试验室中冷温控系统的改进研究

安禄政，张志军，赵锁成，耿小昌，刘文娟

(河北华北柴油机有限责任公司，河北 石家庄 050081)

目前，增压技术在柴油机上得到了广泛的应用。随着柴油机增压度的提高，中冷器的应用越来越重要，成为强化增压柴油机不可缺少的重要部件[1]。试验表明，在给定的增压压力下，增压空气温度每下降10 ℃，它的密度就增大3%，当空气燃油消耗率保持不变时，柴油机的功率能提高3%，而且柴油机效率也随增压空气温度下降而上升(每下降10 ℃，效果提高约0.5%)；因此在同样的空燃比下，增压空气的温度每下降10 ℃，功率实际上可提高约3.5%[2]。

按照冷却介质来分，实现中冷的常用方法有2种：水-空中冷和空-空中冷。由于河北华北柴油机有限责任公司生产的带增压器的柴油机装到整车上的中冷方法为水-空中冷。因此柴油机做出厂试验时，需要模拟车上的中冷温控系统，使用水-空中冷来控制增压空气的温度。经过一段时间的试验，发现试验室原有的中冷温控系统对增压空气温度控制不够精确，而且温度调整速度慢。通过分析与改进，新的中冷温控系统满足了快速响应和精确控制的需求。

1 中冷温控系统原理

中冷温控系统是柴油机台架试验专用系统，用以模拟增压中冷柴油机中冷器。柴油机吸入的空气经过发动机涡轮增压器压缩后变为高温压缩空气，再经过中冷温控系统后，其温度被控制在一个恒定范围内，进入柴油机[3]。

中冷温控系统由两部分组成：水-空热交换单元和控制单元。

水-空热交换单元是个可移动的中冷器，可靠近柴油机安装。其采用的是列管式水-空热交换器，在试验台上用水-空热交换器替代车用空冷器。一路是增压后的空气流通，一路是外部冷却循环水流通，2个回路通过热交换器进行热量交换。

控制单元由单独的PID仪表和温度传感器控制。本公司采用智能控制仪表来控制中冷后温度。温度传感器为PT100铂电阻，接头采用快插件连接。控制阀是一个电磁比例调节阀，通过PID来调节阀门的开度，从而控制中冷器的温度。

2 中冷温控系统的运行状况

2.1 改进前运行原理

改进前中冷温控系统运行情况如图1所示。图1中，A是中冷出气口；B是中冷进气口；C是冷却水进水；D是冷却水回水；a是温度传感器；b是中冷器；c是压力表；d是控制阀；e是限压阀；f是控制仪表。

图1 改进前中冷温控系统运行原理图

经过增压器压缩的高温压缩空气通过中冷进气口进入中冷器。限压阀将外部冷却水限定在规定的压力下，进入中冷器。进入中冷器的高温压缩空气将部分热量传递给冷却水，由冷却水将热量带走，从而降低压缩空气的温度。当降温后的压缩空气从中冷器排出时，温度传感器会测量出当前压缩空气的温度，然后反馈给控制仪表显示数据。如果此时中冷后的温度不在设定的范围之内，控制仪表会自动通过PID来调节阀门的开度，具体运行如下。

1)当中冷后增压空气实际测量温度高于设定值时，控制仪表会通过PID来调节阀门增大开度，从而增大流经中冷器的冷却水水流量，以带走更多的增压空气的热量，达到使中冷后压缩空气降温的效果。

2)当中冷后增压空气实际测量温度低于设定值时，控制仪表会通过PID来调节阀门减小开度，从而减小流经中冷器的冷却水水流量，以减少带走的增压空气的热量，达到使中冷后压缩空气升温的效果。

3)当中冷后增压空气实际测量温度等于设定值时，控制仪表会通过PID保持阀门开度不变，从而不改变流经中冷器的冷却水水流量，以达到使中冷后压缩空气温度保持稳定的效果。

2.2 改进后运行原理

改进后的中冷温控系统运行原理图如图2所示。图2中，A是中冷出气口；B是中冷进气口；C是冷却水进水；D是冷却水回水；a是温度传感器；b是中冷器；c是压力表；d是控制阀；e是限压阀；f是控制仪表；g是单向阀；h是平衡阀；k是循环泵。

图2 改进后中冷温控系统运行原理图

改进后，在原有的冷却水循环路线上增加了循环水泵，同时增加了1条冷却水温度补偿回路。具体运行如下。

1)当中冷后增压空气实际测量温度低于设定值时，控制仪表会通过PID来调节阀门减小开度。系统改进前当控制阀的开度较小时，系统内的冷却水流量减小，流速降低，中冷器内的冷却水处于层流状态。当中冷器内的冷却水流速在层流状态时，冷却效率将大幅下降。冷却效率下降时，阀门开度会再度增大，使中冷后增压空气温度波动较大，且经过一段时间的反复调整才能使中冷后增压空气温度趋于稳定。为避免系统在层流状态下工作，系统改进后增加了1台循环水泵，用以提高管道冷却水流速，增大冷却效率。当冷却效率增大后，中冷后增压空气温度会上升缓慢。为消除冷却水流速增高后引起的冷却效率过强，改进后系统增加了1条冷却水水温补偿回路。温度较高的冷却水通过单向阀和平衡阀汇入冷却水进水管路，以提高冷却水水温，补偿过强的冷却能力，使中冷后增压空气温度快速上升到设定值并保持稳定。

2)当中冷后增压空气实际测量温度高于设定值时，控制仪表会通过PID来调节阀门增大开度，此时由于改进后的回水管路中增加了循环水泵，管道内冷却水流速比改进前提高，冷却效率增强，并且有冷却液温度补偿回路的存在。中冷后压缩空气温度会快速降低并保持稳定。

3)当中冷后增压空气实际测量温度等于设定值时。控制仪表会通过PID保持阀门开度不变，从而不改变流经中冷器的冷却水水流量，达到使中冷后压缩空气温度保持稳定的效果。

2.3 系统改进前后对中冷后压缩空气温度的影响

常温下，本公司某6缸柴油机额定工况下进行试验的中冷后压缩空气温度许用范围为(50±5) ℃[4]。系统改进前中冷后压缩空气温度折线图如图3所示。从图3可以看出，系统改进前的中冷后压缩空气温度随试验时间的增加而缓慢上升，当温度上升到约50 ℃时，会在较长的一段时间内大幅度波动，然后逐渐趋于平稳并保持在试验许用范围内。随着中冷后压缩空气温度的波动，燃烧室内的温度也相应的波动，从而导致排气温度持续波动，此时柴油机扭矩和功率输出无法保持平稳。当中冷后压缩空气温度保持稳定时，试验才能正常进行。

图3 改进前中冷后压缩空气温度折线图

系统改进后中冷后压缩空气温度折线图如图4所示。从图4可以看出，中冷后压缩空气温度随试验时间的增加而平稳快速地上升，并在经过相对较短时间的波动后，中冷后压缩空气温度稳定在约50 ℃。

图4 改进后中冷后压缩空气温度折线图

通过对比改进前后中冷后压缩空气温度折线图可以看出，改进后的中冷温控系统提高了中冷器的温控速率和稳定性。新系统节约了近50%的试验前调整时间，极大地提高了生产试验效率。

3 结语

本文从本公司试验过程中遇到的问题出发，研究设计出了一个建立在原有中冷温控系统基础上的新系统。改进后的中冷温控系统在数月的生产试验过程中运行稳定，其使用情况与预计目标情况吻合，满足了快速响应和精确控制的目的，为本公司的生产试验提供了强有力地保障。中冷温控系统越来越成为柴油机试验中的一个重要组成部分，其技术水平也会越来越高，越来越先进。

[1] 李萍. 增压柴油机进气加湿技术研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学，2003.

[2] 彭生辉. 柴油机增压中冷势在必行[J]. 汽车与配件，2001(20)：16-17.

[3] 周龙保. 内燃机学[M]. 北京：机械工业出版社，1998.

[4] 赵锁成，刘晓潘，耿小昌，等. 减少发动机在试验中振动的研究[J]. 新技术新工艺，2016(11)：33-37.