某柴油機(jī)車(chē)型CAC中冷器的理論設(shè)計(jì)

蘇寧寧+蘇國(guó)勇+喬書(shū)珂

【摘 要】進(jìn)氣增壓冷卻是提高柴油機(jī)功率、降低柴油機(jī)熱負(fù)荷的重要方法，為了滿(mǎn)足柴油內(nèi)燃機(jī)向高速、大功率發(fā)展，中冷器進(jìn)行了相應(yīng)的蛻變，本文介紹了中冷器芯體的設(shè)計(jì)與整車(chē)的布置的校核，選擇最優(yōu)的芯體，達(dá)到減重及降低單車(chē)成本的目的。

【關(guān)鍵詞】柴油機(jī)；中冷器；芯體

現(xiàn)柴油車(chē)上普遍采用渦輪增壓器，空氣經(jīng)過(guò)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(dá)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(dá)到降低排放的目的。中冷器分為水冷式和風(fēng)冷式，下文主要介紹風(fēng)冷式CAC中冷器，以環(huán)境空氣為介質(zhì)來(lái)冷卻增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的熱交換器。

1 專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)

中冷器主要有芯體、氣室組成。芯子由散熱帶、冷卻管、主板、側(cè)板等組成，芯體是設(shè)計(jì)中冷器的關(guān)鍵，芯體設(shè)計(jì)會(huì)用到以下參數(shù)：

1.1 冷側(cè)

中冷器與冷卻空氣接觸面。 1.2 熱側(cè)

中冷器與增壓空氣接觸面。

1.3 冷側(cè)迎風(fēng)面積At

垂直與冷卻空氣流動(dòng)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(cè)空氣放熱量Qh

中冷器在穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，熱側(cè)空氣所放出的熱量，單位為Kw。

Gh：增壓空氣質(zhì)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(cè)進(jìn)氣溫度，單位℃

tho：中冷器熱側(cè)出氣溫度，單位℃

1.6 冷側(cè)空氣吸熱量Qc

中冷器在穩(wěn)定狀況下所吸收的熱量，單位為Kw。

Gc：冷側(cè)進(jìn)氣質(zhì)量流量，單位Kg/h

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

tci：冷側(cè)空氣經(jīng)過(guò)中冷器前進(jìn)氣溫度，單位℃

tco：冷側(cè)空氣經(jīng)過(guò)中冷器后進(jìn)氣溫度，單位℃

1.7 設(shè)計(jì)散熱量QD

在規(guī)定條件下將增壓空氣冷卻到規(guī)定溫度時(shí)，熱側(cè)空氣的放熱量，是發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)中冷器的熱側(cè)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(dá)中冷器正表面前的溫度

tco：冷空氣經(jīng)過(guò)中冷器后的平均溫度

理論散熱量Q是在規(guī)定的條件下，增壓氣體經(jīng)過(guò)中冷器時(shí)所散發(fā)掉的熱量，它與中冷器本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。在設(shè)計(jì)中冷器時(shí)，要求中冷器的理論散熱量Q應(yīng)大于設(shè)計(jì)散熱量QD。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 設(shè)計(jì)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)最大額定功率性能參數(shù)：

增壓熱空氣側(cè)：質(zhì)量流量625Kg/h、增壓進(jìn)氣溫度185℃、中冷出氣溫度50℃、進(jìn)口壓力220Kpa；冷卻空氣側(cè)：環(huán)境工作溫度25℃、冷側(cè)流速8m/s。

2.2 熱側(cè)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(shù)，確定這一參數(shù)有很多未知因素，目前，只能憑借經(jīng)驗(yàn)估算，根據(jù)同型中冷器實(shí)驗(yàn)，冷側(cè)流速為8m/s時(shí)，冷側(cè)風(fēng)阻為752.43Pa，系統(tǒng)總阻力為1128.6 Pa。然后，在風(fēng)扇性能曲線上找出相對(duì)于的冷卻空氣流量。查得Gc=ρ*v=1.201*1.5=1.8kg/s。

根據(jù)熱平衡原理，中冷熱側(cè)散熱量與冷側(cè)空氣吸熱量應(yīng)相等，中冷冷側(cè)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(chē)布置和邊界尺寸，中冷器的芯寬應(yīng)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(shù)，b為冷卻管厚度，m散熱帶根數(shù)，h散熱帶波高。根據(jù)管、帶規(guī)格，確定合適的冷卻管和散熱帶的尺寸，散熱帶齒高h(yuǎn)為8.9mm，冷卻管規(guī)格50mm*8mm，即厚度b為8mm。

2.5 理論散熱量Q的校核

根據(jù)中冷器工況和同類(lèi)型中冷器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定該工況下中冷器的傳熱系數(shù)K約為92W/m2·℃。

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

3 結(jié)論

在設(shè)計(jì)中冷器芯體時(shí)，必須考慮三個(gè)指標(biāo)，即散熱能力和冷、熱側(cè)壓力降。中冷器設(shè)計(jì)應(yīng)做到散熱能力最大，且冷、熱壓力降最低。本文根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定的一些參數(shù)，理論計(jì)算中冷器芯體的尺寸，設(shè)計(jì)散熱量大于理論散熱量時(shí)，即認(rèn)為在最大功率點(diǎn)時(shí)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足整車(chē)要求，當(dāng)然后期還需冷卻風(fēng)洞試驗(yàn)和整車(chē)熱平衡試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

【參考文獻(xiàn)】

[1]上海交通大學(xué)制冷和低溫研究所.

[2]浙江大學(xué)能源工程學(xué)系.

[3]QSQR.04.942-2007 轎車(chē)、輕型汽車(chē)用中冷器.

[責(zé)任編輯：王偉平]