汽車空空中冷器的設計

李 銳，羅宏錦，莫夢婷

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

汽車渦輪增壓器的渦輪機是通過發動機排氣驅動的，發動機排溫接近八九百度，熱傳遞到增壓器側，進氣溫度隨之升高，且增壓器壓縮空氣，也會導致進氣溫度升高。進氣溫度過高會導致發動機爆震，從而產生增壓效果降低、發動機壽命短等負面影響，因此增加中冷器對于渦輪增壓發動機非常必要。

1 中冷器分類

中冷器按冷卻介質分為水冷中冷器和空空中冷器[1]。水冷中冷器通常集成在進氣歧管上，利用散熱器的冷卻液對歧管內氣體進行冷卻，熱效率低，冷卻后的溫度很難滿足發動機要求，但響應時間快。空空中冷器通常與散熱器一起布置在整車前端，利用車子運行時的氣流對增壓空氣進行冷卻，熱效率較高，但由于中冷管路的容積延緩了響應時間。目前車用中冷器多采用空空式中冷器，原理圖見圖1。

圖1 增壓發動機空空中冷器原理圖

2 中冷器常見布置型式

汽車增壓發動機空空中冷器有以下幾種常見的布置型式。

2.1 前置式

前置式中冷器一般橫置在前蒙皮內側，位于散熱器冷凝器之前偏下位置。這種布置方式因其位于車體最前端，利用整車迎面風進行散熱，冷卻性能好、維修也方便。

2.2 集成式

集成式中冷器布置在冷凝器與散熱器之間，三器集成一體。該布置迎風面積大，冷卻性能較好。但增加了系統冷側的風阻，需額外加大散熱器或風扇功率，且中冷器壓降較大。拆裝不方便。

2.3 側置式

側置式中冷器安裝在前蒙皮的左內側或右內側，大燈下方，由于空間有限，中冷器體積較小，該布置需要為中冷器設計一個導風罩。冷卻性能差。

2.4 頂置式

頂置式中冷器安裝在發動機上方，通過在發罩上開一個進氣口，將迎面冷風導到中冷器進行散熱。該布置型式結構緊湊，管道短，響應快，但由于中冷器距離發動機近，會受發動機熱輻射的影響。

目前大部分增壓發動機汽車上采用前置式中冷器，部分車型采用集成式。側置式和頂置式中冷器由于需要額外增加導風裝置和進氣開口對成本及造型產生不利，目前應用較少。

3 中冷器對發動機性能的影響

對于渦輪增壓發動機來說中冷器性能等是發動機實際輸出性能的主要影響因素之一[2]。由于空間受限，中冷器的設計匹配時“散熱性能與氣流阻力”是一對矛盾體。通常通過發動機臺架試驗為發動機選擇最優的中冷壓降及中冷后溫度。

以下是某1.5 T發動機臺架試驗數據，保證其它邊界條件不變，僅改變中冷壓降得到發動機扭矩曲線，如圖2所示。從圖2可以看出，中冷壓降對發動機動力性是有影響的，當中冷壓降增加12 kPa時，在1 200 r/min以上，發動機扭矩降低約15 N·m。

圖2 中冷壓降影響曲線

保證其它邊界條件不變，僅改變中冷后溫度得到發動機扭矩曲線，如圖3所示。從圖3可以看出，中冷后溫度對發動機動力性是有影響的，中冷后溫度增加20℃ 時，在2 000 r/min附近，發動機扭矩降低約 18 N·m。

圖3 中冷后溫度影響曲線

4 中冷器的設計計算

本文以某SUV配1.5T發動機為例，介紹中冷系統的設計計算,并對中冷器的設計進行校核。校核中冷器的散熱面積，熱側出口溫度，冷熱側的壓力損失等參數是否滿足要求,如不滿足中冷器需重新設計。

4.1 設計輸入

設計輸入見表1。

表1 1.5T發動機中冷使用工況參數

4.2 芯體幾何參數

根據整車邊界，芯子有效尺寸：610 mm×123 mm×64 mm，參考其他中冷器，幾何參數如表2所示。

表2 中冷器芯體幾何參數

冷卻管根數 n，則有：n·（Hb+2*δ2）+（n+1）·Hw≈123 mm，得n=8，芯體冷卻管為8層，外翅片為9層。

（1）當量直徑de

冷側：Dew=4 Fw/Uw=2xy（x+y）=2.63 mm

熱側：Deb=4 Fb/Ub=2xy（x+y）=3 mm

（2）流通截面積F

（3）散熱面積A

4.3 傳熱系數計算

（1）中冷器換熱量Q=qmb·Cpb·（Tb-Ts）=0.122×1.008×100=12.3 kJ/S

②冷側平均溫度：Twm=（Tw1+Tw2）/2=46.9 ℃

③熱側平均溫度：Tbm=（Tb+T）s/2=100℃

④熱側的對流平均溫差△Tn

ΔTn=（[Tb-Tw2）-（Ts-Tw1）]·ψ/ln（[Tb-Tw2）/（Ts-Tw1）]

其中ψ為校正參數[3]，取值見圖4。

圖4 修正系數ψ取值曲線

從圖表中取ψ=0.89，計算出ΔTn=37.6

（2）平均溫度下冷側和熱側空氣的熱物理性質

①密度

冷側空氣密度：

熱側空氣密度：

②運動粘度

冷側運動粘度：

熱側運動粘度：

③導熱系數

冷側導熱系數：

冷側導熱系數：

④普朗特數

冷側普朗特數：

熱側普朗特數：

（3）計算對流換熱系數

①冷側對流換熱系數

冷側空氣流速：Cw=qmw/（ρwFw）=14.4 m/s

冷卻介質的努謝爾特數：

冷卻空氣側的對流換熱系數：

hw=Nuw·λw/Dew=98 w/（m2·k）

②熱側的對流換熱系數

增壓空氣的流速：Cb=qmb/（ρbFb）=17.3 m/s

熱側的努謝爾特數：

熱側的對流換熱系數：

（4）熱阻計算

熱側污垢熱阻 R1=0.000 35 m2·K/W

冷側污垢熱阻 R2=0.000 35 m2·K/W

散熱片焊接處接觸熱阻R3=0.000 1 m2·K/W

導熱熱阻

式中，λ為材料熱導率，取140 W/mK。

（5）中冷器傳熱系數

得K=56.5 w（/m·2k）

4.4 散熱面積校核

發動機需要散熱面積：

Ac=Q/（K·△Tn）=5.79 m2

Ac＜5.98 m2，即所需散熱面積小于實際散熱面積，所以中冷器設計滿足要求。

4.5 熱側出口溫度校核

（1）熱容比為

Ф=（qmCp）min/（qmCp）max=0.24

式中，（qmCp）min為 qmbCpb和 qmwCpw中的較小者，（qmCp）max為兩者中的較大者。

（2）傳熱單元數為

A為總散熱面積。

（3）效率

在ε-NTU圖中查找的ε值[3]，見圖5。

圖5 ε-NTU圖

或按德雷克關系式計算ε值

（4）熱側出口溫度

冷側出口溫度

因為48.5℃小于50℃，所以熱側出口溫度滿足要求。

4.6 壓力損失校核

熱側的壓力損失

2 771 Pa小于3 000 Pa，因此熱側壓力損失滿足要求。

5 冷卻試驗驗證

5.1 中冷器試驗原理

見圖6。

圖6 中冷器試驗原理示意圖

（1）試驗開始前把中冷器安裝在試驗臺上，并檢查確認各連接處是否泄漏。

（2）待系統穩定后開始記錄測量數據，熱側進氣溫度控制在±2℃范圍內，熱側進氣壓力控制在±5%范圍內，熱側進氣流量控制在±1.5%范圍內。

5.2 試驗測量結果

見表3。

表3 1.5T中冷器樣件進行冷卻性能試驗結果

中冷器出口溫度平均測量結果為48℃，計算值為48.5℃，計算偏差為1%；中冷器的壓降平均測量結果為6.81 kPa，該結果包含中冷器氣室壓降，芯體壓降大概占總壓的40%，約2.724 kPa，計算值為2 771 kPa，偏差為1.7，計算結果較為精確。

6 結束語

本文提出了汽車常用空空中冷器的設計及理論計算校核方法，計算結果接近實際測量結果。在實際開發過程中通常也采用CFD軟件進行性能分析，限于篇幅本文不再詳細介紹。