新聞主題	中冷器對柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)性能影響的試驗

 

摘要：為了解決柴油發(fā)電機(jī)中冷器和散熱器布置匹配問題，研究中冷器和散熱器不同布置形式的散熱特點(diǎn)及對柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)性能的影響。利用風(fēng)洞試驗和冷卻性能臺架試驗，結(jié)合中冷器中不同的流動介質(zhì)，針對不同的布置形式進(jìn)行研究。試驗結(jié)果表明：布置形式不同，對各自散熱效率、熱分布、模塊整體風(fēng)阻等的影響較大；風(fēng)冷式傳導(dǎo)介質(zhì)，串聯(lián)式風(fēng)阻較并聯(lián)式大，并聯(lián)式散熱效率優(yōu)于串聯(lián)式，但串聯(lián)式熱分布更均勻；水冷式傳導(dǎo)介質(zhì)，兩種形式各方面差異較小。在實(shí)際設(shè)計中，根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)中冷器不同的冷卻介質(zhì)、整體空間等選擇最優(yōu)的布置形式。

 

一、冷卻系統(tǒng)試驗概述

 

      隨著人們對柴油發(fā)電機(jī)組動力性、經(jīng)濟(jì)性等的要求越來越高，越來越多的柴油發(fā)電機(jī)組采用柴油發(fā)電機(jī)。柴油發(fā)電機(jī)通過提高柴油機(jī)的換氣效率，使其擁有更大的動力。然而，柴油發(fā)電機(jī)采用廢氣渦輪增壓技術(shù)，熱傳導(dǎo)將提高進(jìn)氣溫度，如果不進(jìn)行有效的冷卻，將影響柴油機(jī)充氣效率，容易導(dǎo)致燃燒室溫度過高而引起爆震、熄火等現(xiàn)象。因此，設(shè)計合理的中冷器及其布置形式對柴油發(fā)電機(jī)顯得尤為重要。近年來越來越多的國內(nèi)外學(xué)者對中冷器進(jìn)行研究：分別采用風(fēng)洞試驗和計算機(jī)模擬相結(jié)合的研究方法對中冷器模型及性能進(jìn)行預(yù)測；文獻(xiàn)分別從間距、翅片數(shù)、相對位置等方面對中冷器的冷卻性能進(jìn)行研究；從柴油機(jī)的設(shè)計方面對冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究。

      在工程實(shí)踐中，通常根據(jù)中冷器與散熱器之間相對位置不同可以分為并聯(lián)式布置和串聯(lián)式布置，根據(jù)中冷器傳導(dǎo)介質(zhì)不同可以分為空冷式和水冷式，前者主要適用于中小功率柴油機(jī)，后者主要應(yīng)用于大功率柴油機(jī)。

      本文采用試驗驗證的方法研究管帶式散熱器與中冷器的布置。試驗包括散熱器風(fēng)洞試驗和柴油機(jī)臺架試驗，主要研究不同傳導(dǎo)介質(zhì)的中冷器，以及散熱器之間布置形式不同對柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)性能的影響，以期找到一種相對合理的布置形式，得到較優(yōu)的布置方案，達(dá)到節(jié)能降耗、節(jié)省空間的目的。

 

二、散熱器風(fēng)洞試驗

 

      該試驗在風(fēng)洞性能試驗臺上完成，風(fēng)洞性能試驗方法及數(shù)據(jù)處理按照機(jī)械工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)《汽車、拖拉機(jī)散熱器風(fēng)洞試驗方法》JB/T 2293—1978進(jìn)行。試驗設(shè)備由風(fēng)筒循環(huán)水路、循環(huán)水加熱裝置、水泵、風(fēng)機(jī)、測試儀器及控制裝置等組成，該試驗臺的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。冷卻空氣由風(fēng)機(jī)驅(qū)動調(diào)速，從入口進(jìn)入風(fēng)洞，經(jīng)過整流網(wǎng)整流作用之后，風(fēng)速均勻，測量風(fēng)速、風(fēng)壓、溫度等，之后通過試驗試樣，再次測量風(fēng)速、風(fēng)量、風(fēng)壓等，最后通過方圓過渡段和撓性連接處，最后經(jīng)過風(fēng)機(jī)排入到大氣中。

      由于后期柴油機(jī)臺架試驗所采用柴油機(jī)為康明斯QSL8.9，試驗試件相關(guān)參數(shù)以此設(shè)計。該中冷器冷卻介質(zhì)為空氣，具體參數(shù)為：散熱器的總散熱面積為76 m²，中冷器的散熱面積為22 m²，芯管的規(guī)格為2.5 mm×14 mm，散熱器通過的最大水流量為88 L/min，中冷器最大空氣流量為230 L/min，正面迎風(fēng)面積0.74 m²。并聯(lián)式布置時，中冷器和散熱器模塊總尺寸1035 mm×805 mm×71 mm；串聯(lián)式布置時，中冷器和散熱器模塊總尺寸1012 mm×795 mm×65 mm。由試樣可知，當(dāng)二者散熱面積和正面迎風(fēng)面積相等時，并聯(lián)式布置占用空間略大。

      通過改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、孔板節(jié)流，開風(fēng)窗或裝擋風(fēng)板等方法，改變通過散熱器和中冷器的空氣質(zhì)量流量，獲取串聯(lián)式和并聯(lián)式中冷器散熱器組合體質(zhì)量風(fēng)速與風(fēng)阻數(shù)據(jù)，整理數(shù)據(jù)制成性能曲線如圖2所示。

      由圖2中曲線對比可知：在傳導(dǎo)介質(zhì)為空氣時，散熱器和中冷器串聯(lián)式布置風(fēng)阻大于并聯(lián)式布置，最大差值可達(dá)15%。分析其原因：首先，由于傳導(dǎo)介質(zhì)的不同，設(shè)計選取中冷器和散熱器的管芯時，所選的管芯翅片峰高FL和峰距FP不同 ，使二者串聯(lián)布置情況下的風(fēng)阻較并聯(lián)布置大大增加；其次，由于中冷器中冷卻介質(zhì)與環(huán)境溫差較散熱器中介質(zhì)與環(huán)境溫差大，使得依次穿過中冷器和散熱器的冷卻空氣受熱不均勻，體積膨脹程度不同，使得阻力增大，而并聯(lián)式布置受熱相對均勻，基本沒有差異。串聯(lián)布置使冷卻空氣穿越的風(fēng)道較并聯(lián)時略長，也是一個重要的因素。

 

圖1  柴油機(jī)散熱器風(fēng)洞試驗流程圖

圖2  柴油機(jī)中冷器風(fēng)阻與風(fēng)速關(guān)系曲線圖

 

三、柴油機(jī)臺架試驗

 

1、試驗平臺

      柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)性能試驗測試平臺由柴油機(jī)、冷卻風(fēng)扇、散熱器、冷卻循環(huán)管路、發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、測功機(jī)、耗功電阻柜、勵磁電源、變頻器、軸流風(fēng)機(jī)、溫度及扭矩傳感器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，試驗平臺示意圖如圖3所示。

      本次運(yùn)行試驗所選用的樣機(jī)為康明斯QSL8.9型柴油機(jī)，該柴油機(jī)自帶冷卻水泵，冷卻風(fēng)扇由曲軸帶動皮帶驅(qū)動，同時采用廢氣渦輪增壓技術(shù)，中冷器中流動的冷卻介質(zhì)為空氣。

2、 傳感器布置

      壓力與流量值的測量由柴油機(jī)內(nèi)自帶的檢測傳感器測得，溫度由HT-133型一體化溫度變送器測量。水路：在節(jié)溫器前出水總管處安裝溫度傳感器，測量出水溫度；在水泵進(jìn)水管處安裝溫度傳感器，測量進(jìn)水溫度。氣路：在空氣濾清器后和渦輪增壓器后排氣總管處分別安裝溫度傳感器，測量進(jìn)氣溫度和排氣溫度。非電參數(shù)如溫度、流量、壓力等采用LMS-SCADAS 多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集。

3、試驗測量

      試驗過程主要檢測柴油機(jī)滿載工況下，由啟動初始狀態(tài)達(dá)到額定工況（此時柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r/min），達(dá)到熱平衡穩(wěn)定狀態(tài)時各傳感器數(shù)值變化。熱平衡穩(wěn)定狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)：柴油機(jī)各個冷卻介質(zhì)溫度值變化在2分鐘內(nèi)不超0.3 ℃時認(rèn)為柴油機(jī)發(fā)熱已達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，并記錄數(shù)據(jù)。

4、 試驗結(jié)果

      表1為柴油機(jī)熱平衡狀態(tài)時臺架試驗結(jié)果，對比串聯(lián)式布置和并聯(lián)式布置可以發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)式布置由于進(jìn)入散熱器的空氣被中冷器加熱過，散熱器進(jìn)出口溫差較并聯(lián)式低12.4%；并聯(lián)式由于改變了中冷器的正面迎風(fēng)面積，中冷器進(jìn)出口溫差較串聯(lián)式低5.3%，可知并聯(lián)式布置較串聯(lián)式散熱效率略高。

表1    柴油發(fā)電機(jī)熱平衡狀態(tài)時臺架試驗結(jié)果

 

 

      柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行試驗中，柴油機(jī)在轉(zhuǎn)速為1500（轉(zhuǎn)/分鐘），輸出功率為242 kW工況條件下工作時，其水冷和中冷介質(zhì)的溫度變化對原始數(shù)據(jù)擬合之后獲得的擬合曲線如圖4、圖5所示。

（1）從圖4、圖5中可以看出柴油機(jī)的冷卻介質(zhì)溫升較慢，需要1000秒以上才能達(dá)到熱平衡狀態(tài)。熱平衡時中冷器和散熱器進(jìn)出口冷卻介質(zhì)溫度值如表1所示，均工作在允許范圍之內(nèi)。

（2）從圖4中可以看到，在運(yùn)行開始到580秒時間內(nèi)，散熱器的進(jìn)出口水溫一直保持在20 ℃沒有變化，而到580秒之后散熱器的進(jìn)口溫度快速升到94 ℃左右，散熱器進(jìn)口溫度也很快上升到70 ℃以上。造成這一結(jié)果的原因是節(jié)溫器起到很好的控制作用，冷卻介質(zhì)溫度在較低溫度時（一般出現(xiàn)在柴油機(jī)剛啟動時），冷卻液僅在柴油機(jī)內(nèi)部循環(huán)，不進(jìn)入散熱器循環(huán)，即為小循環(huán)工作過程。系統(tǒng)運(yùn)行到600秒后，散熱器進(jìn)出水溫快速升高出現(xiàn)波動，進(jìn)口的瞬間最高水溫可以達(dá)到95 ℃。在經(jīng)過300秒左右的波動后柴油機(jī)的進(jìn)出口水溫趨于穩(wěn)定，柴油機(jī)達(dá)到熱平衡狀態(tài)。此時散熱器的進(jìn)口水溫恒定在86.9 ℃左右，散熱器的出口溫度恒定在76.64 ℃左右，冷卻液的溫差在10.26 ℃上下。

（3）從圖5中可以看到，與水冷散熱器不同，中冷散熱器在沒有節(jié)溫器的情況下的溫度變化并沒有停滯過程，而是從一開始就快速增高。在0秒至600秒之間時冷散熱器的進(jìn)出口溫度進(jìn)入波動期，期間最高溫度可達(dá)120 ℃。在800秒之后，中冷散熱器的進(jìn)出口空氣溫度趨于穩(wěn)定，柴油機(jī)達(dá)到熱平衡。

（4）圖6是通過采集熱平衡狀態(tài)時中冷器和散熱器表面不同點(diǎn)溫度，使用AMESim繪制的兩種布置形式熱分布圖，由對比可知串聯(lián)式布置熱分布較并聯(lián)式布置更加均勻。

 

圖3  柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)試驗平臺流程圖	圖4  串聯(lián)式中冷器溫度變化曲線
圖5  并聯(lián)式中冷器冷卻液溫度變化曲線	圖6  柴油機(jī)中冷器布置形式熱分布對比

 

三、水冷式中冷器試驗與布置

 

      所采用柴油機(jī)型號為康明斯QSL8.9，以此設(shè)計試驗試件相關(guān)參數(shù)。該柴油機(jī)中冷器采用的冷卻介質(zhì)為水，結(jié)構(gòu)如圖7所示。具體為：散熱器的總散熱面積為136 m²，中冷器的散熱面積為129 m²，芯管的規(guī)格為2.5 mm×14 mm，散熱器通過的最大水流量為138 L/min，中冷器最大空氣流量為119 L/min，正面迎風(fēng)面積1.74 m2。并聯(lián)式布置時，中冷器和散熱器模塊總尺寸1 635 mm×1 005 mm×93 mm；串聯(lián)式布置時，中冷器和散熱器模塊總尺寸1 662 mm×1 025 mm×95 mm。由試樣可知，當(dāng)二者散熱面積和正面迎風(fēng)面積相等時，并聯(lián)式布置占用空間略大。

      當(dāng)中冷器傳導(dǎo)介質(zhì)為水時，中冷器和散熱器內(nèi)流動介質(zhì)相同，二者管芯的峰高和峰距相同，通過散熱器風(fēng)洞試驗測得的風(fēng)速阻力曲線如圖8所示，可知串聯(lián)式風(fēng)阻略大，但二者差異不明顯，最大相對差值不超過0.5%。主要原因：首先是由于中冷器和散熱器中介質(zhì)與環(huán)境溫差不同，使得依次穿過中冷器和散熱器的冷卻空氣受熱不均勻，體積膨脹程度不同，使得風(fēng)阻不同；其次因為串聯(lián)式布置冷卻空氣依次穿過中冷器和散熱器組成的風(fēng)道長度較并聯(lián)式布置略大。但二者的影響因素有限，因此兩種布置情況下的差異較小。

      從圖9和圖10中可以看到，中冷器和散熱器中冷卻介質(zhì)變化規(guī)律與風(fēng)冷式基本相同。中冷器中冷卻介質(zhì)溫度從一開始就快速增高，在0至600秒之間時冷散熱器的進(jìn)出口溫度進(jìn)入波動期，期間最高溫度可達(dá)120℃，在800秒之后，中冷散熱器的進(jìn)出口空氣溫度趨于穩(wěn)定，柴油機(jī)達(dá)到熱平衡狀態(tài)。由于節(jié)溫器的作用，散熱器剛啟動時進(jìn)出口水溫一直保持在20℃沒有變化，而到580秒之后散熱器的進(jìn)口溫度快速升到96℃左右，散熱器進(jìn)口溫度也很快上升到75℃以上。

 

圖7  柴油發(fā)電機(jī)中冷器位置結(jié)構(gòu)圖	圖8  柴油機(jī)散熱器風(fēng)洞試驗風(fēng)速阻力曲線
圖9  串聯(lián)式中冷器冷卻介質(zhì)溫度變化曲線.	圖10  并聯(lián)式中冷器冷卻介質(zhì)溫度變化曲線

 

      表2為柴油機(jī)熱平衡后，各進(jìn)出口處冷卻介質(zhì)溫度。從表中可以看出串聯(lián)形式的進(jìn)出口平均溫差要大于并聯(lián)形式，但兩者差異不明顯（都不超過1%），數(shù)據(jù)對比顯示了整體來講串聯(lián)形式的總的換熱更充分，能更充分地利用冷卻資源，但優(yōu)勢不明顯。但是如果觀察溫度分布就可以看出它們之間存在的巨大差異，并聯(lián)形式的中冷器側(cè)的實(shí)際出口溫度為93.94℃，散熱器側(cè)實(shí)際出口溫度為77.38℃，但是平均值仍然為85.66℃，與串聯(lián)形式的最終出口平均溫度85.88℃僅差0.26%，幾乎可以忽略不計，顯然并聯(lián)形式的散熱器得到了更充分的換熱。散熱器的充分散熱一定程度上能彌補(bǔ)中冷器的不足，同時保證了柴油機(jī)不至于出現(xiàn)“開鍋”等影響使用的極限情況，這正是大功率柴油機(jī)較多采用并聯(lián)式布置的重要因素。

表2    柴油發(fā)電機(jī)熱平衡后臺架試驗結(jié)果

 

四、總結(jié)

 

（1）傳導(dǎo)介質(zhì)為空氣時，管芯差異較大，同時受熱不均勻，串聯(lián)式布置冷卻空氣通過的風(fēng)道較長，致使風(fēng)阻較大，其他條件相同時，串聯(lián)式布置冷卻系統(tǒng)的能耗增加。

（2）傳導(dǎo)介質(zhì)為空氣時，并聯(lián)式布置使進(jìn)入散熱器的空氣未受加熱，散熱效果較好，但散熱不如串聯(lián)式布置均勻，而且該種布置增加了內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣管道的長度，致使內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣氣流壓損較大。

（3）傳導(dǎo)介質(zhì)為水時，管芯無差異，冷卻空氣通過風(fēng)道的長度差異較小，兩種布置形式風(fēng)阻差異較?。淮?lián)式布置散熱效果略優(yōu)，但優(yōu)勢不明顯。

（4） 并聯(lián)式布置需要的空間大，連接管路更長，組件更多，制造成本高且工藝復(fù)雜，這也是目前小功率發(fā)動機(jī)較多選用串聯(lián)式的重要原因之一。

 

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