论文部分内容阅读
摘要：随着非道路移动工程机械发动机机功率的不断增加，为满足柴油机的动力性和经济性指标，对增压空的气冷却提出了越来越高的设计要求。本文通过场地试验的方法对比研究了水冷中冷器与空冷中冷器对某款装载机柴油机工作特性的影响。试验结果表明，水冷中冷器相比于传统的风冷中冷器能更有效的降低柴油发动机的进气温度：水冷中冷器在铲装作业和高速跑工况下增压空气平均出温分别比空冷中冷器低27.6%和10.5%，柴油机扭矩提升为1.6%和6.3%，并且油耗降低了4.0%和2.5%。相对进气压力对柴油机经济性指标有一定影响，适当增加进气压力可以减少油耗。
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.
關键词：水冷中冷器;空冷中冷器;柴油机动力性能;非道路移动工程机械;场地试验
0 引言
随着新国标的推广国家对非道路移动工程机械的排放要求越来越严格。为了提高进气效率并降低污染物排放，装备大功率柴油机的工程机械大多采用增压进气的方式[1]。采用增压进气技术可以解决发动机进气不足的问题，同款发动机加装涡轮增压装置后其输出功率和扭矩可增加大约20～40%[2]。目前，非道路移动工程机械的柴油机涡轮增压系统大多采用空冷式中冷器，这种中冷器具有成本低、工艺简单、可靠性高、易维护的特点[3]。但空冷式中冷器缺点也很明显，其入口与两侧气室容易出现涡流，空气流动均匀性不佳。水冷中冷器具备更高的单位体积换热量，且其增压空气流动管路较短的特点使其在乘用车上得到广泛应用[4]，比较有代表性的产品如大众公司的EA111和EA288系列涡轮增压发动机就将水冷中冷器与进气歧管集成在一起，大幅缩减中冷器体积并提升了整车性能;然而受技术和成本制约水冷中冷器在非道路移动工程机械领域的研究尚处于起步阶段，实际产品更是少之又少。本文以船厂用某型号装载机为载体，通过对搭载水冷中冷器与空冷中冷器的装载机试验数据的对比分析，研究了不同进气条件下柴油机的动力特性与经济特性，为装涡轮增压冷却系统的设计提供了新的思路。
1 中冷器数值模型初步分析
1.1 控制方程
研究中冷器在流场中的换热和流动问题的数值模型需要遵循三大守恒定律式（1），即质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。中冷器换热遵循牛顿冷却公式，本文以效能传热单元法（2）计算中冷器的换热量，散热器的压力损失按式（3）计算[5][6]。
1.2 中冷器模型及流场分析
从文献[3]的研究可知后置式空冷中冷器增压空气涡流主要集中在两侧气室与进气弯管处（见图1），且进气量越大涡流越严重，造成在空冷中冷器高转速大进气量工况下压降过大;发动机布置在中冷器前方的设计使增压空气不得不多次改变流动方向才能进入中冷器完成热交换，这使后置式中冷器管路长度及沿程阻力较大。
水冷中冷器使用冷却液降温（见图2），不需要考虑动力舱内冷却空气的流动方向，其可以在动力舱内灵活布置这使得中冷器出口到发动机进气歧管管路长度大幅缩短，且可以在不改变增压空气流向的前提下使中冷器热侧与冷侧成交叉流状态，这就省去了空冷中冷器的进出口弯管设计。管路长度缩短使增压空气循环路径大幅减少，有效的降低了沿程阻力，无弯管设计使水冷中冷器热侧流动均匀性得到提升并改善了中冷器进出口容易出现涡流的问题[7][8]。图3为水冷中冷器XZ平面的速度云图，可见水冷中冷器回流区域主要集中在进气室外沿处，其回流区域较小且不占增压空气的流动方向。 就单位体积换热量而言，水冷中冷器具备非常明显的优势，在0.33kg/s进气量下的仿真结果对比如表1所示，水冷中冷器的单位体积换热量为5712kW/m3，空冷中冷器换热量为502kW/m3，水冷中冷器体积换热效率是空冷中冷器的10倍以上，发动机热功率相同的情况下水冷中冷器的体积将远小于空冷中冷器。
2 试验对比分析
2.1 中冷器压降及温度对比
试验使用的船厂用某型号装载机额定功率为162kW，允许最高进气温度为60℃，其在额定功率下进气量约为0.33kg/s。按文献[9]设计现场试验，试验环境温度为35℃，路面为沥青路面，试验用装载机加装了消音棉，空气流入动力舱进气形式为顶部和底部流入后部流出。试验分为高速跑和连续铲装作业两种工况，高速跑工况发动机维持在高档位最大油门状态，车速保持在20-30km/h左右，连续铲装作业发动机处于大油门状态，铲装过程为一挡，其余时间为二挡，铲斗满斗率不低于95%。试验前对装载机预热，数据采样率为100Hz。取一个铲装循环和一个高速跑循环分别将两种中冷器的试验据进行对比。
水冷中冷器与空冷中冷器的区别主要体现在增压空气出温和发动机进气压力上。在铲装工况下水冷中冷器的平均相对进气压力比空冷中冷器高1.83%（图4），高速跑工况下水冷比空冷高7.96%（图5），通过前文的流场分析可知增压空气流经空冷中冷器及其配套管路所产生的压降造成了其在进气歧管的相对压力低于水冷中冷器。在铲装工况下水冷中冷器增压空气平均出温比空冷中冷器冷低27.6%，在高速跑工况下水冷中冷器增压空气平均出温比空冷中冷器冷低10.5%，空冷中冷器在高速跑和铲装工况下都出现增压空气温度超过发动机限制温度情况（图6、图7）。持续的高负载作业使空冷中冷器换热量达到瓶颈无法满足增压空气降温需求，其主要原因是空冷中冷器的换热效果受动力舱内温度的制约，当动力舱温度过高时即使增加风扇的转速也难以保证足够的换热量，在试验后期动力舱温度升高造成增压空气最高温度达到64℃。说明该型号装载机在进行连续重载工作时空冷中冷器已无法满足增压空气的换热需求，需要更换效率更高的中冷器，而搭载水冷中冷器的试验机在整个试验过程都维持在热平衡状态，发动机进气温度保持在50～55℃。
水冷中冷器的增压空气出温随进气温度波动较为明显，其对进气温度调节存在一定的滞后性，进气温度过高时可能会导致发动机出现短暂的“过热”;空冷中冷器出温则呈相对平缓状态，因为空冷中冷器冷侧迎风面积更大且其散热方式是冷却风扇直吹中冷器，而水冷中冷器在温度变化时需要调节冷却液流速来改变换热量，这就造成当进气温度出现突变时水冷中冷器响应时间更长。
2.2 中冷器对动力性能的影响
对比试验数据发现水冷中冷器在铲装工况和高速跑工况增压空气平均出温分别比空冷中冷器低9℃和8.4℃。中冷器对扭矩影响如图8、图9所示，空冷中冷器在铲装平均扭矩为557.1N·m，在高速跑平均扭矩为558.7N·m。水冷中冷器柴铲装平均扭矩为566.1N·m，高速跑平均扭矩为594.1N·m。采用水冷中冷器在两种工况对扭矩的提升分别为1.6%和6.3%。进气温度的降低有效提高了进气密度，使柴油机动力输出得到改善。
通过对图4、图5和图10、图11发现相对进气压力与油耗成正比。空冷中冷器铲装平均进气压力为175.5Pa，高速跑平均相对进气压力为203.1Pa。水冷中冷器铲装平均进气压力为172.2Pa，高速跑平均进气压力为186.9Pa。水冷中冷器在两种工况的平均油耗分别为31.1L/h和27.4L/h，空冷中冷器为32.4L/h和28.1L/h。使用水冷中冷器能获得较高的進气压力使柴油机经济性指标能得到一定提升，其在高速跑工况油耗降低了4.0%，铲装工况油耗降低了2.5%。
2.3 进气压力与进气温度对柴油机性能的影响
为了验证柴油机进气压力对输出扭矩的影响选择相同取进气温度不同进气压力拟合转速扭矩曲线如图12所示，可见随着相对进气压力的提高发动机输出扭矩得到了一定的提升且在低转速区较为明显，由于适当的增加进气压力可以提升柴油的雾化效果使燃烧效果得到优化。
当相对进气压力变化时往往进气温度也存在波动，为了验证进气温度对油耗率的影响取水冷中冷器高速跑工况等压力试验数据进行对比。如图13所示，油耗率随着扭矩增加而升高，在进气温度分别为40℃、50℃、60℃时油耗率变化不大，说明在本试验温度条件下改变进气温度对油耗率影响不大。
3 结论
①水冷中冷器相比空冷中冷器沿程阻力更小，单位体积散热效率更高;空冷中冷器在持续高负荷作业时换热量无法满足系统需求出现进气温度超限的情况，而水冷中冷器则能维持在热平衡状态。但水冷中冷器存在对进气温度变化的响应存在滞后性，空冷中冷器响应时间则很短。
②采用水冷中冷器可有效柴油机进气温度的有效提高了进气密度，使柴油机动力输出得到改善。针对本文研究的某船厂用装载机，在铲装作业和高速跑两种工况下中冷器平均出温比空冷系统分别降低27.6%和10.5%，扭矩提升为1.6%和6.3%，并且油耗降低了4.0%和2.5%。
③试验结果表明柴油机的油耗受相对进气压力影响较大，受进气温度影响较小，适当增加进气压力可提升柴油的雾化效果使燃烧效果得到优化，进而提升柴油机经济性指标。
参考文献：
[1]Chalgren R D， BARRON Lawrence J R， Bjork D R. A controllable water cooled charge air cooler （WCCAC） for diesel trucks[J]. Sae Transactions， 2004， 113：132-138. [2]Mezher H， Migaud J， Raimbault V， et al. Optimized Air Intake for a Turbocharged Engine Taking into Account Water-Cooled Charge Air Cooler Reflective Properties for Acoustic Tuning[J]. Sae Technical Papers， 2013， 2.
[3]Zhang Q， Qin S， Ma R. Simulation and experimental investigation of the wavy fin-and-tube intercooler [J]. Case Studies in Thermal Engineering， 2016， 8：32-40.
[4]Xu S， Myers J， Sarnia S. Integrated Low Temperature Cooling System Development in Turbo Charged Vehicle Application[J]. SAE International Journal of Passenger Cars - Mechanical Systems， 2014， 7（1）：163-173.
[5]ConnectPlus， LearnSmart. Heat and Mass Transfer： Fundamentals and Applications[M]. Business & Economics， 2014.
[6]Kays W M， London A L. Compact heat exchangers[M]. New York：McGraw-Hill，1984.
[7]李宇.工程機械双流程散热器散热特性分[D].长春：吉林大学，2016.
[8]Tao W Q， Guo Z Y， Wang B X. Field synergy principle for enhancing convective heat transfer––its extension and numerical verifications[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer， 2002，45（18）：3849-3856.
[9]JB/T 5085-2010，柴油机水冷却器技术条件[S].
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.
關键词：水冷中冷器;空冷中冷器;柴油机动力性能;非道路移动工程机械;场地试验
0 引言
随着新国标的推广国家对非道路移动工程机械的排放要求越来越严格。为了提高进气效率并降低污染物排放，装备大功率柴油机的工程机械大多采用增压进气的方式[1]。采用增压进气技术可以解决发动机进气不足的问题，同款发动机加装涡轮增压装置后其输出功率和扭矩可增加大约20～40%[2]。目前，非道路移动工程机械的柴油机涡轮增压系统大多采用空冷式中冷器，这种中冷器具有成本低、工艺简单、可靠性高、易维护的特点[3]。但空冷式中冷器缺点也很明显，其入口与两侧气室容易出现涡流，空气流动均匀性不佳。水冷中冷器具备更高的单位体积换热量，且其增压空气流动管路较短的特点使其在乘用车上得到广泛应用[4]，比较有代表性的产品如大众公司的EA111和EA288系列涡轮增压发动机就将水冷中冷器与进气歧管集成在一起，大幅缩减中冷器体积并提升了整车性能;然而受技术和成本制约水冷中冷器在非道路移动工程机械领域的研究尚处于起步阶段，实际产品更是少之又少。本文以船厂用某型号装载机为载体，通过对搭载水冷中冷器与空冷中冷器的装载机试验数据的对比分析，研究了不同进气条件下柴油机的动力特性与经济特性，为装涡轮增压冷却系统的设计提供了新的思路。
1 中冷器数值模型初步分析
1.1 控制方程
研究中冷器在流场中的换热和流动问题的数值模型需要遵循三大守恒定律式（1），即质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。中冷器换热遵循牛顿冷却公式，本文以效能传热单元法（2）计算中冷器的换热量，散热器的压力损失按式（3）计算[5][6]。
1.2 中冷器模型及流场分析
从文献[3]的研究可知后置式空冷中冷器增压空气涡流主要集中在两侧气室与进气弯管处（见图1），且进气量越大涡流越严重，造成在空冷中冷器高转速大进气量工况下压降过大;发动机布置在中冷器前方的设计使增压空气不得不多次改变流动方向才能进入中冷器完成热交换，这使后置式中冷器管路长度及沿程阻力较大。
水冷中冷器使用冷却液降温（见图2），不需要考虑动力舱内冷却空气的流动方向，其可以在动力舱内灵活布置这使得中冷器出口到发动机进气歧管管路长度大幅缩短，且可以在不改变增压空气流向的前提下使中冷器热侧与冷侧成交叉流状态，这就省去了空冷中冷器的进出口弯管设计。管路长度缩短使增压空气循环路径大幅减少，有效的降低了沿程阻力，无弯管设计使水冷中冷器热侧流动均匀性得到提升并改善了中冷器进出口容易出现涡流的问题[7][8]。图3为水冷中冷器XZ平面的速度云图，可见水冷中冷器回流区域主要集中在进气室外沿处，其回流区域较小且不占增压空气的流动方向。 就单位体积换热量而言，水冷中冷器具备非常明显的优势，在0.33kg/s进气量下的仿真结果对比如表1所示，水冷中冷器的单位体积换热量为5712kW/m3，空冷中冷器换热量为502kW/m3，水冷中冷器体积换热效率是空冷中冷器的10倍以上，发动机热功率相同的情况下水冷中冷器的体积将远小于空冷中冷器。
2 试验对比分析
2.1 中冷器压降及温度对比
试验使用的船厂用某型号装载机额定功率为162kW，允许最高进气温度为60℃，其在额定功率下进气量约为0.33kg/s。按文献[9]设计现场试验，试验环境温度为35℃，路面为沥青路面，试验用装载机加装了消音棉，空气流入动力舱进气形式为顶部和底部流入后部流出。试验分为高速跑和连续铲装作业两种工况，高速跑工况发动机维持在高档位最大油门状态，车速保持在20-30km/h左右，连续铲装作业发动机处于大油门状态，铲装过程为一挡，其余时间为二挡，铲斗满斗率不低于95%。试验前对装载机预热，数据采样率为100Hz。取一个铲装循环和一个高速跑循环分别将两种中冷器的试验据进行对比。
水冷中冷器与空冷中冷器的区别主要体现在增压空气出温和发动机进气压力上。在铲装工况下水冷中冷器的平均相对进气压力比空冷中冷器高1.83%（图4），高速跑工况下水冷比空冷高7.96%（图5），通过前文的流场分析可知增压空气流经空冷中冷器及其配套管路所产生的压降造成了其在进气歧管的相对压力低于水冷中冷器。在铲装工况下水冷中冷器增压空气平均出温比空冷中冷器冷低27.6%，在高速跑工况下水冷中冷器增压空气平均出温比空冷中冷器冷低10.5%，空冷中冷器在高速跑和铲装工况下都出现增压空气温度超过发动机限制温度情况（图6、图7）。持续的高负载作业使空冷中冷器换热量达到瓶颈无法满足增压空气降温需求，其主要原因是空冷中冷器的换热效果受动力舱内温度的制约，当动力舱温度过高时即使增加风扇的转速也难以保证足够的换热量，在试验后期动力舱温度升高造成增压空气最高温度达到64℃。说明该型号装载机在进行连续重载工作时空冷中冷器已无法满足增压空气的换热需求，需要更换效率更高的中冷器，而搭载水冷中冷器的试验机在整个试验过程都维持在热平衡状态，发动机进气温度保持在50～55℃。
水冷中冷器的增压空气出温随进气温度波动较为明显，其对进气温度调节存在一定的滞后性，进气温度过高时可能会导致发动机出现短暂的“过热”;空冷中冷器出温则呈相对平缓状态，因为空冷中冷器冷侧迎风面积更大且其散热方式是冷却风扇直吹中冷器，而水冷中冷器在温度变化时需要调节冷却液流速来改变换热量，这就造成当进气温度出现突变时水冷中冷器响应时间更长。
2.2 中冷器对动力性能的影响
对比试验数据发现水冷中冷器在铲装工况和高速跑工况增压空气平均出温分别比空冷中冷器低9℃和8.4℃。中冷器对扭矩影响如图8、图9所示，空冷中冷器在铲装平均扭矩为557.1N·m，在高速跑平均扭矩为558.7N·m。水冷中冷器柴铲装平均扭矩为566.1N·m，高速跑平均扭矩为594.1N·m。采用水冷中冷器在两种工况对扭矩的提升分别为1.6%和6.3%。进气温度的降低有效提高了进气密度，使柴油机动力输出得到改善。
通过对图4、图5和图10、图11发现相对进气压力与油耗成正比。空冷中冷器铲装平均进气压力为175.5Pa，高速跑平均相对进气压力为203.1Pa。水冷中冷器铲装平均进气压力为172.2Pa，高速跑平均进气压力为186.9Pa。水冷中冷器在两种工况的平均油耗分别为31.1L/h和27.4L/h，空冷中冷器为32.4L/h和28.1L/h。使用水冷中冷器能获得较高的進气压力使柴油机经济性指标能得到一定提升，其在高速跑工况油耗降低了4.0%，铲装工况油耗降低了2.5%。
2.3 进气压力与进气温度对柴油机性能的影响
为了验证柴油机进气压力对输出扭矩的影响选择相同取进气温度不同进气压力拟合转速扭矩曲线如图12所示，可见随着相对进气压力的提高发动机输出扭矩得到了一定的提升且在低转速区较为明显，由于适当的增加进气压力可以提升柴油的雾化效果使燃烧效果得到优化。
当相对进气压力变化时往往进气温度也存在波动，为了验证进气温度对油耗率的影响取水冷中冷器高速跑工况等压力试验数据进行对比。如图13所示，油耗率随着扭矩增加而升高，在进气温度分别为40℃、50℃、60℃时油耗率变化不大，说明在本试验温度条件下改变进气温度对油耗率影响不大。
3 结论
①水冷中冷器相比空冷中冷器沿程阻力更小，单位体积散热效率更高;空冷中冷器在持续高负荷作业时换热量无法满足系统需求出现进气温度超限的情况，而水冷中冷器则能维持在热平衡状态。但水冷中冷器存在对进气温度变化的响应存在滞后性，空冷中冷器响应时间则很短。
②采用水冷中冷器可有效柴油机进气温度的有效提高了进气密度，使柴油机动力输出得到改善。针对本文研究的某船厂用装载机，在铲装作业和高速跑两种工况下中冷器平均出温比空冷系统分别降低27.6%和10.5%，扭矩提升为1.6%和6.3%，并且油耗降低了4.0%和2.5%。
③试验结果表明柴油机的油耗受相对进气压力影响较大，受进气温度影响较小，适当增加进气压力可提升柴油的雾化效果使燃烧效果得到优化，进而提升柴油机经济性指标。
参考文献：
[1]Chalgren R D， BARRON Lawrence J R， Bjork D R. A controllable water cooled charge air cooler （WCCAC） for diesel trucks[J]. Sae Transactions， 2004， 113：132-138. [2]Mezher H， Migaud J， Raimbault V， et al. Optimized Air Intake for a Turbocharged Engine Taking into Account Water-Cooled Charge Air Cooler Reflective Properties for Acoustic Tuning[J]. Sae Technical Papers， 2013， 2.
[3]Zhang Q， Qin S， Ma R. Simulation and experimental investigation of the wavy fin-and-tube intercooler [J]. Case Studies in Thermal Engineering， 2016， 8：32-40.
[4]Xu S， Myers J， Sarnia S. Integrated Low Temperature Cooling System Development in Turbo Charged Vehicle Application[J]. SAE International Journal of Passenger Cars - Mechanical Systems， 2014， 7（1）：163-173.
[5]ConnectPlus， LearnSmart. Heat and Mass Transfer： Fundamentals and Applications[M]. Business & Economics， 2014.
[6]Kays W M， London A L. Compact heat exchangers[M]. New York：McGraw-Hill，1984.
[7]李宇.工程機械双流程散热器散热特性分[D].长春：吉林大学，2016.
[8]Tao W Q， Guo Z Y， Wang B X. Field synergy principle for enhancing convective heat transfer––its extension and numerical verifications[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer， 2002，45（18）：3849-3856.
[9]JB/T 5085-2010，柴油机水冷却器技术条件[S].