摘 要：進氣增壓中冷技術(shù)已經(jīng)在內(nèi)燃機領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。文章結(jié)合燃氣發(fā)動機進氣中冷以及發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的現(xiàn)狀和特點，提出并分析了進氣雙級中冷技術(shù)及其配套冷卻系統(tǒng)在燃氣發(fā)動機上應(yīng)用的技術(shù)方案和技術(shù)優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：雙級中冷；燃氣發(fā)動機；冷卻系統(tǒng)；高溫循環(huán)；低溫循環(huán)

1 引言

燃氣發(fā)動機作為可燃氣體綜合利用的一種動力設(shè)備，具有較強的經(jīng)濟性和環(huán)保性，燃氣機已得到國內(nèi)外節(jié)能環(huán)保人士的廣泛認可。作為燃氣發(fā)動機關(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)動機研究的重要課題之一。燃氣發(fā)動機采用增壓技術(shù)使燃氣發(fā)動機的功率、經(jīng)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(fā)動機爆壓、降低排放中的氮氧化合物（NOx）以及改善發(fā)動機低速性能起到反作用，因此進氣中冷技術(shù)及其配套冷卻系統(tǒng)對燃氣發(fā)動機是非常必要的。

然而，目前燃氣發(fā)動機一般采用進氣單級中冷冷卻系統(tǒng)，該冷卻系統(tǒng)能夠?qū)Φ驮鰤罕取⒌凸β?、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(fā)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(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(shù)方案，即進氣雙級中冷技術(shù)以及配套冷卻系統(tǒng)，該技術(shù)就是采用進氣雙級中冷器，并對燃氣機高低溫冷卻系統(tǒng)進行散熱平衡優(yōu)化調(diào)整，使增壓后的氣體經(jīng)過兩級冷卻達到深層次降溫，以滿足發(fā)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(shù)分析以及進氣雙級技術(shù)及冷卻系統(tǒng)提出

目前，增壓燃氣機普遍使用的是高、低溫分開冷卻系統(tǒng)，并采用單級中冷器對增壓氣體進行冷卻。高溫循環(huán)水只冷卻發(fā)動機缸蓋、機體后進入熱交換器循環(huán)冷卻；低溫冷卻循環(huán)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(fā)展起來的燃氣增壓發(fā)動機來說，應(yīng)用該技術(shù)和冷卻系統(tǒng)存在如下的缺點或不足。（單級中冷及配套冷卻系統(tǒng)示意圖如圖1所示）

（1）通常的燃氣增壓發(fā)動機在高功率運行時，特別是在環(huán)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(tǒng)就很難達到設(shè)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(shè)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(fā)動機的中冷器是單級冷卻，即只是單一冷側(cè)介質(zhì)對熱側(cè)增壓氣體進行降溫冷卻，沒有充分利用發(fā)動機自身的高溫循環(huán)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(huán)境下的燃氣機來說，若采用單級冷卻系統(tǒng)，中冷后的效果要達到設(shè)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(huán)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(tǒng)的發(fā)動機為了達到易啟動，需增加外部設(shè)備對進氣進行一定的預(yù)熱溫升。

（5）通常的燃氣增壓發(fā)動機在沒有外部設(shè)備或熱源對機油和機體預(yù)熱時，發(fā)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(huán)境下能夠達到更高的中冷效果，從而滿足發(fā)動機低排放、降低爆震極限、各項性能優(yōu)越的要求，解決單級中冷及其配套冷卻系統(tǒng)在增壓燃氣機帶來的的不足問題。為此，結(jié)合燃氣機冷卻系統(tǒng)的實際情況以及特點，采用進氣雙級技術(shù)及其配套冷卻系統(tǒng)是較為先進的方法之一。

3 進氣雙級中冷技術(shù)及其冷卻系統(tǒng)原理

進氣雙級中冷技術(shù)及其冷卻系統(tǒng)原理圖見圖2所示。該技術(shù)系統(tǒng)采用雙級冷卻器，對燃氣機高低溫冷卻系統(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(huán)系統(tǒng)流程：用于冷卻燃氣機的機體、缸蓋及缸套的高溫出水經(jīng)高溫多風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(jīng)換熱的高溫水流入發(fā)動機對缸蓋和機體進行循環(huán)冷卻。

進氣二級中冷及高溫循環(huán)系統(tǒng)流程：低溫冷卻水經(jīng)低溫多風扇水箱熱交換器冷卻，冷卻后的低溫水經(jīng)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(lián)了一個電動低溫節(jié)溫器，當發(fā)動機起動時，進氣溫度低于規(guī)定值時，電動低溫節(jié)溫器打開，低溫水不經(jīng)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(fā)動機運行時，進氣溫度高于規(guī)定值時，電動低溫節(jié)溫器關(guān)閉，低溫水經(jīng)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(tǒng)有效地利用了高溫循環(huán)水在啟動發(fā)動機時對機油的加熱，并且實現(xiàn)對進氣的預(yù)熱，在保證啟動時對發(fā)動機各摩擦副的潤滑，而且預(yù)熱的進氣促使發(fā)動機容易啟動。在發(fā)動機運行時實現(xiàn)了充分利用發(fā)動機自身的高溫循環(huán)水經(jīng)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(huán)水經(jīng)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(xiàn)稀薄燃燒，提高發(fā)動機動力性能。

4 雙級中冷器的結(jié)構(gòu)與設(shè)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(huán)系統(tǒng)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(shè)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(jīng)測算，增壓后的氣體溫度一般在120℃～180℃之間，氣體經(jīng)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(shè)計的溫度（一般45℃～50℃）為宜，按此溫度結(jié)合發(fā)動機高低溫水泵流量，進行中冷器兩級散熱面積的計算設(shè)計。

5 應(yīng)用案例及效果分析

國內(nèi)某公司12V190燃氣機在通過匹配高增壓比的增壓器來提高發(fā)動機功率（由原來單機功率650 kW提高到750kW）及其性能時，設(shè)計兩種方案：一種方案采用原機老式冷卻系統(tǒng)，即單級中冷技術(shù)及其配套冷卻系統(tǒng)；第二種方案采用雙級中冷器技術(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(jié)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(tǒng)，其中冷后的效果明顯優(yōu)于一級冷卻效果，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)于單機冷卻系統(tǒng)。

綜上，國內(nèi)外燃氣機上應(yīng)用雙級中冷及其配套冷卻系統(tǒng)都得到一定的應(yīng)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(shù)及其配套冷卻系統(tǒng)其燃氣機的中冷效果以及其他性能優(yōu)于單級中冷系統(tǒng)。

6 結(jié)束語

雙級中冷技術(shù)及其配套冷卻系統(tǒng)是目前燃氣發(fā)動機進氣深冷以及提高發(fā)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(shù)及其配套冷卻系統(tǒng)達到了燃氣機高溫環(huán)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(fā)壓力從而最大限度的抑制爆震發(fā)生，有利于實現(xiàn)稀薄燃燒，降低排放，提高發(fā)動機動力性能。

參考文獻

[1]西安交通大學內(nèi)燃機教研室.內(nèi)燃機原理[M].北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社，1978.

[2]周龍保.內(nèi)燃機學（第2版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

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