V型船用發(fā)動機(jī)水空中冷器出氣腔結(jié)構(gòu)改善試驗(yàn)研究

王寶軍，孫晶晶，駱翠芳，夏新艷，朱江蘇

V型船用發(fā)動機(jī)水空中冷器出氣腔結(jié)構(gòu)改善試驗(yàn)研究

王寶軍，孫晶晶，駱翠芳，夏新艷，朱江蘇

（濰柴動力股份有限公司 發(fā)動機(jī)研究院，山東 濰坊 261061）

為解決V型船用發(fā)動機(jī)水空中冷器左右側(cè)中冷后溫度不均勻的問題，論文提出了在中冷器出氣腔內(nèi)增加導(dǎo)流分隔板的改進(jìn)方案。通過搭載發(fā)動機(jī)試驗(yàn)，對比原方案與改進(jìn)方案對左右側(cè)中冷后溫度分配均勻性的影響。結(jié)果表明，改進(jìn)后的中冷器出氣腔可以有效地降低左右側(cè)中冷后溫度平均偏差，且不會影響中冷效率。改進(jìn)后的中冷器出氣腔增加了導(dǎo)流分隔板，會一定程度上增大中冷壓降，但是增大的范圍可接受，仍然滿足發(fā)動機(jī)性能開發(fā)要求。

中冷器；出氣腔；導(dǎo)流分隔板；均勻性

1 引言

近年來，船用發(fā)動機(jī)普遍采用增壓中冷技術(shù)，有效的中冷技術(shù)可以降低增壓后氣體溫度，提高進(jìn)氣密度，有助于減少廢氣排放和提高燃油經(jīng)濟(jì)性。由于船用發(fā)動機(jī)使用環(huán)境中水資源較豐富，因此水空中冷器在船用發(fā)動機(jī)上應(yīng)用較為普遍[1]。

水空中冷器是以水為冷卻介質(zhì)，利用發(fā)動機(jī)內(nèi)循環(huán)或者外循環(huán)的冷卻水對增壓后的氣體進(jìn)行冷卻。對于V型發(fā)動機(jī)而言，冷卻后的氣體由左右兩側(cè)進(jìn)氣管分別進(jìn)入發(fā)動機(jī)的左右側(cè)氣缸，左右兩側(cè)氣體冷卻后溫度和壓力的均勻性，直接影響發(fā)動機(jī)左右側(cè)的輸出功率以及可靠性。本文以一種中冷器出氣腔為研究對象，在出氣腔內(nèi)部設(shè)計(jì)導(dǎo)流分隔板，對比了無導(dǎo)流分隔板和有導(dǎo)流分隔板兩種狀態(tài)下左右側(cè)進(jìn)氣溫度和中冷壓降情況，為中冷器出氣腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化和深入研究打下基礎(chǔ)。

2 出氣腔結(jié)構(gòu)與工作原理

V型船用發(fā)動機(jī)增壓后的氣體通過中冷器進(jìn)氣腔進(jìn)入中冷器，冷卻后的氣體通過中冷器出氣腔后分兩側(cè)進(jìn)入發(fā)動機(jī)左右兩側(cè)的進(jìn)氣管。圖1為中冷器出氣腔三維模型，上部與中冷器相連，底部左右兩個(gè)為出氣口，與發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管相連。

圖1 中冷器出氣腔簡化模型

流經(jīng)中冷器的冷卻水從中冷器左側(cè)進(jìn)水口進(jìn)入中冷器，對內(nèi)部的氣體進(jìn)行冷卻后由中冷器右側(cè)出水口流出。冷卻水在剛進(jìn)入中冷器時(shí)水溫較低，隨著流動過程中對氣體的冷卻，氣體會對冷卻水進(jìn)行加熱，導(dǎo)致越靠近冷卻水出口的水溫越高，即從左到右冷卻水溫度逐漸升高。水溫升高后對中冷器內(nèi)氣體的冷卻效果降低，于是出現(xiàn)A出氣口氣溫低，B出氣口氣溫高的情況，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)左、右側(cè)進(jìn)氣溫度差異較大的問題。

圖2 中冷器氣體流動示意圖

3 改進(jìn)出氣腔結(jié)構(gòu)及工作原理

3.1 改進(jìn)出氣腔結(jié)構(gòu)

如圖3所示為改進(jìn)結(jié)構(gòu)中冷器出氣腔示意圖，原出氣腔結(jié)構(gòu)沒有導(dǎo)流分隔板，改進(jìn)結(jié)構(gòu)中增加了導(dǎo)流分隔板。出氣腔內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)相同。導(dǎo)流分隔板的作用為對中冷后的氣體進(jìn)行導(dǎo)流和再分配，以實(shí)現(xiàn)左右側(cè)冷后氣體的均勻混合。

圖3 改進(jìn)結(jié)構(gòu)中冷器出氣腔示意圖

3.2 改進(jìn)出氣腔工作原理

圖4為改進(jìn)結(jié)構(gòu)中冷器出氣腔氣體流動示意圖，導(dǎo)流分隔版將中冷器出氣腔分割成兩部分，每一部分均可以將左、右側(cè)的高低溫氣體進(jìn)行混合。同時(shí)，導(dǎo)流分隔板與出氣腔上、下壁面之間形成喉口，以滿足發(fā)動機(jī)高、低負(fù)荷時(shí)的冷后氣體混合均勻性需求。

圖4 改進(jìn)結(jié)構(gòu)中冷器出氣腔氣體流動示意圖

由伯努利方程和連續(xù)性方程推導(dǎo)得出流體質(zhì)量流量與流通截面積、壓差的關(guān)系式為：

對于特定的流道結(jié)構(gòu)，d和D均為已知定值，將m=V， V=Qt，代入上式中，同時(shí)簡化已知定值為常數(shù)μ，則在單位時(shí)間內(nèi)，流量與截面積、壓差的關(guān)系式如下：

流量與流速之間的關(guān)系式如下：

= vA （3）

其中：

m—質(zhì)量，單位為kg；

V—體積，單位為3；

Q—流量，單位為3/s；

μ—流量系數(shù)，與流通截面形狀有關(guān)；

A—流通截面積，單位為2；

P—流道前后的壓差，單位為Pa；

—流體的密度，單位為kg?3；

D—流通截面直徑，單位為m；

d—流通截面直徑，單位為m；

t—時(shí)間，單位為s；

v—速度，單位m/s。

在發(fā)動機(jī)低負(fù)荷時(shí)，進(jìn)氣流量較小，導(dǎo)流分隔板與出氣腔上、下壁面之間形成喉口，根據(jù)公式（3）可知，在氣體流量一定的情況下，流通截面積減小，流速隨之增大，以保證小流量狀況下氣體的快速、均勻混合。

在發(fā)動機(jī)中高負(fù)荷時(shí)，進(jìn)氣流量增大，導(dǎo)流分隔板在大流量氣體作用下移動，以增大流通截面積，保證發(fā)動機(jī)高速大負(fù)荷的進(jìn)氣量需求。

由于導(dǎo)流分隔板的增加，改進(jìn)結(jié)構(gòu)相比原結(jié)構(gòu)流通截面積減小，由公式（2）可知，在氣體流量不變的情況下，截面積減小，壓差在一定程度上會增大。

4 中冷器出氣腔性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選取某V型船用柴油機(jī)，分別裝配原結(jié)構(gòu)中冷器出氣腔以及改進(jìn)結(jié)構(gòu)的中冷器出氣腔，在發(fā)動機(jī)左右側(cè)進(jìn)氣管入口位置分別布置進(jìn)氣溫度和壓力傳感器，分別測量兩側(cè)進(jìn)氣溫度和壓力情況。試驗(yàn)原理圖如圖5，發(fā)動機(jī)試驗(yàn)工況選擇怠速和額定兩種工況，待發(fā)動機(jī)穩(wěn)定之后，每隔10min記錄一組數(shù)據(jù)，分別對比兩種結(jié)構(gòu)出氣腔在兩種工況下的溫度和壓力數(shù)據(jù)。

圖5 試驗(yàn)原理圖

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)分別選取20組怠速工況和額定工況下改進(jìn)前后中冷后左右側(cè)溫度和壓降數(shù)據(jù)，左右側(cè)溫度詳細(xì)數(shù)據(jù)如圖6、圖7所示。

圖6 怠速工況改進(jìn)前后中冷后左右側(cè)溫度

圖7 額定工況改進(jìn)前后中冷后左右側(cè)溫度

各工況采集數(shù)據(jù)點(diǎn)左右側(cè)中冷后溫度偏差按照如下公式計(jì)算：

其中：

D—左右側(cè)中冷后溫度偏差；

1—左側(cè)中冷后溫度，單位為℃；

2—右側(cè)中冷后溫度，單位為℃。

改進(jìn)前后中冷后總溫度偏差按照如下公式進(jìn)行計(jì)算：

其中，D—改進(jìn)前后中冷后總溫度偏差。

各工況采集數(shù)據(jù)點(diǎn)左右側(cè)中冷平均壓降按照如下公式進(jìn)行計(jì)算：

其中：

P1—左側(cè)中冷壓降，單位為kPa；

P2—右側(cè)中冷壓降，單位為kPa。

改進(jìn)前后總中冷平均壓降按照如下公式計(jì)算：

其中，P—改進(jìn)前后總中冷平均壓降。

由公式（4）計(jì)算得出怠速工況和額定工況下中冷后左右側(cè)溫度偏差數(shù)據(jù)，如圖8、圖9。

圖8 怠速工況改進(jìn)前后中冷后左右溫度偏差

圖9 額定工況改進(jìn)前后中冷后左右溫度偏差

由公式（6）計(jì)算得出怠速工況和額定工況下改進(jìn)前后左右側(cè)中冷平均壓降數(shù)據(jù)如圖10、圖11所示。

圖10 怠速工況改進(jìn)前后左右側(cè)中冷平均壓降

圖11 額定工況改進(jìn)前后左右側(cè)中冷平均壓降

由公式（5）、公式（7）計(jì)算得出怠速工況和額定工況下中冷后總溫度偏差和總中冷平均壓降，如表1、表2所示。

表1 中冷后總溫度偏差

表2 總中冷平均壓降

5 試驗(yàn)研究結(jié)論

本文選取某V型船用發(fā)動機(jī)為試驗(yàn)對象，分別裝配改進(jìn)前和改進(jìn)后的中冷器集氣腔，對中冷后的左右側(cè)溫度和壓降進(jìn)行定性和定量分析，同時(shí)分析了出氣腔內(nèi)的導(dǎo)流分隔版對中冷后氣體的分配作用。通過本次試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

（1）改進(jìn)的中冷器出氣腔可以有效地降低左右側(cè)中冷后溫度平均偏差，怠速工況下平均偏差由原來的2.14%降低至0.33%；額定工況下平均偏差由原來的5.41%降低至1.72 %。且更改后左右側(cè)中冷后的溫度處于更改前左右兩側(cè)溫度的區(qū)間內(nèi)，改進(jìn)結(jié)構(gòu)不會影響中冷效率，只是對左右側(cè)冷后溫度進(jìn)行了重新分配。

（2）增加導(dǎo)流分隔板之后會一定程度上增大中冷壓降，怠速工況下平均壓降由原來的0.25增加至0.27；額定工況下平均壓降由原來的1.64增加至1.81。但是增大的范圍可接受，仍然滿足發(fā)動機(jī)性能開發(fā)要求。

[1] 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)（第3版）[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2] 楊連生.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社,1981.

[3] 范凱新,宋希庚,張拓,等.帶有導(dǎo)流板中冷器集氣殼數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程, 2019, 57(01):53-55.

[4] 李晗,田杰,李朝勇.空空中冷器流動均勻性研究[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào),2019,000(008):P.104-108.

[5] 張博峰,王芳蘭,索建秦.中冷器內(nèi)流道流動均勻性研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程, 2017,055(012):24-28.

The Research of air outlet chamber structure improvement on water Air Cooler of V-type Marine Engine

Wang Baojun, Sun Jingjing, Luo Cuifang, Xia Xinyan, Zhu Jiangsu

( R&D Center of Weichai Power Co., Ltd., Shandong Weifang 261061）

In order to solve the non-uniform temperature problem in the left and right sides of the water Air Cooler on V-type Marine Engine, an improved scheme of adding diversion separation plate in the air outlet chamber of the Air Cooler was proposed. The influence of the original scheme and the improved scheme on the distribution uniformity of the temperature between the left and right sides was compared by engine test. The results show that the improved air outlet chamber of the Air Cooler can effectively reduce the average temperature deviation of the left and right sides after cooling without affecting the cooling efficiency. After adding the diversion separator, the air pressure drop will be increased to a certain extent, but the increased range is acceptable, which still meets the requirements of engine performance development.

Air cooler; Air outlet chamber; Diversion separation plate; Uniformity

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.04.030

U464

A

1671-7988(2021)04-98-04

U464

A

1671-7988(2021)04-98-04

王寶軍（1986-），男，本科學(xué)歷，工程師，就職于濰柴動力股份有限公司發(fā)動機(jī)研究院。