进气双级中冷技术在燃气机上的应用分析

摘 要：进气增压中冷技术已经在内燃机领域中得到了广泛的应用。文章结合燃气发动机进气中冷以及发动机冷却系统的现状和特点，提出并分析了进气双级中冷技术及其配套冷却系统在燃气发动机上应用的技术方案和技术优势。

关键词：双级中冷；燃气发动机；冷却系统；高温循环；低温循环

1 引言

燃气发动机作为可燃气体综合利用的一种动力设备，具有较强的经济性和环保性，燃气机已得到国内外节能环保人士的广泛认可。作为燃气发动机关键技术之一的增压中冷技术及其配套冷却系统，也已经作为发动机研究的重要课题之一。燃气发动机采用增压技术使燃气发动机的功率、经济性和排放得到了较大的提高。但是进气增压在提高混合气体（空气和燃气）密度的同时，势必带来混合气温度的升高，温度的提升反过来对提高进气效率、降低发动机爆压、降低排放中的氮氧化合物（NOx）以及改善发动机低速性能起到反作用，因此进气中冷技术及其配套冷却系统对燃气发动机是非常必要的。

然而，目前燃气发动机一般采用进气单级中冷冷却系统，该冷却系统能够对低增压比、低功率、低性能的燃气机在降低进气温度、降低排放等有一定作用。但是，随着人们对发动机的功率和效率、排放等要求的不断提高，对于采用高增压比带来的功率和性能不断提高的燃气机来说，其单级中冷及其配套冷却系统的效果非常有限，已不满足提高充气效率、降低爆压和排放的要求。因此更有效地提高中冷效果以及优化冷却系统等问题仍需进一步研究与改进。

为此，文章提出了一种更有效的提高中冷效果的技术方案，即进气双级中冷技术以及配套冷却系统，该技术就是采用进气双级中冷器，并对燃气机高低温冷却系统进行散热平衡优化调整，使增压后的气体经过两级冷却达到深层次降温，以满足发动机高增压比、高功率、低排放以及高性能的要求。

2 进气单级中冷技术分析以及进气双级技术及冷却系统提出

目前，增压燃气机普遍使用的是高、低温分开冷却系统，并采用单级中冷器对增压气体进行冷却。高温循环水只冷却发动机缸盖、机体后进入热交换器循环冷却；低温冷却循环水依次进入单级中冷器冷却气体、油冷器冷却机油。然而在以各种可燃气体为燃料迅速发展起来的燃气增压发动机来说，应用该技术和冷却系统存在如下的缺点或不足。（单级中冷及配套冷却系统示意图如图1所示）

（1）通常的燃气增压发动机在高功率运行时，特别是在环境温度较高，增压后的气体温度将会更高，用单级的冷却系统就很难达到设计的冷却效果，进而影响进气效率，影响整机功率以及其他性能。即使配备大流量水泵和足够大的散热面积单级中冷器也很难降到设定的较低进气温度，效果不明显，配套成本也较高。

（2）通常的燃气增压发动机的中冷器是单级冷却，即只是单一冷侧介质对热侧增压气体进行降温冷却，没有充分利用发动机自身的高温循环水进行初次冷却，达不到深层次冷却效果。

（3）对于高增压、高功率、高温环境下的燃气机来说，若采用单级冷却系统，中冷后的效果要达到设计要求，其低温换热负荷较大，对低温水泵性能以及单级中冷器要求会更高。

（4）燃气机在低温（环境温度小于-5℃时）启动时，由于启动时，增压器基本不起作用，其进气的温度较低，对于燃气机来说，较低的混合气体很难着火启动。因此单级中冷系统的发动机为了达到易启动，需增加外部设备对进气进行一定的预热温升。

（5）通常的燃气增压发动机在没有外部设备或热源对机油和机体预热时，发动机很难启动，起启动时机油温度低造成机油粘稠，流动性能差，促使主油道油压过高和各摩擦副润滑不到位。

为了使增压燃气机在高负荷高温环境下能够达到更高的中冷效果，从而满足发动机低排放、降低爆震极限、各项性能优越的要求，解决单级中冷及其配套冷却系统在增压燃气机带来的的不足问题。为此，结合燃气机冷却系统的实际情况以及特点，采用进气双级技术及其配套冷却系统是较为先进的方法之一。

3 进气双级中冷技术及其冷却系统原理

进气双级中冷技术及其冷却系统原理图见图2所示。该技术系统采用双级冷却器，对燃气机高低温冷却系统重新布局调整，并充分利用高低温冷却循环水对增压后的气体进行两级深层冷却。

进气一级中冷及高温循环系统流程：用于冷却燃气机的机体、缸盖及缸套的高温出水经高温多风扇水箱热交换器冷却，冷却后的高温水流经油冷器，高温水与油冷器内的发动机机油换热后进入双级中冷器的高温冷却一级冷却器，进而对增压中冷后的高温进气进行第一次冷却，经换热的高温水流入发动机对缸盖和机体进行循环冷却。

进气二级中冷及高温循环系统流程：低温冷却水经低温多风扇水箱热交换器冷却，冷却后的低温水经双级中冷器的低温冷却二级冷却器，与第一次冷却后的中温进气热交换，进而将进气深层冷却，在该低温冷却二级冷却器旁并联了一个电动低温节温器，当发动机起动时，进气温度低于规定值时，电动低温节温器打开，低温水不经过低温冷却二级冷却器直接流入低温多风扇水箱热交换器；当发动机运行时，进气温度高于规定值时，电动低温节温器关闭，低温水经过低温冷却二级冷却器对一次冷却进气进行二次深层冷却，之后低温水流入低温多风扇水箱热交换器。

该冷却系统有效地利用了高温循环水在启动发动机时对机油的加热，并且实现对进气的预热，在保证启动时对发动机各摩擦副的润滑，而且预热的进气促使发动机容易启动。在发动机运行时实现了充分利用发动机自身的高温循环水经高温一级冷却器对高温气体进行初次冷却，再通过低温循环水经低温二级冷却器对初次冷却后的气体再次冷却，达到了深层次冷却效果，有效地降低进气温度，提高了进气密度，从而实现稀薄燃烧，提高发动机动力性能。

4 双级中冷器的结构与设计

为了降低燃气机低温散热负荷及低温水泵高流量高性能的要求，使高、低温水循环系统散热负荷基本达到一定的均衡，并且最大限度的满足二级中冷的效果。因此需要对二级中冷器进行设计计算，即分别对一级（高温水）中冷器和二级（低温水）中冷器进行计算。为了简化二级冷却器在燃气机上的布置安装，将双级冷却器做成一整个中冷器，将中冷器的水腔和水管分成两路，一路走高温水，一路走低温水，进而形成高温-低温双级中冷器。

经测算，增压后的气体温度一般在120℃～180℃之间，气体经过一级（高温水）中冷器冷却后的温度控制在80℃～90℃之间，再将此温度的气体通过二级（低温水）中冷器冷却到设计的温度（一般45℃～50℃）为宜，按此温度结合发动机高低温水泵流量，进行中冷器两级散热面积的计算设计。

5 应用案例及效果分析

国内某公司12V190燃气机在通过匹配高增压比的增压器来提高发动机功率（由原来单机功率650 kW提高到750kW）及其性能时，设计两种方案：一种方案采用原机老式冷却系统，即单级中冷技术及其配套冷却系统；第二种方案采用双级中冷器技术及其配套冷却系统。这两种方案使用的高低温水泵流量和性能均相同，单机中冷器和二级中冷器的总散热面积相同，不同的是二级冷却器按一定的比例分成以及高温水中冷器和二级低温中冷器。其两种冷却方案对比实验结果如表1所示。

通过实验表明采用二级中冷器及其配套冷却系统，其中冷后的效果明显优于一级冷却效果，同样功率下的缸内最大爆发压力、平均缸温、平均排温和排放也优于单机冷却系统。

综上，国内外燃气机上应用双级中冷及其配套冷却系统都得到一定的应用。在燃气机同样输出功率、相同的中冷散热面积以及同样的高低温水泵的前提下，采用双级中冷技术及其配套冷却系统其燃气机的中冷效果以及其他性能优于单级中冷系统。

6 结束语

双级中冷技术及其配套冷却系统是目前燃气发动机进气深冷以及提高发动机性能的最佳措施之一，它通过使用双级中冷器，降低低温散热热负荷，并使燃气机高、低温散热达到一定平衡，热平衡比例更加合理，促使增压后的混合气体达到深层次的冷却效果，并有利于机组在低温情况下加热气体进而提高燃气机易启动的效果。

双级中冷技术及其配套冷却系统达到了燃气机高温环境下、高增压比、高负荷运行所需要深度冷却效果，有效地降低进气温度，提高了进气密度，降低最高爆发压力从而最大限度的抑制爆震发生，有利于实现稀薄燃烧，降低排放，提高发动机动力性能。

参考文献

[1]西安交通大学内燃机教研室.内燃机原理[M].北京：中国农业机械出版社，1978.

[2]周龙保.内燃机学（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2005.

作者简介：程宝（1982-），男，工程师，研究方向：内燃机技术。