進氣雙級中冷技術在燃氣機上的應用分析

摘 要：進氣增壓中冷技術已經在內燃機領域中得到了廣泛的應用。文章結合燃氣發動機進氣中冷以及發動機冷卻系統的現狀和特點，提出并分析了進氣雙級中冷技術及其配套冷卻系統在燃氣發動機上應用的技術方案和技術優勢。

關鍵詞：雙級中冷；燃氣發動機；冷卻系統；高溫循環；低溫循環

1 引言

燃氣發動機作為可燃氣體綜合利用的一種動力設備，具有較強的經濟性和環保性，燃氣機已得到國內外節能環保人士的廣泛認可。作為燃氣發動機關鍵技術之一的增壓中冷技術及其配套冷卻系統，也已經作為發動機研究的重要課題之一。燃氣發動機采用增壓技術使燃氣發動機的功率、經濟性和排放得到了較大的提高。但是進氣增壓在提高混合氣體（空氣和燃氣）密度的同時，勢必帶來混合氣溫度的升高，溫度的提升反過來對提高進氣效率、降低發動機爆壓、降低排放中的氮氧化合物（NOx）以及改善發動機低速性能起到反作用，因此進氣中冷技術及其配套冷卻系統對燃氣發動機是非常必要的。

然而，目前燃氣發動機一般采用進氣單級中冷冷卻系統，該冷卻系統能夠對低增壓比、低功率、低性能的燃氣機在降低進氣溫度、降低排放等有一定作用。但是，隨著人們對發動機的功率和效率、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氣機來說，其單級中冷及其配套冷卻系統的效果非常有限，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化冷卻系統等問題仍需進一步研究與改進。

為此，文章提出了一種更有效的提高中冷效果的技術方案，即進氣雙級中冷技術以及配套冷卻系統，該技術就是采用進氣雙級中冷器，并對燃氣機高低溫冷卻系統進行散熱平衡優化調整，使增壓后的氣體經過兩級冷卻達到深層次降溫，以滿足發動機高增壓比、高功率、低排放以及高性能的要求。

2 進氣單級中冷技術分析以及進氣雙級技術及冷卻系統提出

目前，增壓燃氣機普遍使用的是高、低溫分開冷卻系統，并采用單級中冷器對增壓氣體進行冷卻。高溫循環水只冷卻發動機缸蓋、機體后進入熱交換器循環冷卻；低溫冷卻循環水依次進入單級中冷器冷卻氣體、油冷器冷卻機油。然而在以各種可燃氣體為燃料迅速發展起來的燃氣增壓發動機來說，應用該技術和冷卻系統存在如下的缺點或不足。（單級中冷及配套冷卻系統示意圖如圖1所示）

（1）通常的燃氣增壓發動機在高功率運行時，特別是在環境溫度較高，增壓后的氣體溫度將會更高，用單級的冷卻系統就很難達到設計的冷卻效果，進而影響進氣效率，影響整機功率以及其他性能。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定的較低進氣溫度，效果不明顯，配套成本也較高。

（2）通常的燃氣增壓發動機的中冷器是單級冷卻，即只是單一冷側介質對熱側增壓氣體進行降溫冷卻，沒有充分利用發動機自身的高溫循環水進行初次冷卻，達不到深層次冷卻效果。

（3）對于高增壓、高功率、高溫環境下的燃氣機來說，若采用單級冷卻系統，中冷后的效果要達到設計要求，其低溫換熱負荷較大，對低溫水泵性能以及單級中冷器要求會更高。

（4）燃氣機在低溫（環境溫度小于-5℃時）啟動時，由于啟動時，增壓器基本不起作用，其進氣的溫度較低，對于燃氣機來說，較低的混合氣體很難著火啟動。因此單級中冷系統的發動機為了達到易啟動，需增加外部設備對進氣進行一定的預熱溫升。

（5）通常的燃氣增壓發動機在沒有外部設備或熱源對機油和機體預熱時，發動機很難啟動，起啟動時機油溫度低造成機油粘稠，流動性能差，促使主油道油壓過高和各摩擦副潤滑不到位。

為了使增壓燃氣機在高負荷高溫環境下能夠達到更高的中冷效果，從而滿足發動機低排放、降低爆震極限、各項性能優越的要求，解決單級中冷及其配套冷卻系統在增壓燃氣機帶來的的不足問題。為此，結合燃氣機冷卻系統的實際情況以及特點，采用進氣雙級技術及其配套冷卻系統是較為先進的方法之一。

3 進氣雙級中冷技術及其冷卻系統原理

進氣雙級中冷技術及其冷卻系統原理圖見圖2所示。該技術系統采用雙級冷卻器，對燃氣機高低溫冷卻系統重新布局調整，并充分利用高低溫冷卻循環水對增壓后的氣體進行兩級深層冷卻。

進氣一級中冷及高溫循環系統流程：用于冷卻燃氣機的機體、缸蓋及缸套的高溫出水經高溫多風扇水箱熱交換器冷卻，冷卻后的高溫水流經油冷器，高溫水與油冷器內的發動機機油換熱后進入雙級中冷器的高溫冷卻一級冷卻器，進而對增壓中冷后的高溫進氣進行第一次冷卻，經換熱的高溫水流入發動機對缸蓋和機體進行循環冷卻。

進氣二級中冷及高溫循環系統流程：低溫冷卻水經低溫多風扇水箱熱交換器冷卻，冷卻后的低溫水經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氣熱交換，進而將進氣深層冷卻，在該低溫冷卻二級冷卻器旁并聯了一個電動低溫節溫器，當發動機起動時，進氣溫度低于規定值時，電動低溫節溫器打開，低溫水不經過低溫冷卻二級冷卻器直接流入低溫多風扇水箱熱交換器；當發動機運行時，進氣溫度高于規定值時，電動低溫節溫器關閉，低溫水經過低溫冷卻二級冷卻器對一次冷卻進氣進行二次深層冷卻，之后低溫水流入低溫多風扇水箱熱交換器。

該冷卻系統有效地利用了高溫循環水在啟動發動機時對機油的加熱，并且實現對進氣的預熱，在保證啟動時對發動機各摩擦副的潤滑，而且預熱的進氣促使發動機容易啟動。在發動機運行時實現了充分利用發動機自身的高溫循環水經高溫一級冷卻器對高溫氣體進行初次冷卻，再通過低溫循環水經低溫二級冷卻器對初次冷卻后的氣體再次冷卻，達到了深層次冷卻效果，有效地降低進氣溫度，提高了進氣密度，從而實現稀薄燃燒，提高發動機動力性能。

4 雙級中冷器的結構與設計

為了降低燃氣機低溫散熱負荷及低溫水泵高流量高性能的要求，使高、低溫水循環系統散熱負荷基本達到一定的均衡，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行設計計算，即分別對一級（高溫水）中冷器和二級（低溫水）中冷器進行計算。為了簡化二級冷卻器在燃氣機上的布置安裝，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，進而形成高溫-低溫雙級中冷器。

經測算，增壓后的氣體溫度一般在120℃～180℃之間，氣體經過一級（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）中冷器冷卻到設計的溫度（一般45℃～50℃）為宜，按此溫度結合發動機高低溫水泵流量，進行中冷器兩級散熱面積的計算設計。

5 應用案例及效果分析

國內某公司12V190燃氣機在通過匹配高增壓比的增壓器來提高發動機功率（由原來單機功率650 kW提高到750kW）及其性能時，設計兩種方案：一種方案采用原機老式冷卻系統，即單級中冷技術及其配套冷卻系統；第二種方案采用雙級中冷器技術及其配套冷卻系統。這兩種方案使用的高低溫水泵流量和性能均相同，單機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驗結果如表1所示。

通過實驗表明采用二級中冷器及其配套冷卻系統，其中冷后的效果明顯優于一級冷卻效果，同樣功率下的缸內最大爆發壓力、平均缸溫、平均排溫和排放也優于單機冷卻系統。

綜上，國內外燃氣機上應用雙級中冷及其配套冷卻系統都得到一定的應用。在燃氣機同樣輸出功率、相同的中冷散熱面積以及同樣的高低溫水泵的前提下，采用雙級中冷技術及其配套冷卻系統其燃氣機的中冷效果以及其他性能優于單級中冷系統。

6 結束語

雙級中冷技術及其配套冷卻系統是目前燃氣發動機進氣深冷以及提高發動機性能的最佳措施之一，它通過使用雙級中冷器，降低低溫散熱熱負荷，并使燃氣機高、低溫散熱達到一定平衡，熱平衡比例更加合理，促使增壓后的混合氣體達到深層次的冷卻效果，并有利于機組在低溫情況下加熱氣體進而提高燃氣機易啟動的效果。

雙級中冷技術及其配套冷卻系統達到了燃氣機高溫環境下、高增壓比、高負荷運行所需要深度冷卻效果，有效地降低進氣溫度，提高了進氣密度，降低最高爆發壓力從而最大限度的抑制爆震發生，有利于實現稀薄燃燒，降低排放，提高發動機動力性能。

參考文獻

[1]西安交通大學內燃機教研室.內燃機原理[M].北京：中國農業機械出版社，1978.

[2]周龍保.內燃機學（第2版）[M].北京：機械工業出版社，2005.

作者簡介：程寶（1982-），男，工程師，研究方向：內燃機技術。