進(jìn)氣雙級(jí)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(dòng)機(jī)進(jìn)氣中冷以及發(fā)動(dòng)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(jí)中冷技術(shù)及其配套冷卻系統(tǒng)在燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的技術(shù)方案和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：雙級(jí)中冷；燃?xì)獍l(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)作為可燃?xì)怏w綜合利用的一種動(dòng)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(guó)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(dòng)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(dòng)機(jī)研究的重要課題之一。燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)采用增壓技術(shù)使燃?xì)獍l(fā)動(dòng)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(shí)，勢(shì)必帶來(lái)混合氣溫度的升高，溫度的提升反過(guò)來(lái)對(duì)提高進(jìn)氣效率、降低發(fā)動(dòng)機(jī)爆壓、降低排放中的氮氧化合物（NOx）以及改善發(fā)動(dòng)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(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)是非常必要的。

然而，目前燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)一般采用進(jìn)氣單級(jí)中冷冷卻系統(tǒng)，該冷卻系統(tǒng)能夠?qū)Φ驮鰤罕?、低功率、低性能的燃?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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和效率、排放等要求的不斷提高，對(duì)于采用高增壓比帶來(lái)的功率和性能不斷提高的燃?xì)鈾C(jī)來(lái)說(shuō)，其單級(jí)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(wèn)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(jí)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(jí)中冷器，并對(duì)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(guò)兩級(jí)冷卻達(dá)到深層次降溫，以滿足發(fā)動(dòng)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(jí)中冷技術(shù)分析以及進(jìn)氣雙級(jí)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(kāi)冷卻系統(tǒng)，并采用單級(jí)中冷器對(duì)增壓氣體進(jìn)行冷卻。高溫循環(huán)水只冷卻發(fā)動(dòng)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(jí)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(lái)的燃?xì)庠鰤喊l(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，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(jí)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(dòng)機(jī)在高功率運(yùn)行時(shí)，特別是在環(huán)境溫度較高，增壓后的氣體溫度將會(huì)更高，用單級(jí)的冷卻系統(tǒng)就很難達(dá)到設(shè)計(jì)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(jí)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(dòng)機(jī)的中冷器是單級(jí)冷卻，即只是單一冷側(cè)介質(zhì)對(duì)熱側(cè)增壓氣體進(jìn)行降溫冷卻，沒(méi)有充分利用發(fā)動(dòng)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(duì)于高增壓、高功率、高溫環(huán)境下的燃?xì)鈾C(jī)來(lái)說(shuō)，若采用單級(jí)冷卻系統(tǒng)，中冷后的效果要達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其低溫?fù)Q熱負(fù)荷較大，對(duì)低溫水泵性能以及單級(jí)中冷器要求會(huì)更高。

（4）燃?xì)鈾C(jī)在低溫（環(huán)境溫度小于-5℃時(shí)）啟動(dòng)時(shí)，由于啟動(dòng)時(shí)，增壓器基本不起作用，其進(jìn)氣的溫度較低，對(duì)于燃?xì)鈾C(jī)來(lái)說(shuō)，較低的混合氣體很難著火啟動(dòng)。因此單級(jí)中冷系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)為了達(dá)到易啟動(dòng)，需增加外部設(shè)備對(duì)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(dòng)機(jī)在沒(méi)有外部設(shè)備或熱源對(duì)機(jī)油和機(jī)體預(yù)熱時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)很難啟動(dòng)，起啟動(dòng)時(shí)機(jī)油溫度低造成機(jī)油粘稠，流動(dòng)性能差，促使主油道油壓過(guò)高和各摩擦副潤(rùn)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(dòng)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(jí)中冷及其配套冷卻系統(tǒng)在增壓燃?xì)鈾C(jī)帶來(lái)的的不足問(wèn)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(jí)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(jí)中冷技術(shù)及其冷卻系統(tǒng)原理

進(jìn)氣雙級(jí)中冷技術(shù)及其冷卻系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖2所示。該技術(shù)系統(tǒng)采用雙級(jí)冷卻器，對(duì)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(duì)增壓后的氣體進(jìn)行兩級(jí)深層冷卻。

進(jìn)氣一級(jí)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(dòng)機(jī)機(jī)油換熱后進(jìn)入雙級(jí)中冷器的高溫冷卻一級(jí)冷卻器，進(jìn)而對(duì)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(dòng)機(jī)對(duì)缸蓋和機(jī)體進(jìn)行循環(huán)冷卻。

進(jìn)氣二級(jí)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(jí)中冷器的低溫冷卻二級(jí)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(jí)冷卻器旁并聯(lián)了一個(gè)電動(dòng)低溫節(jié)溫器，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，進(jìn)氣溫度低于規(guī)定值時(shí)，電動(dòng)低溫節(jié)溫器打開(kāi)，低溫水不經(jīng)過(guò)低溫冷卻二級(jí)冷卻器直接流入低溫多風(fēng)扇水箱熱交換器；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，進(jìn)氣溫度高于規(guī)定值時(shí)，電動(dòng)低溫節(jié)溫器關(guān)閉，低溫水經(jīng)過(guò)低溫冷卻二級(jí)冷卻器對(duì)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(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)對(duì)機(jī)油的加熱，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)氣的預(yù)熱，在保證啟動(dòng)時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各摩擦副的潤(rùn)滑，而且預(yù)熱的進(jìn)氣促使發(fā)動(dòng)機(jī)容易啟動(dòng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)了充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)自身的高溫循環(huán)水經(jīng)高溫一級(jí)冷卻器對(duì)高溫氣體進(jìn)行初次冷卻，再通過(guò)低溫循環(huán)水經(jīng)低溫二級(jí)冷卻器對(duì)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(dòng)機(jī)動(dòng)力性能。

4 雙級(jí)中冷器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

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(jí)中冷的效果。因此需要對(duì)二級(jí)中冷器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，即分別對(duì)一級(jí)（高溫水）中冷器和二級(jí)（低溫水）中冷器進(jìn)行計(jì)算。為了簡(jiǎn)化二級(jí)冷卻器在燃?xì)鈾C(jī)上的布置安裝，將雙級(jí)冷卻器做成一整個(gè)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(jí)中冷器。

經(jīng)測(cè)算，增壓后的氣體溫度一般在120℃～180℃之間，氣體經(jīng)過(guò)一級(jí)（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(guò)二級(jí)（低溫水）中冷器冷卻到設(shè)計(jì)的溫度（一般45℃～50℃）為宜，按此溫度結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)高低溫水泵流量，進(jìn)行中冷器兩級(jí)散熱面積的計(jì)算設(shè)計(jì)。

5 應(yīng)用案例及效果分析

國(guó)內(nèi)某公司12V190燃?xì)鈾C(jī)在通過(guò)匹配高增壓比的增壓器來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率（由原來(lái)單機(jī)功率650 kW提高到750kW）及其性能時(shí)，設(shè)計(jì)兩種方案：一種方案采用原機(jī)老式冷卻系統(tǒng)，即單級(jí)中冷技術(shù)及其配套冷卻系統(tǒng)；第二種方案采用雙級(jí)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(jí)中冷器的總散熱面積相同，不同的是二級(jí)冷卻器按一定的比例分成以及高溫水中冷器和二級(jí)低溫中冷器。其兩種冷卻方案對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明采用二級(jí)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(jí)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(guó)內(nèi)外燃?xì)鈾C(jī)上應(yīng)用雙級(jí)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(jí)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(jí)中冷系統(tǒng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

雙級(jí)中冷技術(shù)及其配套冷卻系統(tǒng)是目前燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣深冷以及提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的最佳措施之一，它通過(guò)使用雙級(jí)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(dòng)的效果。

雙級(jí)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(dòng)機(jī)動(dòng)力性能。

參考文獻(xiàn)

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[2]周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)（第2版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

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