李克锋

摘要：在内燃机车当中，柴油机中冷器的功能是使柴油机在运行时增压状态下的空气温度得以降低，同时使空气的密度增加，进而增加柴油机的循环进气量。在热负荷增加的情况下，中冷器可以有效提高柴油机的运行功率，实现资源的合理利用，减少有害气体的排放量。通过对柴油机中冷器的优化设计，可以使设备的优势得到更为充分地发挥，促进柴油机性能的优化与提升。

关键词：柴油机;中冷器;结构

Abstract： In diesel locomotives， the function of the diesel intercooler is to reduce the temperature of the air in the supercharged state of the diesel engine during operation， while increasing the density of the air， thereby increasing the circulating intake of the diesel engine. In the case of increased heat load， the intercooler can effectively increase the operating power of the diesel engine， realize the rational use of resources， and reduce harmful gas emissions. By optimizing the design of the diesel engine intercooler， the advantages of the equipment can be fully utilized， and the optimization and improvement of the performance of the diesel engine can be promoted.

Key words： diesel engine;intercooler;structure

0  引言

进入新世纪之后，能源危机成为了一个重要的社会问题，各个国家都制定了严格的环保法规，群众的环保意识也得到了进一步的加强。在工业生产的过程当中，人们除了追求柴油机的动力性能之外，对其环保性能也提出了新的要求。中冷器的运用可以提高柴油机发动功率，同时也可以降低一氧化碳和氮氧化物的排放。研究发现，中冷器当中后进气体的温度对于柴油机的性能具有重要的影响，通过增加气体压力的方式可以增加输出功率，而通过对中冷器的合理设计可以有效减少柴油机所排放的污染性气体。

1  柴油机中冷器的基本概述

1.1 中冷器的工作原理

在运行的过程当中，中冷器可以使各种流体在不发生相互接触的情况下实现能量和热量之间的传递和转化。具体来说，空气会先从增压器当中流入，在经过中冷器之后温度和密度得到了降低，这可以使发动机的充气效率得以提升。作为柴油机运行过程当中必不可少的构件，中冷器内部结构的合理性关系到空气的流动状况和压缩空气的换热情况，而这些因素可以对发动机的运行状态产生直接的影响，进而会对其动力性能以及气体排放情况产生影响。

中冷器的作用包括以下两个方面。第一，在气体进入到增压器之后，在压强增加的情况下温度也会有所上升，这会对发动机当中的循环进气量造成影响。而通过中冷器的冷却作用，可以降低气体的温度、提高气体的密度，使发动机气缸内部的气体量增加，从而可以提高发动机的运行效率。第二，如果没有经过中冷器的冷却，气体在加压之后直接进入到气缸当中，会导致发动机的冲量系数比较低。与此同时，这些高温、低密度的气体还可能会使发动机气缸当中的燃烧温度提高，严重情况下还可能导致发动机出现爆燃等故障，导致发动机本身的温度过热，降低了热效率。除此之外，在燃烧温度比较高的情况下，燃烧所生成的气体当中氮氧化物比例增加，这会导致空气污染。而为了缓解这一问题，就要运用柴油机的中冷器来对空气降温，进而使整个缸内的燃烧温度被控制在合理的范围内。

1.2 中冷器的冷却方式

1.2.1 水冷式

水冷式的中冷器所使用的冷却水系统也存在差异，有的是使用柴油机冷却系进行冷却，还有的使用独立的冷却水系统进行冷却。

使用柴油机冷却系的方式不需要再另外地设置水路，冷却系统的内部结构也比较简单。这些冷却水只有在低负荷的状态下才能对增压之后的空气进行持续地加热，提高发动机的燃烧性能。如果是在高负荷的状态下，冷却水的冷却效果通常比较差。因此，将柴油机冷却系作为冷却水的方式在使用的时候具有一定的局限性，只能用于增压度不大的柴油机。

在柴油机当中，独立的冷却水系统主要包括高温系统和低温系统这两部分构成，高温系统主要是对发动机进行冷却，而低温系统则主要是由机油冷却器和中冷器这两个部分使用。这种冷却方式的效果比较明显，使用起来也比较方便，因此无论是在内燃机车、轮船，还是在固定用途的柴油机当中都有着普遍的应用。

1.2.2 风冷式

根据驱动冷却风扇的种类，可以分为用柴油机曲轴驱动和用压缩空气涡轮驱动这两种。

将柴油机曲轴作为驱动的方式主要是在汽车用柴油机当中使用。它将中冷器设置在了冷却水箱的前部，除了受到风扇的作用之外，汽车行驶过程当中的风力也可以对中冷器和水箱进行冷卻。但是在实际运用的过程当中发现，这种冷却方式如果处于低负荷的状态容易出现充气过冷的问题。

将压缩空气涡轮作为驱动的方式的冷却效果有限。在使用的过程当中，压气机会先分出一小股的气流，该气流可以对一个涡轮进行驱动，进而使中冷器转动。而由于驱动无论本身的气流流量就比较少，在运行过程当中涡轮所做的功也比较少，因此该驱动风扇所能提供的风量也是有限的。除此之外，柴油机内部的压力会随着负荷而发生变化，该风扇所提供的风量也会随之变化，这可以满足不同负荷下发动机的燃烧特点，可以更好地满足实际需要。除此之外，这种风扇的尺寸更小，能够被安装到车上，无论是普通的汽车还是军用车辆都可以安装。

2  柴油机中冷器的结构

2.1 水冷式中冷器的结构

目前，比较常用的柴油机水冷式中冷器结构是管片式的。这种形式的中冷器在制造的时候会在水管上套上散热片，这些散热片主要使用紫铜或者黄铜所制，然后运用堆锡焊进行焊接。通常来说，管片式中冷器内部的水管有叉排、顺排这两种形式，而水管截面的形状也较为多样，这与中冷器的实际使用情况有关。其中圆形管的使用率比较高，它在制作工艺上具有明显的优势，因此可靠性也比较强，但在使用的过程中也经常会出现空气流通受阻、存在压力损失的情况。而滴形和流线形的水管虽然可以避免这一问题，但是它受到制作工艺的限制，可靠性比较弱，因此应用率比较低。除此之外还有椭圆形的水管，它的传热系统比较高、空气阻力比较小，工艺性与可靠性位于圆管与扁管之间。因此，这种水管在柴油机中冷器当中的利用率是最高的。

在研究当中发现，中冷器各个冷却元件的结构参数对其使用性能具有明显的影响，水侧和气侧的流通面积比较小的情况下，空气的流速比较大;而当流换热系统比较达到情况下，流动阻力的损失也比较大。在使用的过程中，中冷器水侧的对流换热系数通常为气侧的10倍以上，散热面积则为气侧的1/10。表1为椭圆形水管的柴油机中冷器各个元件结构的推荐参数。

2.2 风冷式中冷器的结构

风冷式中冷器在运行的过程中会将环境空气进行冷却和增压，无论是热侧还是冷侧的换热介质都是空气，两侧的对流与换热系统也需要保持在同一数量级，同时还要确保两侧在换热面积上的相同。

其中比较常用的是板翅式的结构。这种结构的中冷器所使用的薄金属板厚度通常在0.6mm左右，翅片钎焊的薄金属板厚度通常为0.2mm左右，还需要在结构的两侧使用侧限制板来进行封焊。通常来说，各层的翅片方向需要保持互错90度，这样才能使两个不同方向的错流换热介质形成换热通道。这种结构比较紧凑，具有较大的传热面积，可以满足柴油机对传热效率的要求。

其中光直翅片的换热系数和阻力损失都是比较小的，在那些对阻力要求比较严格的场合可以使用。除此之外，锯齿翅片和多孔翅片也是比较常用的，它们可以有效增强气流的扰动，使传热效果得到进一步的强化。尤其是锯齿型的翅片，可以有效促进流体的湍动，使热阻边界被破坏，传热系统通常比普通翅片高30%左右。

管翅式的中冷器使用率也是比较高的，它是在板翅式的基础上发展起来的，将多孔的成型管材作为气侧通道。与板翅式相比，这种结构的中冷器的热气侧具有明显的优势，同时制作工艺也比较完善，可以有效提高传热效率和可靠性。但它的热气侧只能使用光直通道，无法运用扰流措施。

3  柴油机中冷器的优化设计

柴油机中冷器在运行的过程当中，效率和压力损失是两个最为主要的性能参数。在优化设计的过程中，需要将提高中冷器的换热效率和降低压力损失作为重点。为了实现这一目标，除了要关注冷却元件的传热系数之外，还需要适当地增加阻力，达到牺牲最小压力提高最大传热系数的目的。

在优化设计的过程中，为了得到满意的中冷效果，需要使中冷器能够在发动机处于不同工作条件下都能供应恒定温度的气体，而气体的温度与负荷有直接的关系。为了实现对发动机温度的降低，需要通过调节发动机和涡轮增压器来调节中冷器的工作特性，将进气温度控制在70度左右。为了实现这一目标，可以从以下四个方面对中冷器进行优化。第一是要尽量降低近期的气压，通常要小于2%;第二是要使冷却空气侧的压力降至最低;第三是要选择高效、低阻力的传热元件;第四是要确保中冷器的结构紧凑、具有较强的经济性能。

根据上述四个目标，需要对中冷器的换热能力、冷却介质以及压力损失这几个指标进行校核计算。根据校核的参数，在计算的时候主要分为以下两种情况。第一是运用对数平均温差法来校核散热面积是否满足要求;第二是运用效-传单元数法来校核增压空气和冷却空气在冷器出口的温度是否满足要求。

4  结束语

综上所述，中冷器的出现有效提高了内燃机的运行功率，降低了能源消耗、减轻了环境污染。随着柴油机中冷器的普及，其冷却方式也有所不同，目前已经出现了多种结构。本文基于中冷器的实际运用情况进行了优化设计，提出了常用的计算校核方法，这可以有效提高中冷器的工作效率。

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