增压发动机上的中冷技术

高等内燃机原理作业

学号：********

姓名：***

专业：动力机械

增压中冷技术

(一)增压中冷技术的定义

增压中冷技术就是当涡轮增压器将新鲜空气压缩经中间冷却器冷却，然后经进气歧管、进气门流至汽缸燃烧室。有效的中冷技术可使增压温度下降到50℃以下，有助于减少废气的排放和提高燃油经济性。

(二)中冷技术出现的原因:

增压可使柴油机在排量不变，重量不变的情况下达到增加输出功率的目的。与相同功率的非增压柴油机相比，增压柴油机不仅体积小、重量轻、功率大，而且还降低了单位功率的成本。因此增压技术广泛应用在柴油机上，而且还推广到汽油机，是改善内燃发动机的重要技术手段。

但是事物总有矛盾性，空气压力的提高就是空气密度的提高，空气密度的提高必然会使空气温度也同时增高，这如同给轮胎打气时泵会发热一样。发动机涡轮增压器的出风口温度也会随着压力增大而升高，温度提高反过来会限制空气密度的提高，要进一步提高空气密度就要降低增压空气的温度。据实验显示，在相同的空燃比条件下，增压空气温度每下降10摄氏度，柴油机功率能提高3%-5%，还能降低排放中的氮氧化合(NOx)，改善发动机的低速性能。因此，也就产生了中间冷却技术。

(三)中冷技术的原理

对于增压压力较高的中、高增压发动机, 一般需装置中间冷却器,这是因为涡轮增压器吸进的空气经压缩温度会升高, 空气在流动过程中与管壁摩擦还会进

P与充一步升温, 这样不仅影响充气效率, 还容易产生爆燃。发动机的有效功率

e

人气缸的气体密度ρ成正比, 密度越大, 功率越大, 增压空气密度由气体状态方

程决定。

ρ=

即: /p RT

式中: p是增压压力, Pa (绝对压力);T是增压时空气绝对温度,K;R 是气体常数(()

J kg K

⋅)。

287.14/

增压发动机功率大小与增压压力成正比, 与增压空气温度成反比。只有当空

P才与p成线性关系。由此可见, 对增气温度T 保持不变时, 发动机的有效功率

e

压空气进行中间冷却是很重要的。一般高速柴油机采用增压可提高功率30%. 采用中冷技术可进一步提高50%-60%。

增压器高压热空气流经中冷器的冷却管，把热量传给冷却管和附着在管子上的散热带，外面的冷空气流过冷却管和附着在管子上的散热带，带走上面的热量。就这样通过管子和散热带把热空气的热量传给外面的冷空气，把增压热空气的温度降下来。

(四)中间冷却技术的类型:

柴油机中间冷却技术的类型分为两种，一种是利用柴油机的循环冷却水对中冷器进行冷却，另一种是利用散热器冷却，也就是用外界空气冷却。

当利用冷却水冷却时，需要添置一个独立循环水的辅助系统才能达到较好的冷却效果，这种方式成本较高而且机构复杂。因此，汽车柴油机大都采用空气冷却式中冷器。空气冷却式中冷器利用管道将压缩空气通到个散热器中，利用风扇提供的冷却空气强行冷却。空气冷却式中冷器。可以安装在发动机水箱的前面、旁边或者另外安装在一个独立的位置上，它的波形铝制散热片和管道与发动机水箱结构相似，热传导效率高，可将增压空气的温度冷却到50至60摄氏度。

(五)中冷器结构

中冷器主要由多块引导增压空气和冷却介质流（水或空气）的板壁组成，在这两种介质之间不得产生混淆，为了提高传热效果和扩大散热表面，在介质流道中可以布置散热片。由此通过板壁和散热片可以间接地进行热交换，通常散热片由导热性能良好的金属制成。为了降低制造成本，介质流应按横流或横向逆流的原则进行。水冷式中冷器可分为圆管式中冷器和扁管式中冷器。

（1）圆管式中冷器圆管式中冷器芯子由许多散热片组成，冷却圆管穿过散热片。冷却圆管与散热片上管孔翻边凸缘连接，用来导热。可通过液压方式，即压入液体使管子扩张，或者用机械方式，即用扩径器贯穿管子，或者通过软钎焊使散热片凸缘与管子焊接起来。这三种工艺各有特点，均能保证传热的质量。圆管式中冷器的优点是对冷却水的要求较低，性能可靠，可直接供给经过筛滤的海水或河水。

（2）扁管式中冷器就相对效率和压力损失而言，圆管式中冷器系统不如扁管式中冷器，对于采用相同结构尺寸的扁管式中冷器系统。由于扁管具有有利于流动的形状，所以增压空气侧产生很小的压力损失，因此可多布置散热片。但是扁管式中冷器仅限于封闭式的冷却系统，因为较狭窄的管道要求更洁净的水。

（3）空－空冷却中冷器为达到尽可能低的增压空气温度，在航空和汽车发动机中，温度水平较高的水冷是不可取的。与水冷式相反，空－空中冷器中增压空气流过扁管，在扁管内可设置内部紊流片。在管子之间布置冷却空气的散热带。冷却芯子的零件由铝制成，并用硬钎焊连接起来。集气室可以用铝铸件或铝板制成，在批量较大时（轿车）可用塑料制造。

(六)中冷的技术关键

1、进气管道的设计

进气管道原则上应尽量短并有利于空气流动，但必须消除作用到发动机上的力，对增压发动机更要注意这一点。在大多数情况下，应有足够的弹性连接段以防止杂散应力的产生。同时，管道必须进行适当固定。增压器前的空气管道应尽量与压气机进气轴线同轴布置，直段长度至少应为压气机进气口直径的2～3 倍。增压器后的高压管道管接头及橡胶软管必须耐油、耐0.2M P a以上的高压、190℃以上的高温。空气管道要求密封性良好，注意使用合适的软管。并且要求管道光滑、软管卡箍可靠性高。从较小直径向较大直径的过渡管路应设计成圆锥形（锥角7°左右）。

2、中冷器的布置

在轿车上采用空－空中冷系统，中冷器通常由行驶时的迎面风冷却，也就是说，中冷器的效果主要取决于汽车的行驶速度，而冷却芯子中冷却空气的流速越高，则冷却效果越好，因此为使冷却空气在芯子中达到尽可能高的流速，必须选择在空气侧有较低阻力的冷却系统。中冷器远离发动机安装时，大多数在汽车的前部将中冷器安置在散热器（水箱）之前或在其旁边，尽可能放在动压头较高的范围内。但其缺点是增压空气管较长，而且大多数是弯弯曲曲，并有弧度和截面变化，这就会引起压力损失，从而使冷却效率以及废气涡轮增压的响应特性恶化靠近发动机安装时，如果由于结构限制，也可将中冷器安置在发动机的上面，这样空气侧的途径较短，因而压力损失较小。但是这种布置对于冷却空气的通道及密封有较高要求。

卡车主要采用空－空中冷系统。由于卡车工作条件的要求，只依靠行使时迎面风冷却是不够的，所以中冷器装在散热器（水箱）的前面或旁边，并由风扇吹风冷却。因为冷却装置的总宽度受安装空间的限制。很少考虑中冷器装在散热器旁边的方案，在采用中冷器前置方案时，有时在散热器前还要安装其他的冷却器（例如空调冷凝器，变速器或液压装置的油冷器等），这些冷却器遮住一部分散热器迎风面积。使冷却空气进入温度升高，从而使置于后面的散热器大大提高了热负荷，因此散热器必须相应地设计的大一些。

3、中冷器选型的依据

( 1 ) 通过中冷器的空气流量；

( 2) 空气通过中冷器的压力降多；

(3 ) 中冷器换热效果。

(七)中冷的作用

总的来说，对增压器出口的空气进行冷却，一方面可以进一步提高内燃机进气管的空气密度，从而提高内燃机的功率输出，另一方面可以降低内燃机压缩终点的温度和整个循环的的平均温度，降低内燃机的排气温度，热负荷和氮氧化物的排放。

1、增加比功率，提高发动机功率。冷却增压后被提高的空气温度，增高单位体积的氧气含量，提高空燃比，使燃料燃烧更充分，从而达到提高发动机功率的目的。据试验测定，在给定压力下，增压空气温度每下降10 ℃，发动机功率提高3%～5%。

2、降低发动机热负荷和机械负荷，提高发动机寿命。根据计算，压缩空气每降低1 ℃，最高燃烧温度和排气温度可降低2～3 ℃，在相同的平均有效压力下，中冷降低进气温度55～105 ℃，可以有效缓解发动机热负荷。

3、有效降低废气污染物的排放量和噪声。国外文献介绍，进气温度从60 ℃

NO排放量下降24%，噪声也有所降到30 ℃，标定工况燃油消耗率下降1%，

X

降低。

4、减少发动机燃料消耗。

5、改善增压器匹配和适应性。

6、提高对海拨高度的适应性。在高海拨地区，采用中冷可使用更高压比的压气机，使发动机功率得到更大提高。

7、避免汽油机增压后爆燃的倾向。