黃晉

摘要：隨著非道路移動(dòng)工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)功率的不斷增加，為滿(mǎn)足柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，對(duì)增壓空的氣冷卻提出了越來(lái)越高的設(shè)計(jì)要求。本文通過(guò)場(chǎng)地試驗(yàn)的方法對(duì)比研究了水冷中冷器與空冷中冷器對(duì)某款裝載機(jī)柴油機(jī)工作特性的影響。試驗(yàn)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(dòng)機(jī)的進(jìn)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(jī)扭矩提升為1.6%和6.3%，并且油耗降低了4.0%和2.5%。相對(duì)進(jìn)氣壓力對(duì)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)有一定影響，適當(dāng)增加進(jìn)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(jī)動(dòng)力性能;非道路移動(dòng)工程機(jī)械;場(chǎng)地試驗(yàn)

0? 引言

隨著新國(guó)標(biāo)的推廣國(guó)家對(duì)非道路移動(dòng)工程機(jī)械的排放要求越來(lái)越嚴(yán)格。為了提高進(jìn)氣效率并降低污染物排放，裝備大功率柴油機(jī)的工程機(jī)械大多采用增壓進(jìn)氣的方式[1]。采用增壓進(jìn)氣技術(shù)可以解決發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣不足的問(wèn)題，同款發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)工程機(jī)械的柴油機(jī)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(jiǎn)單、可靠性高、易維護(hù)的特點(diǎn)[3]。但空冷式中冷器缺點(diǎn)也很明顯，其入口與兩側(cè)氣室容易出現(xiàn)渦流，空氣流動(dòng)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(dòng)管路較短的特點(diǎn)使其在乘用車(chē)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(dòng)機(jī)就將水冷中冷器與進(jìn)氣歧管集成在一起，大幅縮減中冷器體積并提升了整車(chē)性能;然而受技術(shù)和成本制約水冷中冷器在非道路移動(dòng)工程機(jī)械領(lǐng)域的研究尚處于起步階段，實(shí)際產(chǎn)品更是少之又少。本文以船廠用某型號(hào)裝載機(jī)為載體，通過(guò)對(duì)搭載水冷中冷器與空冷中冷器的裝載機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，研究了不同進(jìn)氣條件下柴油機(jī)的動(dòng)力特性與經(jīng)濟(jì)特性，為裝渦輪增壓冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(chǎng)中的換熱和流動(dòng)問(wèn)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(dòng)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(jì)算中冷器的換熱量，散熱器的壓力損失按式（3）計(jì)算[5][6]。

1.2 中冷器模型及流場(chǎng)分析

從文獻(xiàn)[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(jìn)氣彎管處（見(jiàn)圖1），且進(jìn)氣量越大渦流越嚴(yán)重，造成在空冷中冷器高轉(zhuǎn)速大進(jìn)氣量工況下壓降過(guò)大;發(fā)動(dòng)機(jī)布置在中冷器前方的設(shè)計(jì)使增壓空氣不得不多次改變流動(dòng)方向才能進(jìn)入中冷器完成熱交換，這使后置式中冷器管路長(zhǎng)度及沿程阻力較大。

水冷中冷器使用冷卻液降溫（見(jiàn)圖2），不需要考慮動(dòng)力艙內(nèi)冷卻空氣的流動(dòng)方向，其可以在動(dòng)力艙內(nèi)靈活布置這使得中冷器出口到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管管路長(zhǎng)度大幅縮短，且可以在不改變?cè)鰤嚎諝饬飨虻那疤嵯率怪欣淦鳠醾?cè)與冷側(cè)成交叉流狀態(tài)，這就省去了空冷中冷器的進(jìn)出口彎管設(shè)計(jì)。管路長(zhǎng)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(wú)彎管設(shè)計(jì)使水冷中冷器熱側(cè)流動(dòng)均勻性得到提升并改善了中冷器進(jìn)出口容易出現(xiàn)渦流的問(wèn)題[7][8]。圖3為水冷中冷器XZ平面的速度云圖，可見(jiàn)水冷中冷器回流區(qū)域主要集中在進(jìn)氣室外沿處，其回流區(qū)域較小且不占增壓空氣的流動(dòng)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(shì)，在0.33kg/s進(jìn)氣量下的仿真結(jié)果對(duì)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(dòng)機(jī)熱功率相同的情況下水冷中冷器的體積將遠(yuǎn)小于空冷中冷器。

2? 試驗(yàn)對(duì)比分析

2.1 中冷器壓降及溫度對(duì)比

試驗(yàn)使用的船廠用某型號(hào)裝載機(jī)額定功率為162kW，允許最高進(jìn)氣溫度為60℃，其在額定功率下進(jìn)氣量約為0.33kg/s。按文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境溫度為35℃，路面為瀝青路面，試驗(yàn)用裝載機(jī)加裝了消音棉，空氣流入動(dòng)力艙進(jìn)氣形式為頂部和底部流入后部流出。試驗(yàn)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(dòng)機(jī)維持在高檔位最大油門(mén)狀態(tài)，車(chē)速保持在20-30km/h左右，連續(xù)鏟裝作業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)處于大油門(mén)狀態(tài)，鏟裝過(guò)程為一擋，其余時(shí)間為二擋，鏟斗滿(mǎn)斗率不低于95%。試驗(yàn)前對(duì)裝載機(jī)預(yù)熱，數(shù)據(jù)采樣率為100Hz。取一個(gè)鏟裝循環(huán)和一個(gè)高速跑循環(huán)分別將兩種中冷器的試驗(yàn)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力上。在鏟裝工況下水冷中冷器的平均相對(duì)進(jìn)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(guò)前文的流場(chǎng)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(jìn)氣歧管的相對(duì)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(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)限制溫度情況（圖6、圖7）。持續(xù)的高負(fù)載作業(yè)使空冷中冷器換熱量達(dá)到瓶頸無(wú)法滿(mǎn)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(dòng)力艙內(nèi)溫度的制約，當(dāng)動(dòng)力艙溫度過(guò)高時(shí)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(yàn)后期動(dòng)力艙溫度升高造成增壓空氣最高溫度達(dá)到64℃。說(shuō)明該型號(hào)裝載機(jī)在進(jìn)行連續(xù)重載工作時(shí)空冷中冷器已無(wú)法滿(mǎn)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(yàn)機(jī)在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程都維持在熱平衡狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度保持在50～55℃。

水冷中冷器的增壓空氣出溫隨進(jìn)氣溫度波動(dòng)較為明顯，其對(duì)進(jìn)氣溫度調(diào)節(jié)存在一定的滯后性，進(jìn)氣溫度過(guò)高時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)短暫的“過(guò)熱”;空冷中冷器出溫則呈相對(duì)平緩狀態(tài)，因?yàn)榭绽渲欣淦骼鋫?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(shí)需要調(diào)節(jié)冷卻液流速來(lái)改變換熱量，這就造成當(dāng)進(jìn)氣溫度出現(xiàn)突變時(shí)水冷中冷器響應(yīng)時(shí)間更長(zhǎng)。

2.2 中冷器對(duì)動(dòng)力性能的影響

對(duì)比試驗(yàn)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(duì)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(duì)扭矩的提升分別為1.6%和6.3%。進(jìn)氣溫度的降低有效提高了進(jìn)氣密度，使柴油機(jī)動(dòng)力輸出得到改善。

通過(guò)對(duì)圖4、圖5和圖10、圖11發(fā)現(xiàn)相對(duì)進(jìn)氣壓力與油耗成正比?？绽渲欣淦麋P裝平均進(jìn)氣壓力為175.5Pa，高速跑平均相對(duì)進(jìn)氣壓力為203.1Pa。水冷中冷器鏟裝平均進(jìn)氣壓力為172.2Pa，高速跑平均進(jìn)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(jìn)氣壓力使柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)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(jìn)氣壓力與進(jìn)氣溫度對(duì)柴油機(jī)性能的影響

為了驗(yàn)證柴油機(jī)進(jìn)氣壓力對(duì)輸出扭矩的影響選擇相同取進(jìn)氣溫度不同進(jìn)氣壓力擬合轉(zhuǎn)速扭矩曲線如圖12所示，可見(jiàn)隨著相對(duì)進(jìn)氣壓力的提高發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)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(duì)進(jìn)氣壓力變化時(shí)往往進(jìn)氣溫度也存在波動(dòng)，為了驗(yàn)證進(jìn)氣溫度對(duì)油耗率的影響取水冷中冷器高速跑工況等壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。如圖13所示，油耗率隨著扭矩增加而升高，在進(jìn)氣溫度分別為40℃、50℃、60℃時(shí)油耗率變化不大，說(shuō)明在本試驗(yàn)溫度條件下改變進(jìn)氣溫度對(duì)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(fù)荷作業(yè)時(shí)換熱量無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)需求出現(xiàn)進(jìn)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(duì)進(jìn)氣溫度變化的響應(yīng)存在滯后性，空冷中冷器響應(yīng)時(shí)間則很短。

②采用水冷中冷器可有效柴油機(jī)進(jìn)氣溫度的有效提高了進(jìn)氣密度，使柴油機(jī)動(dòng)力輸出得到改善。針對(duì)本文研究的某船廠用裝載機(jī)，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(yàn)結(jié)果表明柴油機(jī)的油耗受相對(duì)進(jìn)氣壓力影響較大，受進(jìn)氣溫度影響較小，適當(dāng)增加進(jìn)氣壓力可提升柴油的霧化效果使燃燒效果得到優(yōu)化，進(jìn)而提升柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

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