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(zhì)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(tǒng)對柴油機的動力性、經(jīng)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(huán)保的大前提下，對柴油機中冷器的優(yōu)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(fā)動機的進氣溫度，將經(jīng)壓氣機壓縮后的高溫空氣進行冷卻，可使進入發(fā)動機氣缸的空氣密度進一步提高，從而提高發(fā)動機動力性，減輕發(fā)動機的熱負荷，降低排溫，改善經(jīng)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(fā)動機功率可增加3%～5%，提高燃料經(jīng)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(fā)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(shù)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(shù)，hw（W/m2K）-冷卻介質(zhì)的對流換熱系數(shù)，Ab（m2）-增壓空氣換熱面積，Aw（m2）-冷卻介質(zhì)換熱面積，R1（m2K/W）-增壓空氣污垢熱阻，R2（m2K/W）-冷卻介質(zhì)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(shù)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(zhì)進口溫度，Tw2（k）-冷卻介質(zhì)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(shù)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(zhì)流量，Cpw（kg/s）-冷卻介質(zhì)比熱容。

（2）傳熱單元數(shù)：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(zhì)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(chǎn)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(jù)冷卻介質(zhì)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(fā)動機的水冷卻系統(tǒng)來冷卻增壓空氣，結構較為復雜，且冷卻效果受發(fā)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(fā)動機冷卻水散熱器前面的空氣散熱器，利用發(fā)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(fā)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(huán)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(zhì)均為空氣，兩側的對流換熱系數(shù)在同一數(shù)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(nèi)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）