涡轮增压柴油机中冷技术的探讨
温福易 轮机工程（陆上） 1082班
一、引言
由于对改善柴油机排气品质、排放量的控制、尽可能的节约能源和提高柴油机的功率的要求越来越高，导致目前涡轮增压技术应用非常广泛。而中冷技术对以上的要求同样起着十分重要的作用。
涡轮增压柴油机的突出优点在今天已毋庸置疑，诸如在高海拔出的功率输出，或以高的扭矩提升来得到功率匹配良好的机车，而伴随着高功率的输出、高扭矩的提升，也出现了以下一些不满意的因素：柴油的燃烧质量下降、排气温度升高和排气量增加等。
因此本研究的目的在于考察今日在涡轮增压柴油机中广泛应用的中冷技术是否可以加以改进，以求就各方面来说在提高功率及提升扭矩的同时能最大限度地提高燃料的燃烧质量、降低排气温度等，并确定为此应该从哪方面来改进中冷技术为最好。这里主要从中冷器的冷却方式和其结构来考虑怎么改进。
二、中冷器的作用
（１）降低进气温度。涡轮增压发动机是有中冷器的，即在涡轮增压器和发动机之间引入了一个中冷器。这是因为发动机直接排出的废气温度通常高达8、9百度，会造成涡轮本体、进气温度升高，加之压缩空气时做功，增压压缩进气缸的气体就有可能过热而造成汽油预燃而发生爆震，影响动力输出；同时，高温也是引擎的隐形杀手。所以，增压发动机通常会引入中冷器来降低进气温度。一般来说，使用中冷后能减小50～60度的进气温度（离开临界值），可以适当的提高发动机压缩比，改善低转速时的动力输出；同时由于冷空气的密度大，所以在相同条件下，这种设计可以提高发动机的进气密度，因此发动机工作效率更高。 
由于涡轮的温度上升，所以会导致处在进气增压部分的涡轮的温度上升，进而导致进气温度的急剧升温，这样就会出现爆燃和进气效率下降，以前采取的办法是推迟点火，但是这样又会丧失最大扭矩的最佳点火时间，而且会出现新的点火时间下的排气温度上升，因而造成恶性循环。随着中冷器的诞生，这样的问题将会得到很好的改善，中冷器说白了就是冷却被增压完的空气，因此中冷器的作用就是冷却，结构一般有两大类，气冷和水冷，也有和散热水箱做成一体的，其中单独的水冷式中冷器的效率最高，但结构也最复杂所以一
般被应用到赛车上。有数据表明，在相同的空燃比条件下，增压空气的温度每下降１０ ℃，发动机功率就能提高３％～５％。
（２）降低排放。柴油机的排放污染物主要有CO、HC 、NOX 和微粒物等。此外,由于温室效应引起全球变暖的问题, CO2的排放量也受到限制。采用涡轮增压和增压中冷技术可降低其排放值。
2.2.1一氧化碳（CO）
柴油机中CO 是燃料不完全燃烧的产物,主要是在局部缺氧或低温下形成的。采用涡轮增压后,可供燃烧的空气增多,并且增压发动机大多数工况负荷较大,发动机的缸内温度能保证燃料更充分燃烧, CO 排放可进一步降低。
2.2.2碳氢化合物（HC）
柴油机排气中的HC 是主要由原始燃料分子、分解的燃料分子以及再化合的中间化合物所组成;小部分HC是由润滑油生成的。增压时,由于进气密度增加,可以改善油束的形成、提高燃油雾化质量,减少沉积于燃烧室壁面上的燃油, HC减少;增压还使柴油机燃烧整个循环的平
均介质温度升高,氧化反应速率大,未燃HC排放降低。
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2.2.3氮氧化物（NOX）
柴油机中氮氧化物的主要成分NO的生成取决于氧的浓度、温度及反应时间等。降低NO
的措施是以降低火焰温度、氧浓度及高温下停留时间为目标。对于现有的自然吸气柴油机,如果只简单采用增压措施,可能会因为过量空气系数增大和燃烧温度的升高而导致NOX增加。采用进气中冷技术降低进气温度,可降低增压柴油机NOX排放;如果采用先进的中冷技术后,可进一步降低进气充量的温度。进气充量温度降低,燃烧温度可以得到有效控制,有利于NOX的减少。实际应用中,柴油机增压时采用减小压缩比、推迟喷油定时等措施来减小热负荷、降低最高燃烧温度。压缩比的减小可以降低压缩终了的介质温度从而降低燃烧火焰温度;推迟喷油定时,可以缩短滞燃期,减少油束稀薄火焰区的燃料蒸发和混合,降低最高燃烧温度。为减少喷油定时导致的后燃期过长的问题,须增大供油速率,缩短喷油时间,以加快燃烧速率,缩短燃烧时间。
2.2.4微粒物（PM）
影响柴油机微粒物生成的原因较复杂,其主要因素是过量空气系数、燃油雾化质量、喷油速率、燃烧过程和燃油质量等。此外,柴油机机内净化降低NOX的措施通常会带来PM增加。增压柴油机,特别是采用高增压压比和空—空中冷技术后,可显著增大进气密度,增加缸内可用的空气量。如同时采用高压燃油喷射、共轨电控喷射、低排放燃烧室和中心喷嘴四气阀技术,并提高燃油雾化质量,改善燃烧过程,则可有效地控制PM排放。
三、目前中冷器的冷却方式
目前应用的中冷器都采用错流外冷间壁式冷却方法 ,根据冷却介质的不同 ,有水冷式和风冷式两大类。
3.1水冷式
水冷式冷却根据冷却水系的不同又分以下两种方式。
3.1.1用柴油机冷却系的冷却水冷却
这种冷却方式不需另设水路 ,结构简单。柴油机冷却水的温度较高 ,在低负荷时可对增压空
气进行加热 ,有利于提高低负荷时的燃烧性能;但在高负荷时对增压空气的冷却效果较差。因此 ,这种方式只能用于增压度不大的增压中冷柴油机中。
3.1.2 用独立的冷却水系冷却
柴油机有两套独立的冷却水系 ,高温冷却水系用来冷却发动机 ,低温冷却水系主要用于机油冷却器和中冷器。这种冷却方式冷却效果最好 ,在内燃机车用、船用和固定用途柴油机中普遍应用。
快享3.2 风冷式
风冷式冷却根据驱动冷却风扇的动力不同分为以下两种方式。
3.2.1用柴油机曲轴驱动风扇
五菱荣光小卡这种方式适用于汽车用柴油机 ,把中冷器设置在冷却水箱前面 ,用柴油机曲轴驱动冷却风扇和汽车行驶时的迎风同时冷却中冷器和水箱。车用柴油机普遍采用这种冷却方式 ,但在低负荷时易出现充气过冷现象。
3.2.2用压缩空气涡轮驱动风扇
由压气机分出一小股气流驱动一个涡轮 ,用涡轮带动风扇冷却中冷器 ,由于驱动涡轮的气流流量有限 ,涡轮作功较少 ,风扇提供的冷却风量较少 ,显然其冷却效果较差。由于增压压力随负荷变化 ,因此这种冷却方式的冷却风量也随负荷变化 ,低负荷时风量小 ,高负荷时风量大 ,有利于兼顾不同负荷时的燃烧性能。且其尺寸小 ,在车上安装方便 ,在军用车辆上也有应用。
提出问题：能否对这两种冷却方式加以改进，使其在满足使用要求的时候尽可能地增加其经济性能？
四、目前中冷器的结构
4.1　水冷式中冷器的结构
目前普遍使用的水冷式中冷器是采用管片结构。近几年由俄罗斯引进技术的冷轧翅片中冷器由于具有使用可靠性好、传热系数大等优点 ,也开始受到重视与应用。
4.1.1　管片式中冷器
管片式中冷器是在许多水管上套上一层层散热片 ,经锡钎焊或堆锡焊焊接在一起。冷却水和散热片采用紫铜或黄铜制造。水管的排列有排和顺排两种 ,水管截面的形状有圆形、椭圆形、管形、滴形和流线形等。其中圆管工艺性和可靠较好 ,但空气的流通阻力较大 ,使空气压力损失大。滴形和流线形管虽然空气阻力较小 ,但由于艺性和可靠性较差 ,目前很少应用。椭圆管与圆和扁管相比 ,具有较高的传热系数和较小的空气力 ,其工艺性和可靠性不及圆管但优于扁管。试表明 ,椭圆管较圆管传热系数约高 10 %,空气阻损失约小18 %,所以在柴油机上多采用椭圆管作冷器的水管。中冷器冷却元件的结构参数对中冷器性能响很大。由于水侧的对流换热系数通常是气侧对流换热系数的 10 倍以上 ,因此气侧的散热面应为水侧的散热面积的 10 倍以上。无论水侧还气侧 ,流通面积越小 ,则流速越大 ,对流换热系数
大 ,但流动阻力损失也越大。椭圆水管中冷器冷元件结构参数推荐值如下:
水管断面尺寸:2a ×2b = 17 ×5（mm）（ a 为椭圆长轴半径 , b 为椭圆短轴半径 ）, 管壁厚取015mm;
管束横向间距 S1 =15mm;
管排纵向间距 S2 =23mm;
红杉论坛散热片厚度 d =0110～0115mm;
散热片间距 h =2～217mm。
4.1.2　冷轧翅片管式中冷器
冷轧翅片管是由单金属管或内硬外软的双金属管在专用轧机上轧制而成。通常 ,单金属管用紫铜或铝;双金属管的内管用黄铜 ,外管用铝。双金属管在轧制过程中使两种金属牢固地贴合在一起 ,几乎没有间隙 ,即使在长期振动工作条件下也不会脱开。将翅片管用涨管法固定在端板上。整个加工过程不用焊接 ,不存在虚焊和长期振动工作后的脱焊现象。因此 ,冷轧翅片管中冷器的主要优点就是接触热阻小 ,传热系数高 ,工作可靠性好。其缺点是在同样体积下冷却表面积较小 ,空气阻力损失较大。同样是设计合理的中冷器 ,与水管为椭圆管
的管片式相比 ,传热系数提高约 30 %,冷却表面积减少约30 %,从而保持相同的散热能力;其空气阻力损失与水管为圆管的管片式大致相同。以下是一种适用于中冷器的双金属冷轧翅片
uppf管结构参数 ,根据实际情况 ,其结构尺寸也可相应变化。
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铜管内径 d1 =9mm;
铜管外径 d2 =10mm;
翅片外径 D2 =20mm;
翅片根径 D1 =12mm;
翅片间距 h =212mm;
翅片锥角α=15°;
翅片螺旋升角θ =2°;
管束横间距 S1 =21～24mm;
管排为叉排 ,管排纵间距 S2 =19～22mm。
4.2风冷式中冷器结构
风冷式中冷器是用环境空气来冷却增压后的高温空气 ,由于热侧和冷侧换热介质均为气 ,两侧的对流换热系数在同一数量级 ,因此两侧的换热面积应大致相同 ,风冷式中冷器的结构有扁管式、板翅式和管翅式几种。扁管式中冷器在扁管外围设有散热片 ,增压空气在管内流动 ,冷却空气在管外流动 ,由于热气侧换热面积太小 ,使中冷器传热效率低 ,应用很少。应用较多的是板翅式和管翅式中冷器。
4.2.1　板翅式中冷器
板翅式中冷器的结构是在厚015～018mm的薄金属板之间 ,钎焊由厚 011～013mm的薄金属板制成的翅片 ,两端以侧限制板封焊。因各层翅片方向互错90°,两个不同方向的翅片分别形成了两种错流换热介质的通道。板翅式中冷器大多用铜和铝合金制造 ,它结构紧凑 ,传热面积大 ,效率高。光直翅片换热系数和阻力损失都比较小 ,只用在对阻力要求特别严格的场合。为了增强气流的扰动 ,破坏边界层以强化传热 ,可以采用锯齿翅片或多孔翅片等翅片型式。其中锯齿翅片对促进流体的湍动 ,破坏热阻边界十分有效 ,传热系数比光直翅片高30 %以上。大多数中冷器都采用锯齿形翅片。
4.2.2　管翅式中冷器
管翅式的结构是在板翅式结构的基础上发展而来 ,其热气侧通道是多孔的成型管材。与板翅式相比 ,它的主要优势在热气侧。由于采用成型管材 ,简化了工艺 ,避免了翅片和隔板之间的虚焊及工作振动中的脱焊所造成的接触热阻 ,提高了传热效率和工作可靠性。其缺点是热气侧只能是光直的通道 ,难以采用扰流措施。目前管翅式中冷器已得到越来越多地应用。