关于载货汽车中冷器的设计分析

关于载货汽车中冷器的设计分析

摘要：柴油机中冷器实际上是一种热交换器。在载货汽车中，发动机的中冷

却器起到降温作用，与此同时增加空气密度，提高发动机的进气压力，发动机的

进气流量得以改善。当热负载增大时，采用中冷器能有效提高发动机的工作效率，达到最大限度节约能源，降低废气排放。本文对柴油机的中冷却器进行优化设计，能够更加全面利用该装置的优点，实现载货汽车柴油机性能的而进一步提高和优化。

关键词：载货汽车中冷器设计结构

1中冷器的作用与工作原理

1.1中冷器的作用

自从进入新世纪以来，世界各国纷纷出台相关法律提高民众的环境保护意识。在工业上，除对发动机的动力特性进行研究以外，对其环境保护也有新需求。采

用中冷却器能有效改善发动机的启动性能，与此同时还可以有效减少一氧化碳和NOx的排放量。结果表明：在柴油机中，后入气流的温度对其性能起决定性作用，提高排气压力可以提高输出功率，对中冷器的结构进行优化设计可以降低废气的

排放量。

1.2中冷器的工作原理

在载货汽车正处于运行状态的时候，利用中冷器可以将不同流体进行热交换，而不会产生任何接触。更准确地说，是空气首先进入到增压系统里面，然后再通

过中冷器进行冷却，从而提高引擎的充气效果。中冷器是柴油机的重要部件，其

内部设计与气流的流动情况与压缩空气的传热有关，这两种影响因素对发动机的

工作造成直接影响，从而对发动机的动力特性和废气排放具有重要影响。

中冷器的功能主要有两个。第一点，当气体通过增压器的时候，随着压力的

增大，其内部温度也随之升高。这会对引擎内部的空气流通产生一定的干扰。利

用中冷器的降温效果，可以降低气体温度，提高气体浓度，发动机气缸里面的气体容量也会相对增加，从而发动机的性能以及运行效率也会有所改善。第二，在没有通过中冷器进行降温的情况下，经过加压的气体则会直接流入到汽缸里面，降低引擎的推力作用，冲量系数就会变得比较低。同时，这些高温低密度的气体也会增加引擎的温度，甚至会引起引擎爆燃等问题，从而造成引擎超温，降低热效率。另外，如果燃烧的时候，会产生大量的氮氧化物，则会造成大气污染。要解决这个问题，必须利用发动机的冷却装置对汽油机进行冷却，从而将汽缸的整体温度保持在一个较好的水平。

2中冷器的冷却方式

2.1水冷式

不同类型的中冷器采用不同的制冷方式，有些采用柴油机制冷系统，有些采用单独的水冷系统。

采用柴油发动机的冷却系统无需额外增加水道。其内部构造也较为简略。在低压工况下，这种冷却液可以不断对增压后的气流进行加热，从而改善其燃烧特性。在高负载条件下，冷却液的制冷效率一般不高。所以采用柴油机冷却系统冷却液的方法存在一些限制，仅限于增压度比较小的柴油机。

柴油机内部的冷却水系统分为两大类：一是温度较高的系统，二是温度较低的系统，前者主要是用于冷却发动机，后者是用于中冷器和机油冷却器。这样的制冷方法更容易操作，所以不管是轮船、内燃机车，或者是固定的柴油发动机，都会被广泛采用。

2.2风冷式

按传动式制冷风机的类型，可以将其分成两类：一是采用曲柄式发动机，二是采用压缩空气涡轮机。

柴油机曲柄作为驱动方式是一种常用的方法。在冷却水箱前面安装有一个中冷器，这个中冷器可以通过风机来进行降温。不过在载货汽车行驶过程中产生的

风力也可以对水箱以及中冷器进行冷却。但是在发动机实际运转的情况下如果处

在低符合运作方式比较容易出现充气过冷问题。

以增压空气涡轮为动力，这种制冷效果比较局限。在这个时候，压缩空气的

作用是将空气分成一股小气流，该气流可以带动一个涡轮机，从而带动整个冷却

装置旋转。而且由于驱动过程中其自身的空气流量相对较小，所以在运转的时候，涡轮机所做功也相对较小，所以风实际工作运转需求。而且这种风扇体积更小，

可以装在车里。

3中冷器结构分析

3.1水冷式中冷器结构

目前，在柴油机上使用最多的水冷型中冷却器采用的大多数都是管片型。这

种形式的中冷器是在管道上安装散热板，散热板是由紫铜和黄铜制成，再通过堆

焊而成。一般而言，管片式中冷器的内部管道有叉排和顺排两种，其断面形状多

种多样，这主要取决于实际应用。在这些种方法中，使用率最高的是圆管，因为

其制造技术的优越性，使得可靠性更高，但是在使用时，往往会遇到空气流通不畅、压力损失等问题。由于流线型或者滴形水管生产工艺水平不是很高，其可靠

性较差，应用率较低。另外，还有一种椭圆形的管道，其导热系统更高，空气阻

力更低，工艺和可靠性在圆管和扁管之间。因此，在发动机冷却系统中，这种管

道的使用率是最高的。

通过分析得出中冷器各冷却部件的结构参数对其工作性能有明显的影响，如

果气侧和水侧流通面积不大，那么空气流速相对比较大；在实际应用中，中冷器

的水侧的对流传热系数一般至少是气侧的10倍，而散热面积是气侧的1/10。

3.2风冷式中冷器结构

风冷式中冷器在运转的时候，会给周围的空气进行降温和增压，而在冷端侧

和热侧的传热媒介均为气体，两边的对流和传热也要保证在同一数量级，并且两

边的传热面积大小必须一致。

在这些类型中，最常见的是板翅形构造。这种构造的冷却装置所采用的薄金

属薄板一般是0.6毫米的厚度，而翅片焊接的薄金属薄板一般约为0.2毫米，并

且还必须在该构造的两边采用侧约束板来进行焊接。一般情况下，每层翅片方向

需要保证有90°互错角度，以实现两种不同的换热错流的交换。该设计结构紧凑，换热区域大，能适应柴油机的换热器需求。

在这种情况下，翅片的传热和阻力损耗相对较低。适用于需要更多电阻的情况。此外，通常使用的还有多孔翅片和锯齿翅片，这些翅片可以加强空气中的空

气扰动，从而进一步加强换热器的换热性能。特别是锯齿翅片，它能有效加速液

体的紊流，打破热阻界限，换热效率一般比普通翅片高30%。

管翅式的中冷器利用率也很高，是以管翅形式发展而来，采用有孔隙成形管

的子作气体管道。与板翅型比较，其中冷器热气侧更具优越性。该设备的制造技

术较为成熟，能有效地改善换热和可靠度。但其热气侧只可以使用光直通道，没

法应用扰流方法。

4中冷器优化设计

在发动机的工作中，发动机的工作效率和压降是发动机的两大重要指标。在

进行中冷系统的优化时，应着重于改善传热性能，减少压损。在此基础上，既要

注意换热，又要通过增大阻力来降低最大的热传导率。

为获得最理想的中冷效果，必须保证在各种工况下均可为发动机提供恒温气体，但气体的温度与负载有着密切的联系。要达到降温目的，必须调整引擎及增

压装置工作性能，使入口温度保持在70摄氏度左右。为此，应从四个方向对中

冷器进行改进。第一，要尽可能地减小最近的气压；其次，要将冷风一侧的压力

降到最低；第三，择高效、低阻力的传热部件；第四，保证中冷器占用空间小，

具有良好的经济性。

针对以上四个方向对中冷器改进措施，必须对冷却介质、换热能力等参数进

行分析。在对各参数进行检查的过程中，主要分为有如下两种情形。第一种是采

用对数平均温差法进行计算，以确定其散热器的热辐射区域是否符合规定；二是