V型船用發動機水空中冷器出氣腔結構改善試驗研究

王寶軍，孫晶晶，駱翠芳，夏新艷，朱江蘇

V型船用發動機水空中冷器出氣腔結構改善試驗研究

王寶軍，孫晶晶，駱翠芳，夏新艷，朱江蘇

（濰柴動力股份有限公司 發動機研究院，山東 濰坊 261061）

為解決V型船用發動機水空中冷器左右側中冷后溫度不均勻的問題，論文提出了在中冷器出氣腔內增加導流分隔板的改進方案。通過搭載發動機試驗，對比原方案與改進方案對左右側中冷后溫度分配均勻性的影響。結果表明，改進后的中冷器出氣腔可以有效地降低左右側中冷后溫度平均偏差，且不會影響中冷效率。改進后的中冷器出氣腔增加了導流分隔板，會一定程度上增大中冷壓降，但是增大的范圍可接受，仍然滿足發動機性能開發要求。

中冷器；出氣腔；導流分隔板；均勻性

1 引言

近年來，船用發動機普遍采用增壓中冷技術，有效的中冷技術可以降低增壓后氣體溫度，提高進氣密度，有助于減少廢氣排放和提高燃油經濟性。由于船用發動機使用環境中水資源較豐富，因此水空中冷器在船用發動機上應用較為普遍[1]。

水空中冷器是以水為冷卻介質，利用發動機內循環或者外循環的冷卻水對增壓后的氣體進行冷卻。對于V型發動機而言，冷卻后的氣體由左右兩側進氣管分別進入發動機的左右側氣缸，左右兩側氣體冷卻后溫度和壓力的均勻性，直接影響發動機左右側的輸出功率以及可靠性。本文以一種中冷器出氣腔為研究對象，在出氣腔內部設計導流分隔板，對比了無導流分隔板和有導流分隔板兩種狀態下左右側進氣溫度和中冷壓降情況，為中冷器出氣腔結構優化和深入研究打下基礎。

2 出氣腔結構與工作原理

V型船用發動機增壓后的氣體通過中冷器進氣腔進入中冷器，冷卻后的氣體通過中冷器出氣腔后分兩側進入發動機左右兩側的進氣管。圖1為中冷器出氣腔三維模型，上部與中冷器相連，底部左右兩個為出氣口，與發動機進氣管相連。

圖1 中冷器出氣腔簡化模型

流經中冷器的冷卻水從中冷器左側進水口進入中冷器，對內部的氣體進行冷卻后由中冷器右側出水口流出。冷卻水在剛進入中冷器時水溫較低，隨著流動過程中對氣體的冷卻，氣體會對冷卻水進行加熱，導致越靠近冷卻水出口的水溫越高，即從左到右冷卻水溫度逐漸升高。水溫升高后對中冷器內氣體的冷卻效果降低，于是出現A出氣口氣溫低，B出氣口氣溫高的情況，進而導致發動機左、右側進氣溫度差異較大的問題。

圖2 中冷器氣體流動示意圖

3 改進出氣腔結構及工作原理

3.1 改進出氣腔結構

如圖3所示為改進結構中冷器出氣腔示意圖，原出氣腔結構沒有導流分隔板，改進結構中增加了導流分隔板。出氣腔內部流道結構與原結構相同。導流分隔板的作用為對中冷后的氣體進行導流和再分配，以實現左右側冷后氣體的均勻混合。

圖3 改進結構中冷器出氣腔示意圖

3.2 改進出氣腔工作原理

圖4為改進結構中冷器出氣腔氣體流動示意圖，導流分隔版將中冷器出氣腔分割成兩部分，每一部分均可以將左、右側的高低溫氣體進行混合。同時，導流分隔板與出氣腔上、下壁面之間形成喉口，以滿足發動機高、低負荷時的冷后氣體混合均勻性需求。

圖4 改進結構中冷器出氣腔氣體流動示意圖

由伯努利方程和連續性方程推導得出流體質量流量與流通截面積、壓差的關系式為：

對于特定的流道結構，d和D均為已知定值，將m=V， V=Qt，代入上式中，同時簡化已知定值為常數μ，則在單位時間內，流量與截面積、壓差的關系式如下：

流量與流速之間的關系式如下：

= vA （3）

其中：

m—質量，單位為kg；

V—體積，單位為3；

Q—流量，單位為3/s；

μ—流量系數，與流通截面形狀有關；

A—流通截面積，單位為2；

P—流道前后的壓差，單位為Pa；

—流體的密度，單位為kg?3；

D—流通截面直徑，單位為m；

d—流通截面直徑，單位為m；

t—時間，單位為s；

v—速度，單位m/s。

在發動機低負荷時，進氣流量較小，導流分隔板與出氣腔上、下壁面之間形成喉口，根據公式（3）可知，在氣體流量一定的情況下，流通截面積減小，流速隨之增大，以保證小流量狀況下氣體的快速、均勻混合。

在發動機中高負荷時，進氣流量增大，導流分隔板在大流量氣體作用下移動，以增大流通截面積，保證發動機高速大負荷的進氣量需求。

由于導流分隔板的增加，改進結構相比原結構流通截面積減小，由公式（2）可知，在氣體流量不變的情況下，截面積減小，壓差在一定程度上會增大。

4 中冷器出氣腔性能試驗

4.1 試驗方法

試驗選取某V型船用柴油機，分別裝配原結構中冷器出氣腔以及改進結構的中冷器出氣腔，在發動機左右側進氣管入口位置分別布置進氣溫度和壓力傳感器，分別測量兩側進氣溫度和壓力情況。試驗原理圖如圖5，發動機試驗工況選擇怠速和額定兩種工況，待發動機穩定之后，每隔10min記錄一組數據，分別對比兩種結構出氣腔在兩種工況下的溫度和壓力數據。

圖5 試驗原理圖

4.2 試驗結果

試驗分別選取20組怠速工況和額定工況下改進前后中冷后左右側溫度和壓降數據，左右側溫度詳細數據如圖6、圖7所示。

圖6 怠速工況改進前后中冷后左右側溫度

圖7 額定工況改進前后中冷后左右側溫度

各工況采集數據點左右側中冷后溫度偏差按照如下公式計算：

其中：

D—左右側中冷后溫度偏差；

1—左側中冷后溫度，單位為℃；

2—右側中冷后溫度，單位為℃。

改進前后中冷后總溫度偏差按照如下公式進行計算：

其中，D—改進前后中冷后總溫度偏差。

各工況采集數據點左右側中冷平均壓降按照如下公式進行計算：

其中：

P1—左側中冷壓降，單位為kPa；

P2—右側中冷壓降，單位為kPa。

改進前后總中冷平均壓降按照如下公式計算：

其中，P—改進前后總中冷平均壓降。

由公式（4）計算得出怠速工況和額定工況下中冷后左右側溫度偏差數據，如圖8、圖9。

圖8 怠速工況改進前后中冷后左右溫度偏差

圖9 額定工況改進前后中冷后左右溫度偏差

由公式（6）計算得出怠速工況和額定工況下改進前后左右側中冷平均壓降數據如圖10、圖11所示。

圖10 怠速工況改進前后左右側中冷平均壓降

圖11 額定工況改進前后左右側中冷平均壓降

由公式（5）、公式（7）計算得出怠速工況和額定工況下中冷后總溫度偏差和總中冷平均壓降，如表1、表2所示。

表1 中冷后總溫度偏差

表2 總中冷平均壓降

5 試驗研究結論

本文選取某V型船用發動機為試驗對象，分別裝配改進前和改進后的中冷器集氣腔，對中冷后的左右側溫度和壓降進行定性和定量分析，同時分析了出氣腔內的導流分隔版對中冷后氣體的分配作用。通過本次試驗研究，得出如下結論：

（1）改進的中冷器出氣腔可以有效地降低左右側中冷后溫度平均偏差，怠速工況下平均偏差由原來的2.14%降低至0.33%；額定工況下平均偏差由原來的5.41%降低至1.72 %。且更改后左右側中冷后的溫度處于更改前左右兩側溫度的區間內，改進結構不會影響中冷效率，只是對左右側冷后溫度進行了重新分配。

（2）增加導流分隔板之后會一定程度上增大中冷壓降，怠速工況下平均壓降由原來的0.25增加至0.27；額定工況下平均壓降由原來的1.64增加至1.81。但是增大的范圍可接受，仍然滿足發動機性能開發要求。

[1] 周龍保.內燃機學（第3版）[M].北京:機械工業出版社,2005.

[2] 楊連生.內燃機設計[M].北京:中國農業機械出版社,1981.

[3] 范凱新,宋希庚,張拓,等.帶有導流板中冷器集氣殼數值模擬[J]. 農業裝備與車輛工程, 2019, 57(01):53-55.

[4] 李晗,田杰,李朝勇.空空中冷器流動均勻性研究[J].中國農機化學報,2019,000(008):P.104-108.

[5] 張博峰,王芳蘭,索建秦.中冷器內流道流動均勻性研究[J].農業裝備與車輛工程, 2017,055(012):24-28.

The Research of air outlet chamber structure improvement on water Air Cooler of V-type Marine Engine

Wang Baojun, Sun Jingjing, Luo Cuifang, Xia Xinyan, Zhu Jiangsu

( R&D Center of Weichai Power Co., Ltd., Shandong Weifang 261061）

In order to solve the non-uniform temperature problem in the left and right sides of the water Air Cooler on V-type Marine Engine, an improved scheme of adding diversion separation plate in the air outlet chamber of the Air Cooler was proposed. The influence of the original scheme and the improved scheme on the distribution uniformity of the temperature between the left and right sides was compared by engine test. The results show that the improved air outlet chamber of the Air Cooler can effectively reduce the average temperature deviation of the left and right sides after cooling without affecting the cooling efficiency. After adding the diversion separator, the air pressure drop will be increased to a certain extent, but the increased range is acceptable, which still meets the requirements of engine performance development.

Air cooler; Air outlet chamber; Diversion separation plate; Uniformity

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.04.030

U464

A

1671-7988(2021)04-98-04

U464

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1671-7988(2021)04-98-04

王寶軍（1986-），男，本科學歷，工程師，就職于濰柴動力股份有限公司發動機研究院。