汽车空空中冷器的设计

李 锐，罗宏锦，莫梦婷

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州545007）

汽车涡轮增压器的涡轮机是通过发动机排气驱动的，发动机排温接近八九百度，热传递到增压器侧，进气温度随之升高，且增压器压缩空气，也会导致进气温度升高。进气温度过高会导致发动机爆震，从而产生增压效果降低、发动机寿命短等负面影响，因此增加中冷器对于涡轮增压发动机非常必要。

1 中冷器分类

中冷器按冷却介质分为水冷中冷器和空空中冷器[1]。水冷中冷器通常集成在进气歧管上，利用散热器的冷却液对歧管内气体进行冷却，热效率低，冷却后的温度很难满足发动机要求，但响应时间快。空空中冷器通常与散热器一起布置在整车前端，利用车子运行时的气流对增压空气进行冷却，热效率较高，但由于中冷管路的容积延缓了响应时间。目前车用中冷器多采用空空式中冷器，原理图见图1。

图1 增压发动机空空中冷器原理图

2 中冷器常见布置型式

汽车增压发动机空空中冷器有以下几种常见的布置型式。

2.1 前置式

前置式中冷器一般横置在前蒙皮内侧，位于散热器冷凝器之前偏下位置。这种布置方式因其位于车体最前端，利用整车迎面风进行散热，冷却性能好、维修也方便。

2.2 集成式

集成式中冷器布置在冷凝器与散热器之间，三器集成一体。该布置迎风面积大，冷却性能较好。但增加了系统冷侧的风阻，需额外加大散热器或风扇功率，且中冷器压降较大。拆装不方便。

2.3 侧置式

侧置式中冷器安装在前蒙皮的左内侧或右内侧，大灯下方，由于空间有限，中冷器体积较小，该布置需要为中冷器设计一个导风罩。冷却性能差。

2.4 顶置式

顶置式中冷器安装在发动机上方，通过在发罩上开一个进气口，将迎面冷风导到中冷器进行散热。该布置型式结构紧凑，管道短，响应快，但由于中冷器距离发动机近，会受发动机热辐射的影响。

目前大部分增压发动机汽车上采用前置式中冷器，部分车型采用集成式。侧置式和顶置式中冷器由于需要额外增加导风装置和进气开口对成本及造型产生不利，目前应用较少。

3 中冷器对发动机性能的影响

对于涡轮增压发动机来说中冷器性能等是发动机实际输出性能的主要影响因素之一[2]。由于空间受限，中冷器的设计匹配时“散热性能与气流阻力”是一对矛盾体。通常通过发动机台架试验为发动机选择最优的中冷压降及中冷后温度。

以下是某1.5 T发动机台架试验数据，保证其它边界条件不变，仅改变中冷压降得到发动机扭矩曲线，如图2所示。从图2可以看出，中冷压降对发动机动力性是有影响的，当中冷压降增加12 kPa时，在1 200 r/min以上，发动机扭矩降低约15 N·m。

图2 中冷压降影响曲线

保证其它边界条件不变，仅改变中冷后温度得到发动机扭矩曲线，如图3所示。从图3可以看出，中冷后温度对发动机动力性是有影响的，中冷后温度增加20℃ 时，在2 000 r/min附近，发动机扭矩降低约 18 N·m。

图3 中冷后温度影响曲线

4 中冷器的设计计算

本文以某SUV配1.5T发动机为例，介绍中冷系统的设计计算,并对中冷器的设计进行校核。校核中冷器的散热面积，热侧出口温度，冷热侧的压力损失等参数是否满足要求,如不满足中冷器需重新设计。

4.1 设计输入

设计输入见表1。

表1 1.5T发动机中冷使用工况参数

4.2 芯体几何参数

根据整车边界，芯子有效尺寸：610 mm×123 mm×64 mm，参考其他中冷器，几何参数如表2所示。

表2 中冷器芯体几何参数

冷却管根数 n，则有：n·（Hb+2*δ2）+（n+1）·Hw≈123 mm，得n=8，芯体冷却管为8层，外翅片为9层。

（1）当量直径de

冷侧：Dew=4 Fw/Uw=2xy（x+y）=2.63 mm

热侧：Deb=4 Fb/Ub=2xy（x+y）=3 mm

（2）流通截面积F

（3）散热面积A

4.3 传热系数计算

（1）中冷器换热量Q=qmb·Cpb·（Tb-Ts）=0.122×1.008×100=12.3 kJ/S

②冷侧平均温度：Twm=（Tw1+Tw2）/2=46.9 ℃

③热侧平均温度：Tbm=（Tb+T）s/2=100℃

④热侧的对流平均温差△Tn

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

其中ψ为校正参数[3]，取值见图4。

图4 修正系数ψ取值曲线

从图表中取ψ=0.89，计算出ΔTn=37.6

（2）平均温度下冷侧和热侧空气的热物理性质

①密度

冷侧空气密度：

热侧空气密度：

②运动粘度

冷侧运动粘度：

热侧运动粘度：

③导热系数

冷侧导热系数：

冷侧导热系数：

④普朗特数

冷侧普朗特数：

热侧普朗特数：

（3）计算对流换热系数

①冷侧对流换热系数

冷侧空气流速：Cw=qmw/（ρwFw）=14.4 m/s

冷却介质的努谢尔特数：

冷却空气侧的对流换热系数：

hw=Nuw·λw/Dew=98 w/（m2·k）

②热侧的对流换热系数

增压空气的流速：Cb=qmb/（ρbFb）=17.3 m/s

热侧的努谢尔特数：

热侧的对流换热系数：

（4）热阻计算

热侧污垢热阻 R1=0.000 35 m2·K/W

冷侧污垢热阻 R2=0.000 35 m2·K/W

散热片焊接处接触热阻R3=0.000 1 m2·K/W

导热热阻

式中，λ为材料热导率，取140 W/mK。

（5）中冷器传热系数

得K=56.5 w（/m·2k）

4.4 散热面积校核

发动机需要散热面积：

Ac=Q/（K·△Tn）=5.79 m2

Ac＜5.98 m2，即所需散热面积小于实际散热面积，所以中冷器设计满足要求。

4.5 热侧出口温度校核

（1）热容比为

Ф=（qmCp）min/（qmCp）max=0.24

式中，（qmCp）min为 qmbCpb和 qmwCpw中的较小者，（qmCp）max为两者中的较大者。

（2）传热单元数为

A为总散热面积。

（3）效率

在ε-NTU图中查找的ε值[3]，见图5。

图5 ε-NTU图

或按德雷克关系式计算ε值

（4）热侧出口温度

冷侧出口温度

因为48.5℃小于50℃，所以热侧出口温度满足要求。

4.6 压力损失校核

热侧的压力损失

2 771 Pa小于3 000 Pa，因此热侧压力损失满足要求。

5 冷却试验验证

5.1 中冷器试验原理

见图6。

图6 中冷器试验原理示意图

（1）试验开始前把中冷器安装在试验台上，并检查确认各连接处是否泄漏。

（2）待系统稳定后开始记录测量数据，热侧进气温度控制在±2℃范围内，热侧进气压力控制在±5%范围内，热侧进气流量控制在±1.5%范围内。

5.2 试验测量结果

见表3。

表3 1.5T中冷器样件进行冷却性能试验结果

中冷器出口温度平均测量结果为48℃，计算值为48.5℃，计算偏差为1%；中冷器的压降平均测量结果为6.81 kPa，该结果包含中冷器气室压降，芯体压降大概占总压的40%，约2.724 kPa，计算值为2 771 kPa，偏差为1.7，计算结果较为精确。

6 结束语

本文提出了汽车常用空空中冷器的设计及理论计算校核方法，计算结果接近实际测量结果。在实际开发过程中通常也采用CFD软件进行性能分析，限于篇幅本文不再详细介绍。