李克鋒

摘要：在內(nèi)燃機車當(dāng)中，柴油機中冷器的功能是使柴油機在運行時增壓狀態(tài)下的空氣溫度得以降低，同時使空氣的密度增加，進(jìn)而增加柴油機的循環(huán)進(jìn)氣量。在熱負(fù)荷增加的情況下，中冷器可以有效提高柴油機的運行功率，實現(xiàn)資源的合理利用，減少有害氣體的排放量。通過對柴油機中冷器的優(yōu)化設(shè)計，可以使設(shè)備的優(yōu)勢得到更為充分地發(fā)揮，促進(jìn)柴油機性能的優(yōu)化與提升。

關(guān)鍵詞：柴油機;中冷器;結(jié)構(gòu)

Abstract： In diesel locomotives， the function of the diesel intercooler is to reduce the temperature of the air in the supercharged state of the diesel engine during operation， while increasing the density of the air， thereby increasing the circulating intake of the diesel engine. In the case of increased heat load， the intercooler can effectively increase the operating power of the diesel engine， realize the rational use of resources， and reduce harmful gas emissions. By optimizing the design of the diesel engine intercooler， the advantages of the equipment can be fully utilized， and the optimization and improvement of the performance of the diesel engine can be promoted.

Key words： diesel engine;intercooler;structure

0? 引言

進(jìn)入新世紀(jì)之后，能源危機成為了一個重要的社會問題，各個國家都制定了嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)，群眾的環(huán)保意識也得到了進(jìn)一步的加強。在工業(yè)生產(chǎn)的過程當(dāng)中，人們除了追求柴油機的動力性能之外，對其環(huán)保性能也提出了新的要求。中冷器的運用可以提高柴油機發(fā)動功率，同時也可以降低一氧化碳和氮氧化物的排放。研究發(fā)現(xiàn)，中冷器當(dāng)中后進(jìn)氣體的溫度對于柴油機的性能具有重要的影響，通過增加氣體壓力的方式可以增加輸出功率，而通過對中冷器的合理設(shè)計可以有效減少柴油機所排放的污染性氣體。

1? 柴油機中冷器的基本概述

1.1 中冷器的工作原理

在運行的過程當(dāng)中，中冷器可以使各種流體在不發(fā)生相互接觸的情況下實現(xiàn)能量和熱量之間的傳遞和轉(zhuǎn)化。具體來說，空氣會先從增壓器當(dāng)中流入，在經(jīng)過中冷器之后溫度和密度得到了降低，這可以使發(fā)動機的充氣效率得以提升。作為柴油機運行過程當(dāng)中必不可少的構(gòu)件，中冷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理性關(guān)系到空氣的流動狀況和壓縮空氣的換熱情況，而這些因素可以對發(fā)動機的運行狀態(tài)產(chǎn)生直接的影響，進(jìn)而會對其動力性能以及氣體排放情況產(chǎn)生影響。

中冷器的作用包括以下兩個方面。第一，在氣體進(jìn)入到增壓器之后，在壓強增加的情況下溫度也會有所上升，這會對發(fā)動機當(dāng)中的循環(huán)進(jìn)氣量造成影響。而通過中冷器的冷卻作用，可以降低氣體的溫度、提高氣體的密度，使發(fā)動機氣缸內(nèi)部的氣體量增加，從而可以提高發(fā)動機的運行效率。第二，如果沒有經(jīng)過中冷器的冷卻，氣體在加壓之后直接進(jìn)入到氣缸當(dāng)中，會導(dǎo)致發(fā)動機的沖量系數(shù)比較低。與此同時，這些高溫、低密度的氣體還可能會使發(fā)動機氣缸當(dāng)中的燃燒溫度提高，嚴(yán)重情況下還可能導(dǎo)致發(fā)動機出現(xiàn)爆燃等故障，導(dǎo)致發(fā)動機本身的溫度過熱，降低了熱效率。除此之外，在燃燒溫度比較高的情況下，燃燒所生成的氣體當(dāng)中氮氧化物比例增加，這會導(dǎo)致空氣污染。而為了緩解這一問題，就要運用柴油機的中冷器來對空氣降溫，進(jìn)而使整個缸內(nèi)的燃燒溫度被控制在合理的范圍內(nèi)。

1.2 中冷器的冷卻方式

1.2.1 水冷式

水冷式的中冷器所使用的冷卻水系統(tǒng)也存在差異，有的是使用柴油機冷卻系進(jìn)行冷卻，還有的使用獨立的冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。

使用柴油機冷卻系的方式不需要再另外地設(shè)置水路，冷卻系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也比較簡單。這些冷卻水只有在低負(fù)荷的狀態(tài)下才能對增壓之后的空氣進(jìn)行持續(xù)地加熱，提高發(fā)動機的燃燒性能。如果是在高負(fù)荷的狀態(tài)下，冷卻水的冷卻效果通常比較差。因此，將柴油機冷卻系作為冷卻水的方式在使用的時候具有一定的局限性，只能用于增壓度不大的柴油機。

在柴油機當(dāng)中，獨立的冷卻水系統(tǒng)主要包括高溫系統(tǒng)和低溫系統(tǒng)這兩部分構(gòu)成，高溫系統(tǒng)主要是對發(fā)動機進(jìn)行冷卻，而低溫系統(tǒng)則主要是由機油冷卻器和中冷器這兩個部分使用。這種冷卻方式的效果比較明顯，使用起來也比較方便，因此無論是在內(nèi)燃機車、輪船，還是在固定用途的柴油機當(dāng)中都有著普遍的應(yīng)用。

1.2.2 風(fēng)冷式

根據(jù)驅(qū)動冷卻風(fēng)扇的種類，可以分為用柴油機曲軸驅(qū)動和用壓縮空氣渦輪驅(qū)動這兩種。

將柴油機曲軸作為驅(qū)動的方式主要是在汽車用柴油機當(dāng)中使用。它將中冷器設(shè)置在了冷卻水箱的前部，除了受到風(fēng)扇的作用之外，汽車行駛過程當(dāng)中的風(fēng)力也可以對中冷器和水箱進(jìn)行冷卻。但是在實際運用的過程當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，這種冷卻方式如果處于低負(fù)荷的狀態(tài)容易出現(xiàn)充氣過冷的問題。

將壓縮空氣渦輪作為驅(qū)動的方式的冷卻效果有限。在使用的過程當(dāng)中，壓氣機會先分出一小股的氣流，該氣流可以對一個渦輪進(jìn)行驅(qū)動，進(jìn)而使中冷器轉(zhuǎn)動。而由于驅(qū)動無論本身的氣流流量就比較少，在運行過程當(dāng)中渦輪所做的功也比較少，因此該驅(qū)動風(fēng)扇所能提供的風(fēng)量也是有限的。除此之外，柴油機內(nèi)部的壓力會隨著負(fù)荷而發(fā)生變化，該風(fēng)扇所提供的風(fēng)量也會隨之變化，這可以滿足不同負(fù)荷下發(fā)動機的燃燒特點，可以更好地滿足實際需要。除此之外，這種風(fēng)扇的尺寸更小，能夠被安裝到車上，無論是普通的汽車還是軍用車輛都可以安裝。

2? 柴油機中冷器的結(jié)構(gòu)

2.1 水冷式中冷器的結(jié)構(gòu)

目前，比較常用的柴油機水冷式中冷器結(jié)構(gòu)是管片式的。這種形式的中冷器在制造的時候會在水管上套上散熱片，這些散熱片主要使用紫銅或者黃銅所制，然后運用堆錫焊進(jìn)行焊接。通常來說，管片式中冷器內(nèi)部的水管有叉排、順排這兩種形式，而水管截面的形狀也較為多樣，這與中冷器的實際使用情況有關(guān)。其中圓形管的使用率比較高，它在制作工藝上具有明顯的優(yōu)勢，因此可靠性也比較強，但在使用的過程中也經(jīng)常會出現(xiàn)空氣流通受阻、存在壓力損失的情況。而滴形和流線形的水管雖然可以避免這一問題，但是它受到制作工藝的限制，可靠性比較弱，因此應(yīng)用率比較低。除此之外還有橢圓形的水管，它的傳熱系統(tǒng)比較高、空氣阻力比較小，工藝性與可靠性位于圓管與扁管之間。因此，這種水管在柴油機中冷器當(dāng)中的利用率是最高的。

在研究當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，中冷器各個冷卻元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其使用性能具有明顯的影響，水側(cè)和氣側(cè)的流通面積比較小的情況下，空氣的流速比較大;而當(dāng)流換熱系統(tǒng)比較達(dá)到情況下，流動阻力的損失也比較大。在使用的過程中，中冷器水側(cè)的對流換熱系數(shù)通常為氣側(cè)的10倍以上，散熱面積則為氣側(cè)的1/10。表1為橢圓形水管的柴油機中冷器各個元件結(jié)構(gòu)的推薦參數(shù)。

2.2 風(fēng)冷式中冷器的結(jié)構(gòu)

風(fēng)冷式中冷器在運行的過程中會將環(huán)境空氣進(jìn)行冷卻和增壓，無論是熱側(cè)還是冷側(cè)的換熱介質(zhì)都是空氣，兩側(cè)的對流與換熱系統(tǒng)也需要保持在同一數(shù)量級，同時還要確保兩側(cè)在換熱面積上的相同。

其中比較常用的是板翅式的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的中冷器所使用的薄金屬板厚度通常在0.6mm左右，翅片釬焊的薄金屬板厚度通常為0.2mm左右，還需要在結(jié)構(gòu)的兩側(cè)使用側(cè)限制板來進(jìn)行封焊。通常來說，各層的翅片方向需要保持互錯90度，這樣才能使兩個不同方向的錯流換熱介質(zhì)形成換熱通道。這種結(jié)構(gòu)比較緊湊，具有較大的傳熱面積，可以滿足柴油機對傳熱效率的要求。

其中光直翅片的換熱系數(shù)和阻力損失都是比較小的，在那些對阻力要求比較嚴(yán)格的場合可以使用。除此之外，鋸齒翅片和多孔翅片也是比較常用的，它們可以有效增強氣流的擾動，使傳熱效果得到進(jìn)一步的強化。尤其是鋸齒型的翅片，可以有效促進(jìn)流體的湍動，使熱阻邊界被破壞，傳熱系統(tǒng)通常比普通翅片高30%左右。

管翅式的中冷器使用率也是比較高的，它是在板翅式的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，將多孔的成型管材作為氣側(cè)通道。與板翅式相比，這種結(jié)構(gòu)的中冷器的熱氣側(cè)具有明顯的優(yōu)勢，同時制作工藝也比較完善，可以有效提高傳熱效率和可靠性。但它的熱氣側(cè)只能使用光直通道，無法運用擾流措施。

3? 柴油機中冷器的優(yōu)化設(shè)計

柴油機中冷器在運行的過程當(dāng)中，效率和壓力損失是兩個最為主要的性能參數(shù)。在優(yōu)化設(shè)計的過程中，需要將提高中冷器的換熱效率和降低壓力損失作為重點。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，除了要關(guān)注冷卻元件的傳熱系數(shù)之外，還需要適當(dāng)?shù)卦黾幼枇?，達(dá)到犧牲最小壓力提高最大傳熱系數(shù)的目的。

在優(yōu)化設(shè)計的過程中，為了得到滿意的中冷效果，需要使中冷器能夠在發(fā)動機處于不同工作條件下都能供應(yīng)恒定溫度的氣體，而氣體的溫度與負(fù)荷有直接的關(guān)系。為了實現(xiàn)對發(fā)動機溫度的降低，需要通過調(diào)節(jié)發(fā)動機和渦輪增壓器來調(diào)節(jié)中冷器的工作特性，將進(jìn)氣溫度控制在70度左右。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，可以從以下四個方面對中冷器進(jìn)行優(yōu)化。第一是要盡量降低近期的氣壓，通常要小于2%;第二是要使冷卻空氣側(cè)的壓力降至最低;第三是要選擇高效、低阻力的傳熱元件;第四是要確保中冷器的結(jié)構(gòu)緊湊、具有較強的經(jīng)濟性能。

根據(jù)上述四個目標(biāo)，需要對中冷器的換熱能力、冷卻介質(zhì)以及壓力損失這幾個指標(biāo)進(jìn)行校核計算。根據(jù)校核的參數(shù)，在計算的時候主要分為以下兩種情況。第一是運用對數(shù)平均溫差法來校核散熱面積是否滿足要求;第二是運用效-傳單元數(shù)法來校核增壓空氣和冷卻空氣在冷器出口的溫度是否滿足要求。

4? 結(jié)束語

綜上所述，中冷器的出現(xiàn)有效提高了內(nèi)燃機的運行功率，降低了能源消耗、減輕了環(huán)境污染。隨著柴油機中冷器的普及，其冷卻方式也有所不同，目前已經(jīng)出現(xiàn)了多種結(jié)構(gòu)。本文基于中冷器的實際運用情況進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，提出了常用的計算校核方法，這可以有效提高中冷器的工作效率。

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