進(jìn)氣雙級中冷技術(shù)在燃?xì)鈾C(jī)上的應(yīng)用分析

摘 要：進(jìn)氣增壓中冷技術(shù)已經(jīng)在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。文章結(jié)合燃?xì)獍l(fā)動機(jī)進(jìn)氣中冷以及發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的現(xiàn)狀和特點(diǎn)，提出并分析了進(jìn)氣雙級中冷技術(shù)及其配套冷卻系統(tǒng)在燃?xì)獍l(fā)動機(jī)上應(yīng)用的技術(shù)方案和技術(shù)優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：雙級中冷；燃?xì)獍l(fā)動機(jī)；冷卻系統(tǒng)；高溫循環(huán)；低溫循環(huán)

1 引言

燃?xì)獍l(fā)動機(jī)作為可燃?xì)怏w綜合利用的一種動力設(shè)備，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，燃?xì)鈾C(jī)已得到國內(nèi)外節(jié)能環(huán)保人士的廣泛認(rèn)可。作為燃?xì)獍l(fā)動機(jī)關(guān)鍵技術(shù)之一的增壓中冷技術(shù)及其配套冷卻系統(tǒng)，也已經(jīng)作為發(fā)動機(jī)研究的重要課題之一。燃?xì)獍l(fā)動機(jī)采用增壓技術(shù)使燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的功率、經(jīng)濟(jì)性和排放得到了較大的提高。但是進(jìn)氣增壓在提高混合氣體（空氣和燃?xì)猓┟芏鹊耐瑫r，勢必帶來混合氣溫度的升高，溫度的提升反過來對提高進(jìn)氣效率、降低發(fā)動機(jī)爆壓、降低排放中的氮氧化合物（NOx）以及改善發(fā)動機(jī)低速性能起到反作用，因此進(jìn)氣中冷技術(shù)及其配套冷卻系統(tǒng)對燃?xì)獍l(fā)動機(jī)是非常必要的。

然而，目前燃?xì)獍l(fā)動機(jī)一般采用進(jìn)氣單級中冷冷卻系統(tǒng)，該冷卻系統(tǒng)能夠?qū)Φ驮鰤罕取⒌凸β省⒌托阅艿娜細(xì)鈾C(jī)在降低進(jìn)氣溫度、降低排放等有一定作用。但是，隨著人們對發(fā)動機(jī)的功率和效率、排放等要求的不斷提高，對于采用高增壓比帶來的功率和性能不斷提高的燃?xì)鈾C(jī)來說，其單級中冷及其配套冷卻系統(tǒng)的效果非常有限，已不滿足提高充氣效率、降低爆壓和排放的要求。因此更有效地提高中冷效果以及優(yōu)化冷卻系統(tǒng)等問題仍需進(jìn)一步研究與改進(jìn)。

為此，文章提出了一種更有效的提高中冷效果的技術(shù)方案，即進(jìn)氣雙級中冷技術(shù)以及配套冷卻系統(tǒng)，該技術(shù)就是采用進(jìn)氣雙級中冷器，并對燃?xì)鈾C(jī)高低溫冷卻系統(tǒng)進(jìn)行散熱平衡優(yōu)化調(diào)整，使增壓后的氣體經(jīng)過兩級冷卻達(dá)到深層次降溫，以滿足發(fā)動機(jī)高增壓比、高功率、低排放以及高性能的要求。

2 進(jìn)氣單級中冷技術(shù)分析以及進(jìn)氣雙級技術(shù)及冷卻系統(tǒng)提出

目前，增壓燃?xì)鈾C(jī)普遍使用的是高、低溫分開冷卻系統(tǒng)，并采用單級中冷器對增壓氣體進(jìn)行冷卻。高溫循環(huán)水只冷卻發(fā)動機(jī)缸蓋、機(jī)體后進(jìn)入熱交換器循環(huán)冷卻；低溫冷卻循環(huán)水依次進(jìn)入單級中冷器冷卻氣體、油冷器冷卻機(jī)油。然而在以各種可燃?xì)怏w為燃料迅速發(fā)展起來的燃?xì)庠鰤喊l(fā)動機(jī)來說，應(yīng)用該技術(shù)和冷卻系統(tǒng)存在如下的缺點(diǎn)或不足。（單級中冷及配套冷卻系統(tǒng)示意圖如圖1所示）

（1）通常的燃?xì)庠鰤喊l(fā)動機(jī)在高功率運(yùn)行時，特別是在環(huán)境溫度較高，增壓后的氣體溫度將會更高，用單級的冷卻系統(tǒng)就很難達(dá)到設(shè)計的冷卻效果，進(jìn)而影響進(jìn)氣效率，影響整機(jī)功率以及其他性能。即使配備大流量水泵和足夠大的散熱面積單級中冷器也很難降到設(shè)定的較低進(jìn)氣溫度，效果不明顯，配套成本也較高。

（2）通常的燃?xì)庠鰤喊l(fā)動機(jī)的中冷器是單級冷卻，即只是單一冷側(cè)介質(zhì)對熱側(cè)增壓氣體進(jìn)行降溫冷卻，沒有充分利用發(fā)動機(jī)自身的高溫循環(huán)水進(jìn)行初次冷卻，達(dá)不到深層次冷卻效果。

（3）對于高增壓、高功率、高溫環(huán)境下的燃?xì)鈾C(jī)來說，若采用單級冷卻系統(tǒng)，中冷后的效果要達(dá)到設(shè)計要求，其低溫?fù)Q熱負(fù)荷較大，對低溫水泵性能以及單級中冷器要求會更高。

（4）燃?xì)鈾C(jī)在低溫（環(huán)境溫度小于-5℃時）啟動時，由于啟動時，增壓器基本不起作用，其進(jìn)氣的溫度較低，對于燃?xì)鈾C(jī)來說，較低的混合氣體很難著火啟動。因此單級中冷系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)為了達(dá)到易啟動，需增加外部設(shè)備對進(jìn)氣進(jìn)行一定的預(yù)熱溫升。

（5）通常的燃?xì)庠鰤喊l(fā)動機(jī)在沒有外部設(shè)備或熱源對機(jī)油和機(jī)體預(yù)熱時，發(fā)動機(jī)很難啟動，起啟動時機(jī)油溫度低造成機(jī)油粘稠，流動性能差，促使主油道油壓過高和各摩擦副潤滑不到位。

為了使增壓燃?xì)鈾C(jī)在高負(fù)荷高溫環(huán)境下能夠達(dá)到更高的中冷效果，從而滿足發(fā)動機(jī)低排放、降低爆震極限、各項(xiàng)性能優(yōu)越的要求，解決單級中冷及其配套冷卻系統(tǒng)在增壓燃?xì)鈾C(jī)帶來的的不足問題。為此，結(jié)合燃?xì)鈾C(jī)冷卻系統(tǒng)的實(shí)際情況以及特點(diǎn)，采用進(jìn)氣雙級技術(shù)及其配套冷卻系統(tǒng)是較為先進(jìn)的方法之一。

3 進(jìn)氣雙級中冷技術(shù)及其冷卻系統(tǒng)原理

進(jìn)氣雙級中冷技術(shù)及其冷卻系統(tǒng)原理圖見圖2所示。該技術(shù)系統(tǒng)采用雙級冷卻器，對燃?xì)鈾C(jī)高低溫冷卻系統(tǒng)重新布局調(diào)整，并充分利用高低溫冷卻循環(huán)水對增壓后的氣體進(jìn)行兩級深層冷卻。

進(jìn)氣一級中冷及高溫循環(huán)系統(tǒng)流程：用于冷卻燃?xì)鈾C(jī)的機(jī)體、缸蓋及缸套的高溫出水經(jīng)高溫多風(fēng)扇水箱熱交換器冷卻，冷卻后的高溫水流經(jīng)油冷器，高溫水與油冷器內(nèi)的發(fā)動機(jī)機(jī)油換熱后進(jìn)入雙級中冷器的高溫冷卻一級冷卻器，進(jìn)而對增壓中冷后的高溫進(jìn)氣進(jìn)行第一次冷卻，經(jīng)換熱的高溫水流入發(fā)動機(jī)對缸蓋和機(jī)體進(jìn)行循環(huán)冷卻。

進(jìn)氣二級中冷及高溫循環(huán)系統(tǒng)流程：低溫冷卻水經(jīng)低溫多風(fēng)扇水箱熱交換器冷卻，冷卻后的低溫水經(jīng)雙級中冷器的低溫冷卻二級冷卻器，與第一次冷卻后的中溫進(jìn)氣熱交換，進(jìn)而將進(jìn)氣深層冷卻，在該低溫冷卻二級冷卻器旁并聯(lián)了一個電動低溫節(jié)溫器，當(dāng)發(fā)動機(jī)起動時，進(jìn)氣溫度低于規(guī)定值時，電動低溫節(jié)溫器打開，低溫水不經(jīng)過低溫冷卻二級冷卻器直接流入低溫多風(fēng)扇水箱熱交換器；當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)行時，進(jìn)氣溫度高于規(guī)定值時，電動低溫節(jié)溫器關(guān)閉，低溫水經(jīng)過低溫冷卻二級冷卻器對一次冷卻進(jìn)氣進(jìn)行二次深層冷卻，之后低溫水流入低溫多風(fēng)扇水箱熱交換器。

該冷卻系統(tǒng)有效地利用了高溫循環(huán)水在啟動發(fā)動機(jī)時對機(jī)油的加熱，并且實(shí)現(xiàn)對進(jìn)氣的預(yù)熱，在保證啟動時對發(fā)動機(jī)各摩擦副的潤滑，而且預(yù)熱的進(jìn)氣促使發(fā)動機(jī)容易啟動。在發(fā)動機(jī)運(yùn)行時實(shí)現(xiàn)了充分利用發(fā)動機(jī)自身的高溫循環(huán)水經(jīng)高溫一級冷卻器對高溫氣體進(jìn)行初次冷卻，再通過低溫循環(huán)水經(jīng)低溫二級冷卻器對初次冷卻后的氣體再次冷卻，達(dá)到了深層次冷卻效果，有效地降低進(jìn)氣溫度，提高了進(jìn)氣密度，從而實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒，提高發(fā)動機(jī)動力性能。

4 雙級中冷器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計

為了降低燃?xì)鈾C(jī)低溫散熱負(fù)荷及低溫水泵高流量高性能的要求，使高、低溫水循環(huán)系統(tǒng)散熱負(fù)荷基本達(dá)到一定的均衡，并且最大限度的滿足二級中冷的效果。因此需要對二級中冷器進(jìn)行設(shè)計計算，即分別對一級（高溫水）中冷器和二級（低溫水）中冷器進(jìn)行計算。為了簡化二級冷卻器在燃?xì)鈾C(jī)上的布置安裝，將雙級冷卻器做成一整個中冷器，將中冷器的水腔和水管分成兩路，一路走高溫水，一路走低溫水，進(jìn)而形成高溫-低溫雙級中冷器。

經(jīng)測算，增壓后的氣體溫度一般在120℃～180℃之間，氣體經(jīng)過一級（高溫水）中冷器冷卻后的溫度控制在80℃～90℃之間，再將此溫度的氣體通過二級（低溫水）中冷器冷卻到設(shè)計的溫度（一般45℃～50℃）為宜，按此溫度結(jié)合發(fā)動機(jī)高低溫水泵流量，進(jìn)行中冷器兩級散熱面積的計算設(shè)計。

5 應(yīng)用案例及效果分析

國內(nèi)某公司12V190燃?xì)鈾C(jī)在通過匹配高增壓比的增壓器來提高發(fā)動機(jī)功率（由原來單機(jī)功率650 kW提高到750kW）及其性能時，設(shè)計兩種方案：一種方案采用原機(jī)老式冷卻系統(tǒng)，即單級中冷技術(shù)及其配套冷卻系統(tǒng)；第二種方案采用雙級中冷器技術(shù)及其配套冷卻系統(tǒng)。這兩種方案使用的高低溫水泵流量和性能均相同，單機(jī)中冷器和二級中冷器的總散熱面積相同，不同的是二級冷卻器按一定的比例分成以及高溫水中冷器和二級低溫中冷器。其兩種冷卻方案對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

通過實(shí)驗(yàn)表明采用二級中冷器及其配套冷卻系統(tǒng)，其中冷后的效果明顯優(yōu)于一級冷卻效果，同樣功率下的缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力、平均缸溫、平均排溫和排放也優(yōu)于單機(jī)冷卻系統(tǒng)。

綜上，國內(nèi)外燃?xì)鈾C(jī)上應(yīng)用雙級中冷及其配套冷卻系統(tǒng)都得到一定的應(yīng)用。在燃?xì)鈾C(jī)同樣輸出功率、相同的中冷散熱面積以及同樣的高低溫水泵的前提下，采用雙級中冷技術(shù)及其配套冷卻系統(tǒng)其燃?xì)鈾C(jī)的中冷效果以及其他性能優(yōu)于單級中冷系統(tǒng)。

6 結(jié)束語

雙級中冷技術(shù)及其配套冷卻系統(tǒng)是目前燃?xì)獍l(fā)動機(jī)進(jìn)氣深冷以及提高發(fā)動機(jī)性能的最佳措施之一，它通過使用雙級中冷器，降低低溫散熱熱負(fù)荷，并使燃?xì)鈾C(jī)高、低溫散熱達(dá)到一定平衡，熱平衡比例更加合理，促使增壓后的混合氣體達(dá)到深層次的冷卻效果，并有利于機(jī)組在低溫情況下加熱氣體進(jìn)而提高燃?xì)鈾C(jī)易啟動的效果。

雙級中冷技術(shù)及其配套冷卻系統(tǒng)達(dá)到了燃?xì)鈾C(jī)高溫環(huán)境下、高增壓比、高負(fù)荷運(yùn)行所需要深度冷卻效果，有效地降低進(jìn)氣溫度，提高了進(jìn)氣密度，降低最高爆發(fā)壓力從而最大限度的抑制爆震發(fā)生，有利于實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒，降低排放，提高發(fā)動機(jī)動力性能。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：程寶（1982-），男，工程師，研究方向：內(nèi)燃機(jī)技術(shù)。