面芯高H與芯寬W的乘積。

1.4 散熱面積Ac

是散熱管與散熱帶的暴露在空氣中的外表面積之和。

1.5 熱側空氣放熱量Qh

中冷器在穩定工作狀態時，熱側空氣所放出的熱量，單位為Kw。

Gh：增壓空氣質量流量，單位Kg/h

Cph： 增壓空氣熱比容，單位KJ/Kg.℃，一般取1.009 KJ/Kg.℃

thi：中冷器熱側進氣溫度，單位℃

tho：中冷器熱側出氣溫度，單位℃

1.6 冷側空氣吸熱量Qc

中冷器在穩定狀況下所吸收的熱量，單位為Kw。

Gc：冷側進氣質量流量，單位Kg/h

Cpc： 冷側空氣熱比容，單位KJ/Kg.℃，一般取1.005 KJ/Kg.℃

tci：冷側空氣經過中冷器前進氣溫度，單位℃

tco：冷側空氣經過中冷器后進氣溫度，單位℃

1.7 設計散熱量QD

在規定條件下將增壓空氣冷卻到規定溫度時，熱側空氣的放熱量，是發動機對中冷器的熱側放熱量QD要求的最低限值。

1.8 理論散熱量Q

thi：增壓器出口處的空氣溫度

tho：中冷器出口處的空氣溫度

tci：冷空氣到達中冷器正表面前的溫度

tco：冷空氣經過中冷器后的平均溫度

理論散熱量Q是在規定的條件下，增壓氣體經過中冷器時所散發掉的熱量，它與中冷器本身的結構有關。在設計中冷器時，要求中冷器的理論散熱量Q應大于設計散熱量QD。

2 設計參數

2.1 設計時，發動機最大額定功率性能參數：

增壓熱空氣側：質量流量625Kg/h、增壓進氣溫度185℃、中冷出氣溫度50℃、進口壓力220Kpa；冷卻空氣側：環境工作溫度25℃、冷側流速8m/s。

2.2 熱側散熱量Qh

2.3 冷卻空氣流量Gc

Gc是確定中冷器散熱性能較重要工作參數，確定這一參數有很多未知因素，目前，只能憑借經驗估算，根據同型中冷器實驗，冷側流速為8m/s時，冷側風阻為752.43Pa，系統總阻力為1128.6 Pa。然后，在風扇性能曲線上找出相對于的冷卻空氣流量。查得Gc=ρ*v=1.201*1.5=1.8kg/s。

根據熱平衡原理，中冷熱側散熱量與冷側空氣吸熱量應相等，中冷冷側空氣出口溫度tco=tci+[Qc/（Gc×Cpc）]=25+[23.7/（1.8*1.005）]=38.1℃

2.4 中冷芯體大小確定

由整車布置和邊界尺寸，中冷器的芯寬應小于540mm，采用橫流式布置。其中，W為中冷器芯體的寬度，H為中冷器芯體的高度，n為冷卻管根數，b為冷卻管厚度，m散熱帶根數，h散熱帶波高。根據管、帶規格，確定合適的冷卻管和散熱帶的尺寸，散熱帶齒高h為8.9mm，冷卻管規格50mm*8mm，即厚度b為8mm。

2.5 理論散熱量Q的校核

根據中冷器工況和同類型中冷器的試驗數據，確定該工況下中冷器的傳熱系數K約為92W/m2·℃。

中冷器的設計散熱面積是理論所需散熱面積的105%，從理論上，中冷器能滿足設計要求。中冷芯體的有效尺寸：芯高*芯寬*芯厚=346.9*540*50。

3 結論

在設計中冷器芯體時，必須考慮三個指標，即散熱能力和冷、熱側壓力降。中冷器設計應做到散熱能力最大，且冷、熱壓力降最低。本文根據發動機標定的一些參數，理論計算中冷器芯體的尺寸，設計散熱量大于理論散熱量時，即認為在最大功率點時設計滿足整車要求，當然后期還需冷卻風洞試驗和整車熱平衡試驗進行驗證。

【參考文獻】

[1]上海交通大學制冷和低溫研究所.

[2]浙江大學能源工程學系.

[3]QSQR.04.942-2007 轎車、輕型汽車用中冷器.

[責任編輯：王偉平]