内燃机车用双流道中冷器的研究

2020-11-11潘翼龙闫玉凤

铁道机车车辆 2020年5期

潘翼龙，闫玉凤，米贵

(中车戚墅堰机车有限公司, 江苏常州 213011)

双流道冷却装置常见于医药行业，压缩气体常温冷却后再以低温水进一步深度冷却，便于使气体中的水分冷凝分离出来达到干燥气体的目的,在内燃机车散热器上应用较普遍[1]，但在机车柴油机上尚未见应用。不采用的原因并不是存在技术、制造瓶颈，而是中冷器采用双流道冷却结构后冷却管路变得复杂，而冷却能力不会得到改善，对柴油机性能改善没有效果。

但机车柴油机排放要求提高后，尤其对于Tier Ⅲ及更严排放等级，增压器压比更高，使压气机出口温度也随之进一步上升，有的机车柴油机压气机出口温度已接近250℃，达到了涡轮增压器铝制压气叶轮的可靠应用上限。对于依靠单一中冷水冷却的中冷器，势必要进一步加大中冷水流量来保证冷却能力，以满足柴油机对缸内进气温度的要求。但这样一来，内燃机车上散热器低温水冷却部分势必也要相应加大低温水流量(低温水进入柴油机后经中冷水泵加压供中冷器冷却时称为中冷水)。由于机车内部空间有限，冷却室空间无法随意扩大，这使得加大中冷水流量来提高中冷器的冷却能力受到限制。目前，和谐型内燃机车上采用了分离式冷却散热器，冷却水在主散热器冷却后，分流出一部分通过副散热器进行二次冷却以供机油热交换器和中冷器。这种结构与传统结构散热器相比，尽管在一定程度上优化了散热器空间布局，可以减少散热器所占空间，但若提供给中冷器的冷却水流量加大，副散热器冷却单节的数量势必也要增加。否则，机车低温水的冷却能力会受到影响。

那么，先让高温水对中冷器进行初级冷却，再利用中冷水对中冷器进行二级冷却，可在柴油机中冷水流量不增加甚至减少的情况下达到原仅靠中冷水冷却的效果，对排放要求较高的内燃机车控制散热器冷却单节数量具有重要意义。

对中冷器进行二级冷却，在单级增压柴油机上，中冷器为双流道结构；在二级增压柴油机上，低压级中冷器可采用高温水冷却的单流道结构，高压级中冷器既可采用低温水冷却的单流道结构也可采用高、低温水冷却的双流道结构。

文中针对高、低温水冷却的双流道结构的中冷器展开研究。

1 双流道中冷器的结构及内燃机车冷却水系统分配

1.1 中冷器的流程

以常见的管片式铜中冷器为例，增压空气流经中冷器铜散热片间的空隙，将热量传递给散热片后，其温度降到满足排放要求的目标值，稳压后再进入气缸。而流经中冷器的空气阻力应尽可能低，否则影响到柴油机的功率和性能。因此，空气侧肯定是单流程的。文中介绍的中冷器流道就是指冷却水的流道、中冷器流程就是指冷却水往返流程。

冷却水进入中冷器，流经冷却管，将增压空气传递给散热片的又传导到冷却管的再传递给冷却水的热量带走。中冷器进水盖板上仅有一路进水连接通道，中冷水进入进水腔后分散进入中冷器冷却芯子的冷却管，在另一端出水盖板出水口流出。这就是单流程。单流程的冷却水单向流动。

若在进水盖板上再加上出水口变成进出水盖板，在其内侧加筋均匀分隔成2个相等区域，且与冷却芯子管板贴合形成2个分隔的水腔，同时回程水盖板不布置出水口。则中冷水只能流入一半冷却管，到冷却芯子另一端后，折返流入另一半冷却管后回到进水端的出水口。

这就是双流程。双流程的冷却水往返流动。

同样，三流程的冷却水流向是往-返-往，进、出水口在两侧不同水盖板上，2个水盖板内侧的水腔分隔筋只能让1/3的冷却管参与整个水流道；四流程的冷却水流向是往-返-往-返，进、出水口在同一个水盖板上。依次类推。

多流程中冷器的进水流程一定在出气侧，出水流程一定在进气侧。

1.2 中冷器的流道

上述冷却水流程仅指一种冷却水，通常采用的是温度较低的中冷水，不论有多少个流程，整个水通道只有一个，即为单流道。

若在进气侧留若干排冷却管，在冷却芯子两端的水盖板内腔同等位置用分隔筋板隔离出独立水腔，再布置出新的进水口、出水口，连接上高温水管路。这就与出气侧原有的中冷水流道形成高低2种冷却水系统同时对中冷器冷却。这就是双流道。

双流道中冷器相当于将两个独立的单流道中冷器连接在一起，前一个中冷器的出气侧与后一个中冷器的进气侧连接为一整体。前一个用高温水冷却，后一个用中冷水冷却。

1.3 双流道中冷器

增压空气进入中冷器时，温度最高的超过200 ℃，先让高温水对其进行热交换带走部分热量。待空气温度大幅降低后，再利用中冷水对其进一步热交换。这样参与工作的中冷水的流量及带走热量比原先单流道中冷器的可以明显减少。

双流道中冷器的每个流道，根据需要，可以是单流程，也可以是多流程。

图1和图2分别为公司研制的2个机型的2种双流道中冷器。

图1 高温水和中冷水均为双流程的双流道中冷器

1.4 双流道中冷器结构改造及冷却水流量分配原则

1.4.1结构改造原则

改用双流道中冷器时，为使柴油机性能及中冷器的冷却能力与改造前基本一致，并使中冷器的冷却芯子和气侧法兰保持互换，必须将高温水和中冷水带走的总热量与原有的单流道中冷水带走热量维持一致。在此基础上，分配两种冷却水带走的热量比例，先初定一个热量比例范围，在计算出各冷却水相应的流量后，再根据下述的分配原则优选流程分配比例。

图2 高温水单流程、中冷水双流程的双流道中冷器

1.4.2冷却水流量分配原则

进入双流道中冷器的中冷水通常直接来自中冷水泵。而高温水的来源比较复杂，取决于柴油机的结构，有的从高温水泵出口管路直接分一路进入双流道中冷器，有的则经气缸出水总管再分流部分进入双流道中冷器。这样不同来源的高温水，在中冷器的进口温度也差异明显。因此，不同机型不同结构布置，其双流道中冷器的高温水、中冷水带走热量的具体分配比例完全不同，需要结合水流量进行多次计算、多方案比较后确定，并经过柴油机测试、调整、验证。

增压空气经中冷器冷却后进入气缸，其冷却过程所带走的热量，除了极少部分直接空间散热掉以外，绝大部分通过冷却水带走。为计算方便，分配计算热量时空间散热这部分的影响可忽略。假定单流道中冷器的中冷水带走热量为100%，则一般情况下，双流道中冷器热量分配比例为高温水带走55%～70%热量、中冷水带走30%～45%热量。

而水流量的分配比例则主要取决于如下因素：

(1) 若高温水直接来自高温水泵的分支，高温水比例可高些。而若高温水来自气缸出口，由于此时的水温已比较高，比例尽量低些，已免影响冷却能力。

(2) 若中冷水出水进入散热单节前不再冷却其他设备，中冷水流量可以低些，高温水流量适当高些；若中冷水出水进入散热单节前还需冷却机油热交换器等设备，则中冷水流量宜高而高温水流量宜低。

(3) 水流程数。流程数越多，该流道的水流量越小，否则冷却管内水流速过高影响中冷器寿命。另外，流程数越多，冷却水的出水温度越高。

2 双流道中冷器的试验研究

以某型机车柴油机作为对象进行双流道中冷器的配套研究。根据多方案比较，确定的分配方案为：高温水带走55%的热量、中冷水带走45%的热量。估算所需的来自气缸出水并进入中冷器的高温水流量约占总高温水的30%、中冷水流量约占总中冷水流量的46%。

2.1 管路系统设计

其冷却水系统如图3所示。在图中，各管法兰上加装节流孔板和阀门。阀门用于分流调节控制进入中冷器的中冷水的流量。高温水管路上的节流孔板用于增加高温水通过节流孔的阻力，保证分流到柴油机中冷器的高温水达到需要的分流量，起到调节分流水流量的作用；中冷水管路上的节流孔板用于控制管路水压，调节柴油机中冷水泵扬程，改变水流量。

同时，为了获取计算所需的各项性能参数，在中冷器的高温水、中冷水进、出管路上分别临时布置了温度传感器、流量计，以测取水流量和进、出水温度。

2.2 测试调整

调试在柴油机试验台位上进行。由于水系统变化较大，改变了冷却水的流动阻力。因此，首次测试时水泵流量会发生明显变化。

通过调节阀门和更换不同孔径的节流孔板，使柴油机标定功率下的各项性能参数与原单流道中冷器下的柴油机参数基本一致，并达到热平衡。最后计算获得可替代单流道中冷器的双流道中冷器的高温水、中冷水的水流量和带走热量数据。

图3 某型机车柴油机双流道中冷器冷却水系统示意图

2.3 试验结果分析

试验结果表明，双流道中冷器的中冷水流量为总流量的52.1%，所带走的热量占比为49.8%；进中冷器的高温水流量为34.1%，所带走热量占比为50.2%，见表1。就是说，在高温水总流量不变的前提下，利用高温水流量的34.1%参与双流道中冷器冷却，替换了单流道中冷器中冷水的47.9%,带走了一半左右的热量。试验结果与估算出现偏差的主要原因是，管路系统的冷却水流动阻力发生变化，导致进中冷器的水压和水泵流量发生变化。由此估计，内燃机车上水系统的阻力与柴油机台位上的也不同。内燃机车上，高温水替换中冷水的比例可能没这么高，但应该也非常可观，可以给机车冷却室空间布置带来极大的回旋余地。

最终的柴油机热平衡结果见表2。结果表明，双流道中冷器的中冷水减少后带走的热量也由原单流道中冷器的11.23%大幅降到5.40%，降幅高达5.8%；而高温水带走的热量占整个柴油机总发热量的比例，则由原来的6.10%增加到了15.40%，增加了9.3%。另外，测试得到的废气、热辐射、摩擦损失带走热量下降了3.5%，分析认为这部分的实际变化不会明显，数据变化的原因是：进入中冷器的高温水管路上进水温度测点比较靠前、而出水温度测点比较靠后，在计算中冷器的高温水带走散热时将冷却中冷器的高温水管路的空间散热一起计算在内了。因此，实际的高温水带走热量占整个柴油机总发热量的比例，应该为11.9%左右。