中冷器對非道路柴油機性能影響的對比研究

黃晉

摘要：隨著非道路移動工程機械發(fā)動機機功率的不斷增加，為滿足柴油機的動力性和經(jīng)濟性指標，對增壓空的氣冷卻提出了越來越高的設(shè)計要求。本文通過場地試驗的方法對比研究了水冷中冷器與空冷中冷器對某款裝載機柴油機工作特性的影響。試驗結(jié)果表明，水冷中冷器相比于傳統(tǒng)的風(fēng)冷中冷器能更有效的降低柴油發(fā)動機的進氣溫度：水冷中冷器在鏟裝作業(yè)和高速跑工況下增壓空氣平均出溫分別比空冷中冷器低27.6%和10.5%，柴油機扭矩提升為1.6%和6.3%，并且油耗降低了4.0%和2.5%。相對進氣壓力對柴油機經(jīng)濟性指標有一定影響，適當(dāng)增加進氣壓力可以減少油耗。

Abstract： With the increasing engine power， more and more stringent requirements are put forward on the design of the charge air cooler to improve the dynamic performance and economic index of the diesel engine. This paper compares and studies the influence of water-cooled intercooler and air-cooled intercooler on the working characteristics of a loader diesel engine through field tests. It found that the water-cooled charge air cooler can more effectively reduce the intake air temperature than the traditional air-cooled charge air cooler. And the air temperature has a great influence on the performance of turbocharged diesel engine power. Under loading and high-speed running conditions， the average charge air temperatures of the water-cooled charge air cooler are 27.6% and 10.5% lower than that of the air-cooled charge air cooler， respectively. The diesel engine torques are increased by 1.6% and 6.3%， and fuel consumptions are reduced by 4.0% and 2.5%.The relative air pressure also influences the fuel consumption of the diesel engine， and a suitable increment of the inlet pressure can reduce fuel consumption.

關(guān)鍵詞：水冷中冷器;空冷中冷器;柴油機動力性能;非道路移動工程機械;場地試驗

0? 引言

隨著新國標的推廣國家對非道路移動工程機械的排放要求越來越嚴格。為了提高進氣效率并降低污染物排放，裝備大功率柴油機的工程機械大多采用增壓進氣的方式[1]。采用增壓進氣技術(shù)可以解決發(fā)動機進氣不足的問題，同款發(fā)動機加裝渦輪增壓裝置后其輸出功率和扭矩可增加大約20～40%[2]。目前，非道路移動工程機械的柴油機渦輪增壓系統(tǒng)大多采用空冷式中冷器，這種中冷器具有成本低、工藝簡單、可靠性高、易維護的特點[3]。但空冷式中冷器缺點也很明顯，其入口與兩側(cè)氣室容易出現(xiàn)渦流，空氣流動均勻性不佳。水冷中冷器具備更高的單位體積換熱量，且其增壓空氣流動管路較短的特點使其在乘用車上得到廣泛應(yīng)用[4]，比較有代表性的產(chǎn)品如大眾公司的EA111和EA288系列渦輪增壓發(fā)動機就將水冷中冷器與進氣歧管集成在一起，大幅縮減中冷器體積并提升了整車性能;然而受技術(shù)和成本制約水冷中冷器在非道路移動工程機械領(lǐng)域的研究尚處于起步階段，實際產(chǎn)品更是少之又少。本文以船廠用某型號裝載機為載體，通過對搭載水冷中冷器與空冷中冷器的裝載機試驗數(shù)據(jù)的對比分析，研究了不同進氣條件下柴油機的動力特性與經(jīng)濟特性，為裝渦輪增壓冷卻系統(tǒng)的設(shè)計提供了新的思路。

1? 中冷器數(shù)值模型初步分析

1.1 控制方程

研究中冷器在流場中的換熱和流動問題的數(shù)值模型需要遵循三大守恒定律式（1），即質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。中冷器換熱遵循牛頓冷卻公式，本文以效能傳熱單元法（2）計算中冷器的換熱量，散熱器的壓力損失按式（3）計算[5][6]。

1.2 中冷器模型及流場分析

從文獻[3]的研究可知后置式空冷中冷器增壓空氣渦流主要集中在兩側(cè)氣室與進氣彎管處（見圖1），且進氣量越大渦流越嚴重，造成在空冷中冷器高轉(zhuǎn)速大進氣量工況下壓降過大;發(fā)動機布置在中冷器前方的設(shè)計使增壓空氣不得不多次改變流動方向才能進入中冷器完成熱交換，這使后置式中冷器管路長度及沿程阻力較大。

水冷中冷器使用冷卻液降溫（見圖2），不需要考慮動力艙內(nèi)冷卻空氣的流動方向，其可以在動力艙內(nèi)靈活布置這使得中冷器出口到發(fā)動機進氣歧管管路長度大幅縮短，且可以在不改變增壓空氣流向的前提下使中冷器熱側(cè)與冷側(cè)成交叉流狀態(tài)，這就省去了空冷中冷器的進出口彎管設(shè)計。管路長度縮短使增壓空氣循環(huán)路徑大幅減少，有效的降低了沿程阻力，無彎管設(shè)計使水冷中冷器熱側(cè)流動均勻性得到提升并改善了中冷器進出口容易出現(xiàn)渦流的問題[7][8]。圖3為水冷中冷器XZ平面的速度云圖，可見水冷中冷器回流區(qū)域主要集中在進氣室外沿處，其回流區(qū)域較小且不占增壓空氣的流動方向。

就單位體積換熱量而言，水冷中冷器具備非常明顯的優(yōu)勢，在0.33kg/s進氣量下的仿真結(jié)果對比如表1所示，水冷中冷器的單位體積換熱量為5712kW/m3，空冷中冷器換熱量為502kW/m3，水冷中冷器體積換熱效率是空冷中冷器的10倍以上，發(fā)動機熱功率相同的情況下水冷中冷器的體積將遠小于空冷中冷器。

2? 試驗對比分析

2.1 中冷器壓降及溫度對比

試驗使用的船廠用某型號裝載機額定功率為162kW，允許最高進氣溫度為60℃，其在額定功率下進氣量約為0.33kg/s。按文獻[9]設(shè)計現(xiàn)場試驗，試驗環(huán)境溫度為35℃，路面為瀝青路面，試驗用裝載機加裝了消音棉，空氣流入動力艙進氣形式為頂部和底部流入后部流出。試驗分為高速跑和連續(xù)鏟裝作業(yè)兩種工況，高速跑工況發(fā)動機維持在高檔位最大油門狀態(tài)，車速保持在20-30km/h左右，連續(xù)鏟裝作業(yè)發(fā)動機處于大油門狀態(tài)，鏟裝過程為一擋，其余時間為二擋，鏟斗滿斗率不低于95%。試驗前對裝載機預(yù)熱，數(shù)據(jù)采樣率為100Hz。取一個鏟裝循環(huán)和一個高速跑循環(huán)分別將兩種中冷器的試驗據(jù)進行對比。

水冷中冷器與空冷中冷器的區(qū)別主要體現(xiàn)在增壓空氣出溫和發(fā)動機進氣壓力上。在鏟裝工況下水冷中冷器的平均相對進氣壓力比空冷中冷器高1.83%（圖4），高速跑工況下水冷比空冷高7.96%（圖5），通過前文的流場分析可知增壓空氣流經(jīng)空冷中冷器及其配套管路所產(chǎn)生的壓降造成了其在進氣歧管的相對壓力低于水冷中冷器。在鏟裝工況下水冷中冷器增壓空氣平均出溫比空冷中冷器冷低27.6%，在高速跑工況下水冷中冷器增壓空氣平均出溫比空冷中冷器冷低10.5%，空冷中冷器在高速跑和鏟裝工況下都出現(xiàn)增壓空氣溫度超過發(fā)動機限制溫度情況（圖6、圖7）。持續(xù)的高負載作業(yè)使空冷中冷器換熱量達到瓶頸無法滿足增壓空氣降溫需求，其主要原因是空冷中冷器的換熱效果受動力艙內(nèi)溫度的制約，當(dāng)動力艙溫度過高時即使增加風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速也難以保證足夠的換熱量，在試驗后期動力艙溫度升高造成增壓空氣最高溫度達到64℃。說明該型號裝載機在進行連續(xù)重載工作時空冷中冷器已無法滿足增壓空氣的換熱需求，需要更換效率更高的中冷器，而搭載水冷中冷器的試驗機在整個試驗過程都維持在熱平衡狀態(tài)，發(fā)動機進氣溫度保持在50～55℃。

水冷中冷器的增壓空氣出溫隨進氣溫度波動較為明顯，其對進氣溫度調(diào)節(jié)存在一定的滯后性，進氣溫度過高時可能會導(dǎo)致發(fā)動機出現(xiàn)短暫的“過熱”;空冷中冷器出溫則呈相對平緩狀態(tài)，因為空冷中冷器冷側(cè)迎風(fēng)面積更大且其散熱方式是冷卻風(fēng)扇直吹中冷器，而水冷中冷器在溫度變化時需要調(diào)節(jié)冷卻液流速來改變換熱量，這就造成當(dāng)進氣溫度出現(xiàn)突變時水冷中冷器響應(yīng)時間更長。

2.2 中冷器對動力性能的影響

對比試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)水冷中冷器在鏟裝工況和高速跑工況增壓空氣平均出溫分別比空冷中冷器低9℃和8.4℃。中冷器對扭矩影響如圖8、圖9所示，空冷中冷器在鏟裝平均扭矩為557.1N·m，在高速跑平均扭矩為558.7N·m。水冷中冷器柴鏟裝平均扭矩為566.1N·m，高速跑平均扭矩為594.1N·m。采用水冷中冷器在兩種工況對扭矩的提升分別為1.6%和6.3%。進氣溫度的降低有效提高了進氣密度，使柴油機動力輸出得到改善。

通過對圖4、圖5和圖10、圖11發(fā)現(xiàn)相對進氣壓力與油耗成正比?？绽渲欣淦麋P裝平均進氣壓力為175.5Pa，高速跑平均相對進氣壓力為203.1Pa。水冷中冷器鏟裝平均進氣壓力為172.2Pa，高速跑平均進氣壓力為186.9Pa。水冷中冷器在兩種工況的平均油耗分別為31.1L/h和27.4L/h，空冷中冷器為32.4L/h和28.1L/h。使用水冷中冷器能獲得較高的進氣壓力使柴油機經(jīng)濟性指標能得到一定提升，其在高速跑工況油耗降低了4.0%，鏟裝工況油耗降低了2.5%。

2.3 進氣壓力與進氣溫度對柴油機性能的影響

為了驗證柴油機進氣壓力對輸出扭矩的影響選擇相同取進氣溫度不同進氣壓力擬合轉(zhuǎn)速扭矩曲線如圖12所示，可見隨著相對進氣壓力的提高發(fā)動機輸出扭矩得到了一定的提升且在低轉(zhuǎn)速區(qū)較為明顯，由于適當(dāng)?shù)脑黾舆M氣壓力可以提升柴油的霧化效果使燃燒效果得到優(yōu)化。

當(dāng)相對進氣壓力變化時往往進氣溫度也存在波動，為了驗證進氣溫度對油耗率的影響取水冷中冷器高速跑工況等壓力試驗數(shù)據(jù)進行對比。如圖13所示，油耗率隨著扭矩增加而升高，在進氣溫度分別為40℃、50℃、60℃時油耗率變化不大，說明在本試驗溫度條件下改變進氣溫度對油耗率影響不大。

3? 結(jié)論

①水冷中冷器相比空冷中冷器沿程阻力更小，單位體積散熱效率更高;空冷中冷器在持續(xù)高負荷作業(yè)時換熱量無法滿足系統(tǒng)需求出現(xiàn)進氣溫度超限的情況，而水冷中冷器則能維持在熱平衡狀態(tài)。但水冷中冷器存在對進氣溫度變化的響應(yīng)存在滯后性，空冷中冷器響應(yīng)時間則很短。

②采用水冷中冷器可有效柴油機進氣溫度的有效提高了進氣密度，使柴油機動力輸出得到改善。針對本文研究的某船廠用裝載機，在鏟裝作業(yè)和高速跑兩種工況下中冷器平均出溫比空冷系統(tǒng)分別降低27.6%和10.5%，扭矩提升為1.6%和6.3%，并且油耗降低了4.0%和2.5%。

③試驗結(jié)果表明柴油機的油耗受相對進氣壓力影響較大，受進氣溫度影響較小，適當(dāng)增加進氣壓力可提升柴油的霧化效果使燃燒效果得到優(yōu)化，進而提升柴油機經(jīng)濟性指標。

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