安祿政，張志軍，趙鎖成，耿小昌，劉文娟

(河北華北柴油機(jī)有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050081)

目前，增壓技術(shù)在柴油機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用。隨著柴油機(jī)增壓度的提高，中冷器的應(yīng)用越來越重要，成為強(qiáng)化增壓柴油機(jī)不可缺少的重要部件[1]。試驗(yàn)表明，在給定的增壓壓力下，增壓空氣溫度每下降10 ℃，它的密度就增大3%，當(dāng)空氣燃油消耗率保持不變時(shí)，柴油機(jī)的功率能提高3%，而且柴油機(jī)效率也隨增壓空氣溫度下降而上升(每下降10 ℃，效果提高約0.5%)；因此在同樣的空燃比下，增壓空氣的溫度每下降10 ℃，功率實(shí)際上可提高約3.5%[2]。

按照冷卻介質(zhì)來分，實(shí)現(xiàn)中冷的常用方法有2種：水-空中冷和空-空中冷。由于河北華北柴油機(jī)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的帶增壓器的柴油機(jī)裝到整車上的中冷方法為水-空中冷。因此柴油機(jī)做出廠試驗(yàn)時(shí)，需要模擬車上的中冷溫控系統(tǒng)，使用水-空中冷來控制增壓空氣的溫度。經(jīng)過一段時(shí)間的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)室原有的中冷溫控系統(tǒng)對(duì)增壓空氣溫度控制不夠精確，而且溫度調(diào)整速度慢。通過分析與改進(jìn)，新的中冷溫控系統(tǒng)滿足了快速響應(yīng)和精確控制的需求。

1 中冷溫控系統(tǒng)原理

中冷溫控系統(tǒng)是柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)專用系統(tǒng)，用以模擬增壓中冷柴油機(jī)中冷器。柴油機(jī)吸入的空氣經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器壓縮后變?yōu)楦邷貕嚎s空氣，再經(jīng)過中冷溫控系統(tǒng)后，其溫度被控制在一個(gè)恒定范圍內(nèi)，進(jìn)入柴油機(jī)[3]。

中冷溫控系統(tǒng)由兩部分組成：水-空熱交換單元和控制單元。

水-空熱交換單元是個(gè)可移動(dòng)的中冷器，可靠近柴油機(jī)安裝。其采用的是列管式水-空熱交換器，在試驗(yàn)臺(tái)上用水-空熱交換器替代車用空冷器。一路是增壓后的空氣流通，一路是外部冷卻循環(huán)水流通，2個(gè)回路通過熱交換器進(jìn)行熱量交換。

控制單元由單獨(dú)的PID儀表和溫度傳感器控制。本公司采用智能控制儀表來控制中冷后溫度。溫度傳感器為PT100鉑電阻，接頭采用快插件連接。控制閥是一個(gè)電磁比例調(diào)節(jié)閥，通過PID來調(diào)節(jié)閥門的開度，從而控制中冷器的溫度。

2 中冷溫控系統(tǒng)的運(yùn)行狀況

2.1 改進(jìn)前運(yùn)行原理

改進(jìn)前中冷溫控系統(tǒng)運(yùn)行情況如圖1所示。圖1中，A是中冷出氣口；B是中冷進(jìn)氣口；C是冷卻水進(jìn)水；D是冷卻水回水；a是溫度傳感器；b是中冷器；c是壓力表；d是控制閥；e是限壓閥；f是控制儀表。

圖1 改進(jìn)前中冷溫控系統(tǒng)運(yùn)行原理圖

經(jīng)過增壓器壓縮的高溫壓縮空氣通過中冷進(jìn)氣口進(jìn)入中冷器。限壓閥將外部冷卻水限定在規(guī)定的壓力下，進(jìn)入中冷器。進(jìn)入中冷器的高溫壓縮空氣將部分熱量傳遞給冷卻水，由冷卻水將熱量帶走，從而降低壓縮空氣的溫度。當(dāng)降溫后的壓縮空氣從中冷器排出時(shí)，溫度傳感器會(huì)測量出當(dāng)前壓縮空氣的溫度，然后反饋給控制儀表顯示數(shù)據(jù)。如果此時(shí)中冷后的溫度不在設(shè)定的范圍之內(nèi)，控制儀表會(huì)自動(dòng)通過PID來調(diào)節(jié)閥門的開度，具體運(yùn)行如下。

1)當(dāng)中冷后增壓空氣實(shí)際測量溫度高于設(shè)定值時(shí)，控制儀表會(huì)通過PID來調(diào)節(jié)閥門增大開度，從而增大流經(jīng)中冷器的冷卻水水流量，以帶走更多的增壓空氣的熱量，達(dá)到使中冷后壓縮空氣降溫的效果。

2)當(dāng)中冷后增壓空氣實(shí)際測量溫度低于設(shè)定值時(shí)，控制儀表會(huì)通過PID來調(diào)節(jié)閥門減小開度，從而減小流經(jīng)中冷器的冷卻水水流量，以減少帶走的增壓空氣的熱量，達(dá)到使中冷后壓縮空氣升溫的效果。

3)當(dāng)中冷后增壓空氣實(shí)際測量溫度等于設(shè)定值時(shí)，控制儀表會(huì)通過PID保持閥門開度不變，從而不改變流經(jīng)中冷器的冷卻水水流量，以達(dá)到使中冷后壓縮空氣溫度保持穩(wěn)定的效果。

2.2 改進(jìn)后運(yùn)行原理

改進(jìn)后的中冷溫控系統(tǒng)運(yùn)行原理圖如圖2所示。圖2中，A是中冷出氣口；B是中冷進(jìn)氣口；C是冷卻水進(jìn)水；D是冷卻水回水；a是溫度傳感器；b是中冷器；c是壓力表；d是控制閥；e是限壓閥；f是控制儀表；g是單向閥；h是平衡閥；k是循環(huán)泵。

圖2 改進(jìn)后中冷溫控系統(tǒng)運(yùn)行原理圖

改進(jìn)后，在原有的冷卻水循環(huán)路線上增加了循環(huán)水泵，同時(shí)增加了1條冷卻水溫度補(bǔ)償回路。具體運(yùn)行如下。

1)當(dāng)中冷后增壓空氣實(shí)際測量溫度低于設(shè)定值時(shí)，控制儀表會(huì)通過PID來調(diào)節(jié)閥門減小開度。系統(tǒng)改進(jìn)前當(dāng)控制閥的開度較小時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的冷卻水流量減小，流速降低，中冷器內(nèi)的冷卻水處于層流狀態(tài)。當(dāng)中冷器內(nèi)的冷卻水流速在層流狀態(tài)時(shí)，冷卻效率將大幅下降。冷卻效率下降時(shí)，閥門開度會(huì)再度增大，使中冷后增壓空氣溫度波動(dòng)較大，且經(jīng)過一段時(shí)間的反復(fù)調(diào)整才能使中冷后增壓空氣溫度趨于穩(wěn)定。為避免系統(tǒng)在層流狀態(tài)下工作，系統(tǒng)改進(jìn)后增加了1臺(tái)循環(huán)水泵，用以提高管道冷卻水流速，增大冷卻效率。當(dāng)冷卻效率增大后，中冷后增壓空氣溫度會(huì)上升緩慢。為消除冷卻水流速增高后引起的冷卻效率過強(qiáng)，改進(jìn)后系統(tǒng)增加了1條冷卻水水溫補(bǔ)償回路。溫度較高的冷卻水通過單向閥和平衡閥匯入冷卻水進(jìn)水管路，以提高冷卻水水溫，補(bǔ)償過強(qiáng)的冷卻能力，使中冷后增壓空氣溫度快速上升到設(shè)定值并保持穩(wěn)定。

2)當(dāng)中冷后增壓空氣實(shí)際測量溫度高于設(shè)定值時(shí)，控制儀表會(huì)通過PID來調(diào)節(jié)閥門增大開度，此時(shí)由于改進(jìn)后的回水管路中增加了循環(huán)水泵，管道內(nèi)冷卻水流速比改進(jìn)前提高，冷卻效率增強(qiáng)，并且有冷卻液溫度補(bǔ)償回路的存在。中冷后壓縮空氣溫度會(huì)快速降低并保持穩(wěn)定。

3)當(dāng)中冷后增壓空氣實(shí)際測量溫度等于設(shè)定值時(shí)?？刂苾x表會(huì)通過PID保持閥門開度不變，從而不改變流經(jīng)中冷器的冷卻水水流量，達(dá)到使中冷后壓縮空氣溫度保持穩(wěn)定的效果。

2.3 系統(tǒng)改進(jìn)前后對(duì)中冷后壓縮空氣溫度的影響

常溫下，本公司某6缸柴油機(jī)額定工況下進(jìn)行試驗(yàn)的中冷后壓縮空氣溫度許用范圍為(50±5) ℃[4]。系統(tǒng)改進(jìn)前中冷后壓縮空氣溫度折線圖如圖3所示。從圖3可以看出，系統(tǒng)改進(jìn)前的中冷后壓縮空氣溫度隨試驗(yàn)時(shí)間的增加而緩慢上升，當(dāng)溫度上升到約50 ℃時(shí)，會(huì)在較長的一段時(shí)間內(nèi)大幅度波動(dòng)，然后逐漸趨于平穩(wěn)并保持在試驗(yàn)許用范圍內(nèi)。隨著中冷后壓縮空氣溫度的波動(dòng)，燃燒室內(nèi)的溫度也相應(yīng)的波動(dòng)，從而導(dǎo)致排氣溫度持續(xù)波動(dòng)，此時(shí)柴油機(jī)扭矩和功率輸出無法保持平穩(wěn)。當(dāng)中冷后壓縮空氣溫度保持穩(wěn)定時(shí)，試驗(yàn)才能正常進(jìn)行。

圖3 改進(jìn)前中冷后壓縮空氣溫度折線圖

系統(tǒng)改進(jìn)后中冷后壓縮空氣溫度折線圖如圖4所示。從圖4可以看出，中冷后壓縮空氣溫度隨試驗(yàn)時(shí)間的增加而平穩(wěn)快速地上升，并在經(jīng)過相對(duì)較短時(shí)間的波動(dòng)后，中冷后壓縮空氣溫度穩(wěn)定在約50 ℃。

圖4 改進(jìn)后中冷后壓縮空氣溫度折線圖

通過對(duì)比改進(jìn)前后中冷后壓縮空氣溫度折線圖可以看出，改進(jìn)后的中冷溫控系統(tǒng)提高了中冷器的溫控速率和穩(wěn)定性。新系統(tǒng)節(jié)約了近50%的試驗(yàn)前調(diào)整時(shí)間，極大地提高了生產(chǎn)試驗(yàn)效率。

3 結(jié)語

本文從本公司試驗(yàn)過程中遇到的問題出發(fā)，研究設(shè)計(jì)出了一個(gè)建立在原有中冷溫控系統(tǒng)基礎(chǔ)上的新系統(tǒng)。改進(jìn)后的中冷溫控系統(tǒng)在數(shù)月的生產(chǎn)試驗(yàn)過程中運(yùn)行穩(wěn)定，其使用情況與預(yù)計(jì)目標(biāo)情況吻合，滿足了快速響應(yīng)和精確控制的目的，為本公司的生產(chǎn)試驗(yàn)提供了強(qiáng)有力地保障。中冷溫控系統(tǒng)越來越成為柴油機(jī)試驗(yàn)中的一個(gè)重要組成部分，其技術(shù)水平也會(huì)越來越高，越來越先進(jìn)。

[1] 李萍. 增壓柴油機(jī)進(jìn)氣加濕技術(shù)研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)，2003.

[2] 彭生輝. 柴油機(jī)增壓中冷勢在必行[J]. 汽車與配件，2001(20)：16-17.

[3] 周龍保. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[4] 趙鎖成，劉曉潘，耿小昌，等. 減少發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)中振動(dòng)的研究[J]. 新技術(shù)新工藝，2016(11)：33-37.