某柴油机车型CAC中冷器的理论设计

苏宁宁+苏国勇+乔书珂

【摘 要】进气增压冷却是提高柴油机功率、降低柴油机热负荷的重要方法，为了满足柴油内燃机向高速、大功率发展，中冷器进行了相应的蜕变，本文介绍了中冷器芯体的设计与整车的布置的校核，选择最优的芯体，达到减重及降低单车成本的目的。

【关键词】柴油机；中冷器；芯体

现柴油车上普遍采用涡轮增压器，空气经过增压器后，压力增加，温度升高，不同的增压比，增压后的出气温度一般可达100-200℃之间，中冷器可降低增压后的空气温度，提高充气效率，达到降低排放的目的。中冷器分为水冷式和风冷式，下文主要介绍风冷式CAC中冷器，以环境空气为介质来冷却增压发动机进气的热交换器。

1 专业术语

中冷器主要有芯体、气室组成。芯子由散热带、冷却管、主板、侧板等组成，芯体是设计中冷器的关键，芯体设计会用到以下参数：

1.1 冷侧

中冷器与冷却空气接触面。 1.2 热侧

中冷器与增压空气接触面。

1.3 冷侧迎风面积At

垂直与冷却空气流动的芯体的正面积，芯体正表面芯高H与芯宽W的乘积。

1.4 散热面积Ac

是散热管与散热带的暴露在空气中的外表面积之和。

1.5 热侧空气放热量Qh

中冷器在稳定工作状态时，热侧空气所放出的热量，单位为Kw。

Gh：增压空气质量流量，单位Kg/h

Cph： 增压空气热比容，单位KJ/Kg.℃，一般取1.009 KJ/Kg.℃

thi：中冷器热侧进气温度，单位℃

tho：中冷器热侧出气温度，单位℃

1.6 冷侧空气吸热量Qc

中冷器在稳定状况下所吸收的热量，单位为Kw。

Gc：冷侧进气质量流量，单位Kg/h

Cpc： 冷侧空气热比容，单位KJ/Kg.℃，一般取1.005 KJ/Kg.℃

tci：冷侧空气经过中冷器前进气温度，单位℃

tco：冷侧空气经过中冷器后进气温度，单位℃

1.7 设计散热量QD

在规定条件下将增压空气冷却到规定温度时，热侧空气的放热量，是发动机对中冷器的热侧放热量QD要求的最低限值。

1.8 理论散热量Q

thi：增压器出口处的空气温度

tho：中冷器出口处的空气温度

tci：冷空气到达中冷器正表面前的温度

tco：冷空气经过中冷器后的平均温度

理论散热量Q是在规定的条件下，增压气体经过中冷器时所散发掉的热量，它与中冷器本身的结构有关。在设计中冷器时，要求中冷器的理论散热量Q应大于设计散热量QD。

2 设计参数

2.1 设计时，发动机最大额定功率性能参数：

增压热空气侧：质量流量625Kg/h、增压进气温度185℃、中冷出气温度50℃、进口压力220Kpa；冷却空气侧：环境工作温度25℃、冷侧流速8m/s。

2.2 热侧散热量Qh

2.3 冷却空气流量Gc

Gc是确定中冷器散热性能较重要工作参数，确定这一参数有很多未知因素，目前，只能凭借经验估算，根据同型中冷器实验，冷侧流速为8m/s时，冷侧风阻为752.43Pa，系统总阻力为1128.6 Pa。然后，在风扇性能曲线上找出相对于的冷却空气流量。查得Gc=ρ*v=1.201*1.5=1.8kg/s。

根据热平衡原理，中冷热侧散热量与冷侧空气吸热量应相等，中冷冷侧空气出口温度tco=tci+[Qc/（Gc×Cpc）]=25+[23.7/（1.8*1.005）]=38.1℃

2.4 中冷芯体大小确定

由整车布置和边界尺寸，中冷器的芯宽应小于540mm，采用横流式布置。其中，W为中冷器芯体的宽度，H为中冷器芯体的高度，n为冷却管根数，b为冷却管厚度，m散热带根数，h散热带波高。根据管、带规格，确定合适的冷却管和散热带的尺寸，散热带齿高h为8.9mm，冷却管规格50mm*8mm，即厚度b为8mm。

2.5 理论散热量Q的校核

根据中冷器工况和同类型中冷器的试验数据，确定该工况下中冷器的传热系数K约为92W/m2·℃。

中冷器的设计散热面积是理论所需散热面积的105%，从理论上，中冷器能满足设计要求。中冷芯体的有效尺寸：芯高*芯宽*芯厚=346.9*540*50。

3 结论

在设计中冷器芯体时，必须考虑三个指标，即散热能力和冷、热侧压力降。中冷器设计应做到散热能力最大，且冷、热压力降最低。本文根据发动机标定的一些参数，理论计算中冷器芯体的尺寸，设计散热量大于理论散热量时，即认为在最大功率点时设计满足整车要求，当然后期还需冷却风洞试验和整车热平衡试验进行验证。

【参考文献】

[1]上海交通大学制冷和低温研究所.

[2]浙江大学能源工程学系.

[3]QSQR.04.942-2007 轿车、轻型汽车用中冷器.

[责任编辑：王伟平]