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1 概述
商用车柴油发动机通过废气涡轮增压提高发动机充气密度，以增加进气量，在此条件下，增加循环供油量来提高发动机的功率，将废气能量进行回收以提高热效率，降低了发动机油耗率。采用涡轮增压，尤其是增压比增加以后，会使压气机出口空气温度升高。中冷器的作用就是降低压气机后压缩空气的温度，从而提升功率和降低油耗。但随着中冷器进气温度的升高，中冷器的铝材的热应力急剧提高，在热应力和机械应力的叠加下，中冷器出现故障而失效的概率增大。由此可见，高可靠性的中冷器，是保证发动机具有较高的功率、较好的燃油经济性的基本条件。本文所述的中冷器为空空中冷器，它是管带式的铝中冷器，散热管内部有紊流条。
2 中冷器失效模式
据市场反馈，出现多起中冷器失效的问题，故障集中在匹配500 Ps 以上某款发动机的重型车辆上。失效件的95%集中分布在西南、西北高海拔工况地区，其车辆运营在多山、重载负荷工况下，失效件的地域分布如表1所示。
其中失效里程在10万公里以内，占比90%以上，属于早期失效。
表1 失效件地域分布统计
通过对失效件进行分析，95%以上的故障表现为中冷器进气侧1～6根散热管根部、主板根部出现开裂，如图1所示。
图1 中冷器故障表现
从图2中冷器主片和散热管之间裂纹宏观图可以看出，中冷主片内部的裂
图2 主板与管子之间裂纹宏观图
3 中冷器失效原因分析
3.1 高温下铝材机械特性下降
3.1.1 中冷器进气温度变化
2017年开始，对发动机涡轮增压器进行了更改，造成中冷器进气温度增
加。从现有车型中选取5辆车进行中冷进气温度系统台驾测试。在发动机全功率全负荷试验情况下，测试数据表明，在功率点的时候中冷进气温度较高，
重型商用车中冷器
失效分析及改进汽车涡轮增压器
□文/陈 承 王 伟 刘景超
【摘要】文章对某重型商用车中冷器出现的失效问题进行原因分析，提出了相应的改进方案，并将改进前、后的中冷器方案进行对比，将优化后的方案进行台架试验对比。经过市场的考验，大幅度提高了中冷器的质量，提升了客户满意度。
地 域失效样件数(个)占比（%）
云南20439宁夏16932四川11021青海163甘肃92西安71辽宁71江西
2
1
HEAVY TRUCK《重型汽车》
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表2 台架实测中冷器进气温度（℃）
为更好地复现市场问题，在云南海
通及红河地区进行了跟车试验，对中
冷器进气温度实地测试。测试车辆载
重32t，整车平均负荷率81%，测试数
据见表3。从跟车测试数据可以看出，
在环境温度较低、发动机还未满负荷的
情况下，中冷器的进口温度就可能达到
230℃以上了。
表3 长上坡路况跟车测试进气中冷温度(℃)
3.1.2 中冷器管材机械特性下降
中冷器采用的散热管为薄壁管，内
部焊接紊流条。采用这种结构可以增大
空气流通的接触面积，同时由于紊流的
作用，增加空气换热的同时降低了压力
损失。中冷器散热管一般采用铝合金材
料。铝合金材料焊接后高温机械性能
见图3所示。当温度为220℃时，铝材
的屈服强度降低26.7%，抗拉强度降低
5.6%。铝合金材料的S-N曲线见图4
所示，由S-N曲线可以看出，温度对
材料的疲劳曲线影响非常大，温度越高
材料的疲劳特性越差。以35Mpa的应
力值为例，在205℃下接近30万次疲
劳寿命，230℃下接近2万次疲劳寿命，
260℃仅有1千次疲劳寿命。
由上述的铝散热管的机械特性，结
合表2、表3中冷器温度变化可以看出，
中冷器进气口温度达到255℃，已经超
过了铝材所能承受的极限温度230℃。
对于耐230℃以上的高温铝材，目前行
业内技术领先的原材料厂家都还处在研
制阶段，更没有商业化量产，今后即使
商业化了，成本也会增加30％以上，
所以，需要对发动机增压器进行更改，
降低中冷器的进气温度，最高的极限温
度为230℃。
图3 铝合金材料焊后高温机械性能
图4 铝合金材料S-N曲线
3.2 增压空气对散热管的扭转疲
劳冲击
中冷器的固定点在图5中所示的红
圆圈部位，所受到的力为F
fix
，中冷
器的进气管口受到的增压空气压力为
F
gas
，中冷进气管口与固定点的力臂距
离为y。压力的计算公式为式(1)，扭
矩的计算公式为式(2)。
F = P·S (1)
式中 P——压强，Pa；
S——面积，m2。
M = F·L (2)
式中 M——扭矩，N·m；
L——力矩，m。
图5 中冷器受力图
中冷器进气管进口的压力为
3×105Pa，力臂为0.25m，中冷管口
直径为0.09m，由此，可以计算得出
所受到的压力及力矩。
由上述计算得出，中冷器散热管
尤其是前1～2排管子受到的扭矩为
477N·m，中冷器一直在如此大的扭
矩下工作，扭转疲劳会造成中冷器损坏。
4 中冷器改善
4.1 发动机增压器更改
通过对市场上主流车型的竞品发动
机进行分析，在相同马力、排放的条件
下，中冷器进口的温度均在210℃以下，
参见表4。为了提升整车的竞争力，对
发动机增压器进行了更改，使中冷器的
进气口温度极限温度≤230℃。
表4 竞品发动机进气温度分析
4.2 中冷器结构优化
4.2.1 工艺改进
虽然发动机的中冷温度降低到
230℃以下，但从图3和图4看出，散
热管的机械性能和疲劳寿命相比200℃
大幅降低，所以中冷器自身仍需进行改
进。中冷器失效表现主要是散热管和主
板根部的开裂。对中冷器进行热疲劳分
析，应力集中部位就在散热管与主板的
根部，如图6所示。故对散热管和主板
连接处焊接工艺进行改进，可以有效降
低根部的热应力。在相同温度条件下，
分析得到的热应力结果如表5所示。工
艺改进以后，热应力下降了43%。
图6 散热管与主板根部应力
车
型
扭矩点功率点
环境温度中冷进气温度环境温度中冷进气温度
132.919335.5218.2
231208.626.7233.9
327.9208.228.2255.3
430.9203.634239.8
523.2230.123.6246.5
环境温度中冷进气温度
22221
22225
24230
24235
24225
发动机厂家123
发动机排量(L)131313
发动机(马力)560560560
发动机工况额定功率点
环境温度（℃）31.12745
中冷进口温度(℃)≤210≤190≤190
QICHEYINGYONG
汽车应用
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表5 工艺改进前、后热应力值
4.2.2 中冷器固定方式更改
为了减少增压空气对散热管扭转疲劳冲击，在中冷器管口增加横拉杆，参见图6。增加拉杆后，中冷器的力臂转移到了拉杆处，力臂减小到了0.05 m。根据公式(2)，计算得到中冷器所受到的力矩：
M fix = 1 907×0.05 = 95（Nm)由计算的结果可以看出，扭矩由477 Nm 降低到95 Nm，降低了80%。
图7 增加拉杆后中冷器受力图
5 试验验证
5.1 发动机试验
在反馈发动机漏气、动力不足的用户车上进行验证，在典型的坡度和海拔下，保证原车摸底和方案验证的路线相同、司机相同、载重相同。试验的主要路线为云南大理汽车货运站至永安村附
近往返，坡度4.5%。在保证发动机动力性、经济性不改变的前提下，对涡轮增压器进行更改，改进后的
温度满足≤230 ℃，参见图8。
图8 改进前、后中冷进气温度对比
5.2 中冷器台架试验
将改进前、后的中冷器在台架上进行压力循环试验。在给定的温度条件下，通过改变压力，在给定的循环次数下，
中冷器不得有裂纹、脱焊及明显变形等现象。通过压力循环试验得到的结果见表6。从台架试验结果可以看出，焊接工艺改进前，中冷器很快发生泄漏，故障的模式为靠近中冷器进气端1～4根散热管的根部出现开裂，与市场上故障件的故障模式一致，故障再现。
改进中冷器散热管和主板的焊接工
艺，压力循环次数虽然可以增加1.5倍，但是仍然出现泄露。在中冷器散热管和主板的焊接工艺改进的同时，中冷器气室上增加拉杆结构，压力循环次数2.8倍，未再出现泄露问题，由此可以表明，中冷器的改进满足设计要求。
6 结论
本文对用户反馈的中冷器失效故障进行了原因分析、方案改进、试验验证，得到如下结论：
①中冷器主要的失效表现为散热管和主板根部的开裂，主要原因是中冷器进气温度过高，造成散热管机械性能、疲劳寿命下降。
②改进中冷器散热管和主板根部的焊接工艺，可以有效降低中冷器热应力，更改后热应力下降43%。
③在中冷器气室增加固定拉杆，可以降低增压空气对散热管的扭转疲劳冲击，进一步提高中冷器的抗扭性。
④经过试验验证，改进后的中冷器质量提高，提升了用户满意度。
（参考文献略）
状 态改进前改进后应力值（με)
27 044
15 365
试验样件工艺改进前
工艺改进后
工艺改进后+拉杆
温度（℃）230230230循环次数≤100 000≤250 000≥380 000试验结果泄露
泄露
无泄露失效部位
靠近进气端1～4根管根部靠近进气端1～2根管根部
未损坏
表6 中冷器台架试验
2010年4月，斯堪尼亚发布了旗下730马力版本车型，在当时堪称是世界上最大马力车型，引得国内外众多卡友关注，但它却并没有止步于此。
2020年9月28日，斯堪尼亚在瑞典南泰利耶总部发布了全新一代V8卡车系列车型，而在这展出的所有车
型中，最具看点也最受厂家吹捧的，则是一台搭载着770马力大心脏的斯堪尼亚770S 牵引车。
根据外媒报道，这款斯堪尼亚
770马力车型是目前量产商用车型中的最大马力车型，而凭借于此斯堪尼亚也从沃尔沃手中重新夺得了欧洲最大马力车型称号。这款770马力发动机排量在16升左右，最大输出扭矩可达到3 500牛米，同时满足国六排放标准。
除了这款770马力车型外，斯堪尼亚全新一代V8系列车型还提供有530、590、660等三种马力车型，皆满足国六排放标准。
斯堪尼亚770马力全新V8车型上市
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