內(nèi)燃機(jī)車用雙流道中冷器的研究

潘翼龍，閆玉鳳，米 貴

(中車戚墅堰機(jī)車有限公司, 江蘇常州 213011)

雙流道冷卻裝置常見于醫(yī)藥行業(yè)，壓縮氣體常溫冷卻后再以低溫水進(jìn)一步深度冷卻，便于使氣體中的水分冷凝分離出來達(dá)到干燥氣體的目的,在內(nèi)燃機(jī)車散熱器上應(yīng)用較普遍[1]，但在機(jī)車柴油機(jī)上尚未見應(yīng)用。不采用的原因并不是存在技術(shù)、制造瓶頸，而是中冷器采用雙流道冷卻結(jié)構(gòu)后冷卻管路變得復(fù)雜，而冷卻能力不會(huì)得到改善，對(duì)柴油機(jī)性能改善沒有效果。

但機(jī)車柴油機(jī)排放要求提高后，尤其對(duì)于Tier Ⅲ及更嚴(yán)排放等級(jí)，增壓器壓比更高，使壓氣機(jī)出口溫度也隨之進(jìn)一步上升，有的機(jī)車柴油機(jī)壓氣機(jī)出口溫度已接近250℃，達(dá)到了渦輪增壓器鋁制壓氣葉輪的可靠應(yīng)用上限。對(duì)于依靠單一中冷水冷卻的中冷器，勢(shì)必要進(jìn)一步加大中冷水流量來保證冷卻能力，以滿足柴油機(jī)對(duì)缸內(nèi)進(jìn)氣溫度的要求。但這樣一來，內(nèi)燃機(jī)車上散熱器低溫水冷卻部分勢(shì)必也要相應(yīng)加大低溫水流量(低溫水進(jìn)入柴油機(jī)后經(jīng)中冷水泵加壓供中冷器冷卻時(shí)稱為中冷水)。由于機(jī)車內(nèi)部空間有限，冷卻室空間無法隨意擴(kuò)大，這使得加大中冷水流量來提高中冷器的冷卻能力受到限制。目前，和諧型內(nèi)燃機(jī)車上采用了分離式冷卻散熱器，冷卻水在主散熱器冷卻后，分流出一部分通過副散熱器進(jìn)行二次冷卻以供機(jī)油熱交換器和中冷器。這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)散熱器相比，盡管在一定程度上優(yōu)化了散熱器空間布局，可以減少散熱器所占空間，但若提供給中冷器的冷卻水流量加大，副散熱器冷卻單節(jié)的數(shù)量勢(shì)必也要增加。否則，機(jī)車低溫水的冷卻能力會(huì)受到影響。

那么，先讓高溫水對(duì)中冷器進(jìn)行初級(jí)冷卻，再利用中冷水對(duì)中冷器進(jìn)行二級(jí)冷卻，可在柴油機(jī)中冷水流量不增加甚至減少的情況下達(dá)到原僅靠中冷水冷卻的效果，對(duì)排放要求較高的內(nèi)燃機(jī)車控制散熱器冷卻單節(jié)數(shù)量具有重要意義。

對(duì)中冷器進(jìn)行二級(jí)冷卻，在單級(jí)增壓柴油機(jī)上，中冷器為雙流道結(jié)構(gòu)；在二級(jí)增壓柴油機(jī)上，低壓級(jí)中冷器可采用高溫水冷卻的單流道結(jié)構(gòu)，高壓級(jí)中冷器既可采用低溫水冷卻的單流道結(jié)構(gòu)也可采用高、低溫水冷卻的雙流道結(jié)構(gòu)。

文中針對(duì)高、低溫水冷卻的雙流道結(jié)構(gòu)的中冷器展開研究。

1 雙流道中冷器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s水系統(tǒng)分配

1.1 中冷器的流程

以常見的管片式銅中冷器為例，增壓空氣流經(jīng)中冷器銅散熱片間的空隙，將熱量傳遞給散熱片后，其溫度降到滿足排放要求的目標(biāo)值，穩(wěn)壓后再進(jìn)入氣缸。而流經(jīng)中冷器的空氣阻力應(yīng)盡可能低，否則影響到柴油機(jī)的功率和性能。因此，空氣側(cè)肯定是單流程的。文中介紹的中冷器流道就是指冷卻水的流道、中冷器流程就是指冷卻水往返流程。

冷卻水進(jìn)入中冷器，流經(jīng)冷卻管，將增壓空氣傳遞給散熱片的又傳導(dǎo)到冷卻管的再傳遞給冷卻水的熱量帶走。中冷器進(jìn)水蓋板上僅有一路進(jìn)水連接通道，中冷水進(jìn)入進(jìn)水腔后分散進(jìn)入中冷器冷卻芯子的冷卻管，在另一端出水蓋板出水口流出。這就是單流程。單流程的冷卻水單向流動(dòng)。

若在進(jìn)水蓋板上再加上出水口變成進(jìn)出水蓋板，在其內(nèi)側(cè)加筋均勻分隔成2個(gè)相等區(qū)域，且與冷卻芯子管板貼合形成2個(gè)分隔的水腔，同時(shí)回程水蓋板不布置出水口。則中冷水只能流入一半冷卻管，到冷卻芯子另一端后，折返流入另一半冷卻管后回到進(jìn)水端的出水口。

這就是雙流程。雙流程的冷卻水往返流動(dòng)。

同樣，三流程的冷卻水流向是往-返-往，進(jìn)、出水口在兩側(cè)不同水蓋板上，2個(gè)水蓋板內(nèi)側(cè)的水腔分隔筋只能讓1/3的冷卻管參與整個(gè)水流道；四流程的冷卻水流向是往-返-往-返，進(jìn)、出水口在同一個(gè)水蓋板上。依次類推。

多流程中冷器的進(jìn)水流程一定在出氣側(cè)，出水流程一定在進(jìn)氣側(cè)。

1.2 中冷器的流道

上述冷卻水流程僅指一種冷卻水，通常采用的是溫度較低的中冷水，不論有多少個(gè)流程，整個(gè)水通道只有一個(gè)，即為單流道。

若在進(jìn)氣側(cè)留若干排冷卻管，在冷卻芯子兩端的水蓋板內(nèi)腔同等位置用分隔筋板隔離出獨(dú)立水腔，再布置出新的進(jìn)水口、出水口，連接上高溫水管路。這就與出氣側(cè)原有的中冷水流道形成高低2種冷卻水系統(tǒng)同時(shí)對(duì)中冷器冷卻。這就是雙流道。

雙流道中冷器相當(dāng)于將兩個(gè)獨(dú)立的單流道中冷器連接在一起，前一個(gè)中冷器的出氣側(cè)與后一個(gè)中冷器的進(jìn)氣側(cè)連接為一整體。前一個(gè)用高溫水冷卻，后一個(gè)用中冷水冷卻。

1.3 雙流道中冷器

增壓空氣進(jìn)入中冷器時(shí)，溫度最高的超過200 ℃，先讓高溫水對(duì)其進(jìn)行熱交換帶走部分熱量。待空氣溫度大幅降低后，再利用中冷水對(duì)其進(jìn)一步熱交換。這樣參與工作的中冷水的流量及帶走熱量比原先單流道中冷器的可以明顯減少。

雙流道中冷器的每個(gè)流道，根據(jù)需要，可以是單流程，也可以是多流程。

圖1和圖2分別為公司研制的2個(gè)機(jī)型的2種雙流道中冷器。

圖1 高溫水和中冷水均為雙流程的雙流道中冷器

1.4 雙流道中冷器結(jié)構(gòu)改造及冷卻水流量分配原則

1.4.1結(jié)構(gòu)改造原則

改用雙流道中冷器時(shí)，為使柴油機(jī)性能及中冷器的冷卻能力與改造前基本一致，并使中冷器的冷卻芯子和氣側(cè)法蘭保持互換，必須將高溫水和中冷水帶走的總熱量與原有的單流道中冷水帶走熱量維持一致。在此基礎(chǔ)上，分配兩種冷卻水帶走的熱量比例，先初定一個(gè)熱量比例范圍，在計(jì)算出各冷卻水相應(yīng)的流量后，再根據(jù)下述的分配原則優(yōu)選流程分配比例。

圖2 高溫水單流程、中冷水雙流程的雙流道中冷器

1.4.2冷卻水流量分配原則

進(jìn)入雙流道中冷器的中冷水通常直接來自中冷水泵。而高溫水的來源比較復(fù)雜，取決于柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)，有的從高溫水泵出口管路直接分一路進(jìn)入雙流道中冷器，有的則經(jīng)氣缸出水總管再分流部分進(jìn)入雙流道中冷器。這樣不同來源的高溫水，在中冷器的進(jìn)口溫度也差異明顯。因此，不同機(jī)型不同結(jié)構(gòu)布置，其雙流道中冷器的高溫水、中冷水帶走熱量的具體分配比例完全不同，需要結(jié)合水流量進(jìn)行多次計(jì)算、多方案比較后確定，并經(jīng)過柴油機(jī)測(cè)試、調(diào)整、驗(yàn)證。

增壓空氣經(jīng)中冷器冷卻后進(jìn)入氣缸，其冷卻過程所帶走的熱量，除了極少部分直接空間散熱掉以外，絕大部分通過冷卻水帶走。為計(jì)算方便，分配計(jì)算熱量時(shí)空間散熱這部分的影響可忽略。假定單流道中冷器的中冷水帶走熱量為100%，則一般情況下，雙流道中冷器熱量分配比例為高溫水帶走55%～70%熱量、中冷水帶走30%～45%熱量。

而水流量的分配比例則主要取決于如下因素：

(1) 若高溫水直接來自高溫水泵的分支，高溫水比例可高些。而若高溫水來自氣缸出口，由于此時(shí)的水溫已比較高，比例盡量低些，已免影響冷卻能力。

(2) 若中冷水出水進(jìn)入散熱單節(jié)前不再冷卻其他設(shè)備，中冷水流量可以低些，高溫水流量適當(dāng)高些；若中冷水出水進(jìn)入散熱單節(jié)前還需冷卻機(jī)油熱交換器等設(shè)備，則中冷水流量宜高而高溫水流量宜低。

(3) 水流程數(shù)。流程數(shù)越多，該流道的水流量越小，否則冷卻管內(nèi)水流速過高影響中冷器壽命。另外，流程數(shù)越多，冷卻水的出水溫度越高。

2 雙流道中冷器的試驗(yàn)研究

以某型機(jī)車柴油機(jī)作為對(duì)象進(jìn)行雙流道中冷器的配套研究。根據(jù)多方案比較，確定的分配方案為：高溫水帶走55%的熱量、中冷水帶走45%的熱量。估算所需的來自氣缸出水并進(jìn)入中冷器的高溫水流量約占總高溫水的30%、中冷水流量約占總中冷水流量的46%。

2.1 管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

其冷卻水系統(tǒng)如圖3所示。在圖中，各管法蘭上加裝節(jié)流孔板和閥門。閥門用于分流調(diào)節(jié)控制進(jìn)入中冷器的中冷水的流量。高溫水管路上的節(jié)流孔板用于增加高溫水通過節(jié)流孔的阻力，保證分流到柴油機(jī)中冷器的高溫水達(dá)到需要的分流量，起到調(diào)節(jié)分流水流量的作用；中冷水管路上的節(jié)流孔板用于控制管路水壓，調(diào)節(jié)柴油機(jī)中冷水泵揚(yáng)程，改變水流量。

同時(shí)，為了獲取計(jì)算所需的各項(xiàng)性能參數(shù)，在中冷器的高溫水、中冷水進(jìn)、出管路上分別臨時(shí)布置了溫度傳感器、流量計(jì)，以測(cè)取水流量和進(jìn)、出水溫度。

2.2 測(cè)試調(diào)整

調(diào)試在柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)位上進(jìn)行。由于水系統(tǒng)變化較大，改變了冷卻水的流動(dòng)阻力。因此，首次測(cè)試時(shí)水泵流量會(huì)發(fā)生明顯變化。

通過調(diào)節(jié)閥門和更換不同孔徑的節(jié)流孔板，使柴油機(jī)標(biāo)定功率下的各項(xiàng)性能參數(shù)與原單流道中冷器下的柴油機(jī)參數(shù)基本一致，并達(dá)到熱平衡。最后計(jì)算獲得可替代單流道中冷器的雙流道中冷器的高溫水、中冷水的水流量和帶走熱量數(shù)據(jù)。

圖3 某型機(jī)車柴油機(jī)雙流道中冷器冷卻水系統(tǒng)示意圖

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，雙流道中冷器的中冷水流量為總流量的52.1%，所帶走的熱量占比為49.8%；進(jìn)中冷器的高溫水流量為34.1%，所帶走熱量占比為50.2%，見表1。就是說，在高溫水總流量不變的前提下，利用高溫水流量的34.1%參與雙流道中冷器冷卻，替換了單流道中冷器中冷水的47.9%,帶走了一半左右的熱量。試驗(yàn)結(jié)果與估算出現(xiàn)偏差的主要原因是，管路系統(tǒng)的冷卻水流動(dòng)阻力發(fā)生變化，導(dǎo)致進(jìn)中冷器的水壓和水泵流量發(fā)生變化。由此估計(jì)，內(nèi)燃機(jī)車上水系統(tǒng)的阻力與柴油機(jī)臺(tái)位上的也不同。內(nèi)燃機(jī)車上，高溫水替換中冷水的比例可能沒這么高，但應(yīng)該也非?？捎^，可以給機(jī)車?yán)鋮s室空間布置帶來極大的回旋余地。

最終的柴油機(jī)熱平衡結(jié)果見表2。結(jié)果表明，雙流道中冷器的中冷水減少后帶走的熱量也由原單流道中冷器的11.23%大幅降到5.40%，降幅高達(dá)5.8%；而高溫水帶走的熱量占整個(gè)柴油機(jī)總發(fā)熱量的比例，則由原來的6.10%增加到了15.40%，增加了9.3%。另外，測(cè)試得到的廢氣、熱輻射、摩擦損失帶走熱量下降了3.5%，分析認(rèn)為這部分的實(shí)際變化不會(huì)明顯，數(shù)據(jù)變化的原因是：進(jìn)入中冷器的高溫水管路上進(jìn)水溫度測(cè)點(diǎn)比較靠前、而出水溫度測(cè)點(diǎn)比較靠后，在計(jì)算中冷器的高溫水帶走散熱時(shí)將冷卻中冷器的高溫水管路的空間散熱一起計(jì)算在內(nèi)了。因此，實(shí)際的高溫水帶走熱量占整個(gè)柴油機(jī)總發(fā)熱量的比例，應(yīng)該為11.9%左右。

表1 某型機(jī)車柴油機(jī)排放模式下標(biāo)定功率時(shí)雙流道中冷器流量、熱量分配結(jié)果

表2 某型機(jī)車柴油機(jī)排放模式下熱平衡結(jié)果

3 結(jié) 論

(1) 某型機(jī)車柴油機(jī)上雙流道中冷器試驗(yàn)表明，將柴油機(jī)34.1%的高溫水參與中冷器冷卻，所帶走熱量可占中冷器總散熱量的一半左右，與單流道中冷器相比可以減小中冷水流量47.9%。

(2) 不同柴油機(jī)、不同增壓中冷及冷卻水結(jié)構(gòu)布置，雙流道中冷器的高溫水和中冷水的分配比例是不同的，需要結(jié)合相應(yīng)流道的水流程數(shù)、高溫水來源和內(nèi)燃機(jī)車低溫水系統(tǒng)要求綜合考慮，并且要考慮改造后管路系統(tǒng)阻力的變化以及由其引發(fā)的水泵流量變化。

(3) 單流道中冷器改成雙流道中冷器，在維持柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、柴油機(jī)性能和中冷器冷卻能力不變的前提下，可以通過部分高溫水參與中冷器的冷卻來減少中冷水流量，從而進(jìn)一步優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)車的散熱器空間布置，無論是對(duì)傳統(tǒng)的雙流道冷卻散熱器還是分離式冷卻散熱器都有積極意義。