V型船用发动机水空中冷器出气腔结构改善试验研究

王宝军，孙晶晶，骆翠芳，夏新艳，朱江苏

V型船用发动机水空中冷器出气腔结构改善试验研究

王宝军，孙晶晶，骆翠芳，夏新艳，朱江苏

（潍柴动力股份有限公司 发动机研究院，山东 潍坊 261061）

为解决V型船用发动机水空中冷器左右侧中冷后温度不均匀的问题，论文提出了在中冷器出气腔内增加导流分隔板的改进方案。通过搭载发动机试验，对比原方案与改进方案对左右侧中冷后温度分配均匀性的影响。结果表明，改进后的中冷器出气腔可以有效地降低左右侧中冷后温度平均偏差，且不会影响中冷效率。改进后的中冷器出气腔增加了导流分隔板，会一定程度上增大中冷压降，但是增大的范围可接受，仍然满足发动机性能开发要求。

中冷器；出气腔；导流分隔板；均匀性

1 引言

近年来，船用发动机普遍采用增压中冷技术，有效的中冷技术可以降低增压后气体温度，提高进气密度，有助于减少废气排放和提高燃油经济性。由于船用发动机使用环境中水资源较丰富，因此水空中冷器在船用发动机上应用较为普遍[1]。

水空中冷器是以水为冷却介质，利用发动机内循环或者外循环的冷却水对增压后的气体进行冷却。对于V型发动机而言，冷却后的气体由左右两侧进气管分别进入发动机的左右侧气缸，左右两侧气体冷却后温度和压力的均匀性，直接影响发动机左右侧的输出功率以及可靠性。本文以一种中冷器出气腔为研究对象，在出气腔内部设计导流分隔板，对比了无导流分隔板和有导流分隔板两种状态下左右侧进气温度和中冷压降情况，为中冷器出气腔结构优化和深入研究打下基础。

2 出气腔结构与工作原理

V型船用发动机增压后的气体通过中冷器进气腔进入中冷器，冷却后的气体通过中冷器出气腔后分两侧进入发动机左右两侧的进气管。图1为中冷器出气腔三维模型，上部与中冷器相连，底部左右两个为出气口，与发动机进气管相连。

图1 中冷器出气腔简化模型

流经中冷器的冷却水从中冷器左侧进水口进入中冷器，对内部的气体进行冷却后由中冷器右侧出水口流出。冷却水在刚进入中冷器时水温较低，随着流动过程中对气体的冷却，气体会对冷却水进行加热，导致越靠近冷却水出口的水温越高，即从左到右冷却水温度逐渐升高。水温升高后对中冷器内气体的冷却效果降低，于是出现A出气口气温低，B出气口气温高的情况，进而导致发动机左、右侧进气温度差异较大的问题。

图2 中冷器气体流动示意图

3 改进出气腔结构及工作原理

3.1 改进出气腔结构

如图3所示为改进结构中冷器出气腔示意图，原出气腔结构没有导流分隔板，改进结构中增加了导流分隔板。出气腔内部流道结构与原结构相同。导流分隔板的作用为对中冷后的气体进行导流和再分配，以实现左右侧冷后气体的均匀混合。

图3 改进结构中冷器出气腔示意图

3.2 改进出气腔工作原理

图4为改进结构中冷器出气腔气体流动示意图，导流分隔版将中冷器出气腔分割成两部分，每一部分均可以将左、右侧的高低温气体进行混合。同时，导流分隔板与出气腔上、下壁面之间形成喉口，以满足发动机高、低负荷时的冷后气体混合均匀性需求。

图4 改进结构中冷器出气腔气体流动示意图

由伯努利方程和连续性方程推导得出流体质量流量与流通截面积、压差的关系式为：

对于特定的流道结构，d和D均为已知定值，将m=V， V=Qt，代入上式中，同时简化已知定值为常数μ，则在单位时间内，流量与截面积、压差的关系式如下：

流量与流速之间的关系式如下：

= vA （3）

其中：

m—质量，单位为kg；

V—体积，单位为3；

Q—流量，单位为3/s；

μ—流量系数，与流通截面形状有关；

A—流通截面积，单位为2；

P—流道前后的压差，单位为Pa；

—流体的密度，单位为kg⁄3；

D—流通截面直径，单位为m；

d—流通截面直径，单位为m；

t—时间，单位为s；

v—速度，单位m/s。

在发动机低负荷时，进气流量较小，导流分隔板与出气腔上、下壁面之间形成喉口，根据公式（3）可知，在气体流量一定的情况下，流通截面积减小，流速随之增大，以保证小流量状况下气体的快速、均匀混合。

在发动机中高负荷时，进气流量增大，导流分隔板在大流量气体作用下移动，以增大流通截面积，保证发动机高速大负荷的进气量需求。

由于导流分隔板的增加，改进结构相比原结构流通截面积减小，由公式（2）可知，在气体流量不变的情况下，截面积减小，压差在一定程度上会增大。

4 中冷器出气腔性能试验

4.1 试验方法

试验选取某V型船用柴油机，分别装配原结构中冷器出气腔以及改进结构的中冷器出气腔，在发动机左右侧进气管入口位置分别布置进气温度和压力传感器，分别测量两侧进气温度和压力情况。试验原理图如图5，发动机试验工况选择怠速和额定两种工况，待发动机稳定之后，每隔10min记录一组数据，分别对比两种结构出气腔在两种工况下的温度和压力数据。

图5 试验原理图

4.2 试验结果

试验分别选取20组怠速工况和额定工况下改进前后中冷后左右侧温度和压降数据，左右侧温度详细数据如图6、图7所示。

图6 怠速工况改进前后中冷后左右侧温度

图7 额定工况改进前后中冷后左右侧温度

各工况采集数据点左右侧中冷后温度偏差按照如下公式计算：

其中：

D—左右侧中冷后温度偏差；

1—左侧中冷后温度，单位为℃；

2—右侧中冷后温度，单位为℃。

改进前后中冷后总温度偏差按照如下公式进行计算：

其中，D—改进前后中冷后总温度偏差。

各工况采集数据点左右侧中冷平均压降按照如下公式进行计算：

其中：

P1—左侧中冷压降，单位为kPa；

P2—右侧中冷压降，单位为kPa。

改进前后总中冷平均压降按照如下公式计算：

其中，P—改进前后总中冷平均压降。

由公式（4）计算得出怠速工况和额定工况下中冷后左右侧温度偏差数据，如图8、图9。

图8 怠速工况改进前后中冷后左右温度偏差

图9 额定工况改进前后中冷后左右温度偏差

由公式（6）计算得出怠速工况和额定工况下改进前后左右侧中冷平均压降数据如图10、图11所示。

图10 怠速工况改进前后左右侧中冷平均压降

图11 额定工况改进前后左右侧中冷平均压降

由公式（5）、公式（7）计算得出怠速工况和额定工况下中冷后总温度偏差和总中冷平均压降，如表1、表2所示。

表1 中冷后总温度偏差

表2 总中冷平均压降

5 试验研究结论

本文选取某V型船用发动机为试验对象，分别装配改进前和改进后的中冷器集气腔，对中冷后的左右侧温度和压降进行定性和定量分析，同时分析了出气腔内的导流分隔版对中冷后气体的分配作用。通过本次试验研究，得出如下结论：

（1）改进的中冷器出气腔可以有效地降低左右侧中冷后温度平均偏差，怠速工况下平均偏差由原来的2.14%降低至0.33%；额定工况下平均偏差由原来的5.41%降低至1.72 %。且更改后左右侧中冷后的温度处于更改前左右两侧温度的区间内，改进结构不会影响中冷效率，只是对左右侧冷后温度进行了重新分配。

（2）增加导流分隔板之后会一定程度上增大中冷压降，怠速工况下平均压降由原来的0.25增加至0.27；额定工况下平均压降由原来的1.64增加至1.81。但是增大的范围可接受，仍然满足发动机性能开发要求。

[1] 周龙保.内燃机学（第3版）[M].北京:机械工业出版社,2005.

[2] 杨连生.内燃机设计[M].北京:中国农业机械出版社,1981.

[3] 范凯新,宋希庚,张拓,等.带有导流板中冷器集气壳数值模拟[J]. 农业装备与车辆工程, 2019, 57(01):53-55.

[4] 李晗,田杰,李朝勇.空空中冷器流动均匀性研究[J].中国农机化学报,2019,000(008):P.104-108.

[5] 张博峰,王芳兰,索建秦.中冷器内流道流动均匀性研究[J].农业装备与车辆工程, 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

王宝军（1986-），男，本科学历，工程师，就职于潍柴动力股份有限公司发动机研究院。