导读
根据某款柴油机的设计开发指标，要求在 (950-1500)r/min时达到3000N·m的扭矩，为了在低转速和宽转速范围内获得如此大的扭矩，考虑采用两级增压方案。
此方案中，高压级的增压器可以采用小一些的涡轮机，在低转速时可以获得高的增压压力从而具有良好的低速响应性，而且两级增压器也可以为 EGR 提供高的 EGR率，对柴油机的排放和燃油经济性都有好处[1]。
目前新开发的两级增压发动机一般都带有级间中冷器，经过级间中冷可以提高进气效率以及高压级增压器的可靠性[2]。
MAN 柴油机公司在两级增压方面具有丰富的经验[3]，本文详细讲解 MAN 柴油机的两级增压中冷方式并探讨分析了某款柴油机应该采用的级间中冷方案。
一、增压中冷技术
经过两级增压器加压后，空气温度升高显著，有时仅靠一个中冷器无法达到良好的冷却效果。
从而使进气温度过高，热膨胀导致实际进入缸内的空气量减少，影响发动机性能。
为了解决这个问题，有时会在低压级增压器的压气机之后，高压级增压器的压气机之前再额外增加一个中冷器，称为级间中冷器，以提高冷却效果。
国内外试验数据表明，增压后进入发动机的空气温度每降低10℃，柴油机的功率可提高2.5%，比油耗可降低1.5%，排气温度可下降20%~30%。
目前所采用的中冷系统，主要有水对空、空对空两种，可根据不同的中冷要求和发动机的具体情况进行选择。
水-空（水冷式） 进气中冷器的优点如下：
由于进气管路布置时无需通过进气格栅，整个管路的长度相对缩短，减小了进气系统中的增压空气的容量，降低了增压空气的压力损失。
基于此，相比空-空进气中冷器，车辆的加速性和发动机的输出性能更好。
此外，水-空进气中冷器可以通过控制冷却液的温度来控制增压空气的温度，这种特性消除了进气中冷器内的冷凝效应，对于低压回路（LPL） 废气再循环（EGR）布置在增压器压气机上游的方案更为有利。
在低压回路系统中，EGR 气体在高的机械增压负荷时也可以使用，以提高燃油经济性，降低排放。
可以预测，LPL 系统将会在今后得到广泛应用。
水-空进气中冷器在车辆环境下需要满足以下3点要求：
（1） 节省空间，在有限的发动机舱空间内安装；
（2）低压回路系统适应性，对增压空气侧的酸性冷凝物有充足的抗腐蚀性；
（3） 高的可靠性，高温环境下有足够的强度。
用空气作热交换介质，通过空对空中冷器把增压以后的高温气体冷却到足够低的温度，再送入气缸的冷却系统称为空空中冷系统。
空-空中冷系统结主要包括进气歧管、空气滤清器、中冷器、压缩机、涡轮增压器等。
发动机排出的废气经排气管进入涡轮增压器的涡轮室，废气的惯性冲力推动涡轮室涡轮高速旋转，涡轮带动同轴的压缩机叶轮转动，外界空气经空气滤清器被吸入压缩机内，形成高温增压空气，高温空气进入中冷器，冷却后成为冷增压空气，然后再由进气歧管送入发动机气缸中。
空-空中冷系统增大了进气密度，从而提高了发动机的输出功率，降低了发动机的排放，同时也降低了发动机气缸的热负荷。
二、单级增压柴油机
在增压技术发展的历程中，曾提出过两种观点：
一种观点是，单级废气涡轮增压系统已经达到自己的增压极限，工况需要更高的增压压力就需要借助于二级增压系统来提供；
另一种观点是，单级增压系统还存在继续开发的价值，还可以开发出效率更高、增压比更大的单级废气涡轮增压系统。
▲图1 单级增压气路水路循环
如图1所示为单级增压的水路气路循环方式[4]，新鲜空气经过空滤器过滤后经过压气机的增压进入空-空中冷器，空-空中冷器对新鲜空气进行冷却，同时排气中的一部分废气经过 EGR 冷却器冷却后和新鲜空气混合，进入发动机的进气歧管后平均分配给各缸燃烧。
冷却液进入发动机，当冷却液温度高于设定温度时，节温器开启进入散热器，经过大循环散热后回到水泵，当冷却液温度低于设定温度时不经过散热器直接走小循环回到发动机[5]。
采用单级增压的柴油机，经过增压后的空气采用的冷却方式一般都是空-空中冷[6]，空-空中冷器在整车上安装在冷却液散热器的前面，一般厚度为（60-80）mm。
空-空中冷器可以把增压后的空气冷却到小于环境温度25℃以内，压降一般在12kPa以内。
三、MAN柴油机两级增压技术
两级废气涡轮增压因为连接方式的不同分为：
串联式、并联式和机械-涡轮复合式。
下述对这三种连接方式的二级增压系统进行介绍[10]。
（1）串联式两级增压系统
串联式两级增压系统能够适应更宽范围的发动机转速，并能实现比单级较为明显的增压比，这样明显提升了发动机在低转速工况时的扭矩特性，加宽了发动机对高扭矩转速范围的需求。
两级串联式增压系统由高、低压级组成，一般在高压级附近装有放气阀，放气阀的作用是在发动机排气背压过于高时，一部分废气直接通过放气阀进入低压级，避免了高压级背压过高，致使气缸压力太低，发动机的燃油经济性直线下降。
通常情况下，高压级涡轮的几何尺寸小于低压级涡轮，目的是为了发动机在低转速范围内，较小的废气排量可以推动叶轮的转动，产生较大的压力提升扭矩特性。
当高压级涡轮随着发动机转速不断上升的同时，废气流量不断增大，高压级涡轮入口压力过大，导致高压级压气机的增压比太大，这时废气旁通阀处于完全打开的状态，高压级基本停止工作，不再为发动机提供增压压力，此时，发动机的增压压力几乎全部来自于低压级压气机。
联式两级废气涡轮增压系统与发动机匹配的困难在于两级增压器的几何尺寸大小，总压比在两级之间的分配问题。
因为高压级一般工况都是处于中低转速，低压级处于高转速，在中间转速范围时，总压比在两级之间的分配问题就成为了一大难题。
（2）并联式两级涡轮增压系统
并联式两级涡轮增压系统主要是针对发动机进气系统流量过大设计的。
搭载该增压系统的发动机配有两根排气总管，两根排气管分别连接一个涡轮增压器，其中的一根总管上装有一个碟片阀，该阀可以控制系统的工况需要一个增压器还是两个增压器来工作。
发动机在中、低转速工况时，碟片阀关闭，此时只有单一的涡轮增压器在工作，相当于单级涡轮增压系统。
伴随着发动机转速的不但提升，排气管的废气流量不断增大，这时单级涡轮增压系统已然不能满足发动机工况的需求，碟片阀开启，两个增压器开始同时工作。
该系统的增压器也是一大一小的组合构成，低转速时，几何尺寸偏大的增压不工作，或者工作在自身的喘振区域，当尺寸较小的增压器处于超速工况时，大增压器开始工作。
这种在单一增压器工作和两个增压器同时工作类型的增压系统能够满足流量范围较宽的发动机，但由于自身不能很好满足增压需求，因此，并没有被广泛采用。
（3）机械-涡轮复合式增压系统
废气涡轮增压系统是通过回收发动机的废气能量，对进入压气机的新鲜空气进行压缩，这样能够明显改善和和提高发动机的扭矩特性指标和燃油经济性指标。
存在的缺点是瞬时工况增压压力有一定的迟滞在涡轮的转速很低时，增压系统并不能对新鲜的充量进行压缩，需要一段时间才能到达发动机的满负荷状态。
为了改善这一弊端，机械增压是通过消耗发动机自身的功率对新鲜的充量进行压缩，具有很好的连续性和瞬时性，因此，一般对于汽车动力性，加速性能需求较高的，在涡轮增压系统前端接入一个机械增压系统。
机械增压系统与汽车的离合器直接相连，离合器的分离直接控制着该增压系统的启停，当机械增压系统不起作用时，发动机的排气通过废气阀直接进入涡轮增压器，这时发动机的增压压力仅有废气涡轮增压系统提供，这套增压器现存的最大弊端就是效率偏低，同时还要消耗发动机产生的功率，制造成本偏高，结构复杂，离合器与旁通阀的开闭之间的平衡相接成为了控制系统的一大难题。
▲图2 MAN柴油机两级增压气路水路循环
▲图3 MAND20/26两级增压气路
如图2和图3所示为 MAN 柴油机的两级增压技术方案[7]，MAN 的两级增压技术采用了一种全新的冷却方案。
不同于传统的对增压后的空气采用空-空中冷冷却，MAN 对增压后的空气采用的全部是水冷式冷却，在传统的空-空中冷器的位置是一个低温散热器。
新鲜空气经过低压级增压器增压后进入级间中冷器进行冷却，冷却完成后再次进入高压级增压器的压气机，再次加压达到3bar以上压力后进入主中冷器，主中冷器是安装在发动机上面的，是水冷式中冷器，在主中冷器中把空气冷却到不高于环境温度20℃以内，和从 EGR 冷却器经过冷却后的废气混合后进入发动机的进气歧管，平均分配给各缸燃烧。
从水泵出来的冷却液分为两路：
一路为高温冷却液，经过发动机冷却后如果高于设定温度时走大循环经过高温散热器散热后回到水泵，低于设定温度时走小循环直接进入发动机，此路循环和传统的水路循环一样。
另一路水经过低温散热器冷却后能够冷到较低的温度，称为低温冷却液，低温冷却液又分为两路分别来冷却级间中冷器和主中冷器，冷却完成后回到水泵。
级间中冷器和主中冷器以及低温散热器之间都有类似于节温器的控制阀。
低温冷却液的水量最大不超过发动机水流量的十分之一。
MAN柴油机采用此种技术方案具有以下优点：
1、级间中冷器和主中冷器是用通过低温散热器的低温冷却液来冷却的，低温散热器安装在风扇最前端，散热效果很好，可以把经过低压级增压器增压后的空气以及经过高压级增压后的空气都能冷却到较好的程度。
传统的采用空一空中冷一般能把空气冷却到不高于环境温度20°C ，而MAN的这种技术方案可以把空气冷却到不高于环境温度10°C。
▲图4 MAND0836两级增压气路
2、如图4所示，整车布置时，风扇前端的空间很有限，空-空中冷器和高温散热器的厚度一般在（60-80）mm，两个加起来在（120-160 ）mm。
MAN的技术方案级间中冷器和主中冷器布置在发动机上，而不是整车上。
整车上安装空-空中冷器的位置现在安装一个低温散热器，低温散热器的厚度很薄，仅为20mm左右，采用低温散热器代替空空中冷器，风扇前部的空间会节省下来，对布置和散热具有好处。
▲图5 MAN_D3876两级增压方案[8]
3、如图3和图4图5所示，三款MAN发动机级间中冷器和主中冷器都是安装在发动机上，增压后的空气经过这两个中冷器后就直接进入进气歧管，和空空中冷式管路相比，进气的管路短，动力响应性好。
4、现在，空空一中冷冷却器的压力损失一般都在12kPa左右，MAN 的水冷式级间中冷的压力损失两路加起来可以做到6kPa左右，压降损失比空-空中冷器小。
5、级间中冷器和主中冷器采用低温冷却液进行冷却易于进行标定控制。
四、某款柴油机的级间中冷方案
MAN 柴油机采用的两级增压冷却方案也有一些缺点：
低温散热器、级间中冷器加上主中冷器的方案成本要比传统空空中冷的方案成本高2倍左右。
级间中冷器和主中冷器用的是水冷式中冷器，由于是在车机上使用，要求中冷效率高、重量轻以及可靠性高等，技术含量较高，MAN 用的是贝洱的中冷器[9]，目前开发类似的中冷器较为困难，因此也没有替代方案。
由于 MAN 所用的两级增压级间中冷技术是在自己的发动机上匹配自己的整车，并且需要低温冷却器以及一些必要的水路连接等。
国内的主机厂用的都是空-空中冷的方式，我们作为独立的发动机厂商，需要匹配不同的主机厂，如果使用此技术，在协调方面也会比较困难。
综合以上考虑，某款柴油机开发采用两级增压方案，低压级和高压级之间采用水冷式级间中冷器进行冷却，经过高压级增压后的空气仍然采用传统的空空中冷的方式。
冷却液从发动机的水泵处直接取水，这样的缺点是水温会高一些，预计在90℃左右，经过级间中冷器冷却后，空气温度可以冷却到110℃左右。
某款柴油机级间中冷方案如图6所示。
▲图6 某款柴油机级间中冷方案
五、结束语
MAN 柴油机的两级增压经过高压级增压后的气体是通过水冷式中冷器进行冷却的，而不是传统的空-空中冷器，中冷器的冷却使用了一路通过单独的低温散热器进行冷却后的温度较低的冷却液进行冷却，从而得到较好的冷却效果。
现在单增压器都是采用空空中冷器进行冷却，也可以采用类似于 MAN 的水冷式冷却器进行冷却，把空空冷却器换成一个低温散热器对中冷器的冷却液进行单独的冷却。
考虑到各种因素，某款柴油机的级间中冷器建议采用传统的直接从发动机的水泵处取水进行冷却，不采用与MAN 完全相同的方案。
参考文献：
[1]二级增压技术减少柴油机排放[J].国外内燃机,2011(05):30-31.
[2]陆金龙,王一江,季建,杨振国.两级增压柴油机级间冷却系统的研究[J].现代车用动力,2014(04):1-6.
[3]HeldDrW.InnovationMANEuro.Venginewithoutexhaustaftertreatment[R],InternationalVienna MotorSymposium2009.
[4]朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器 [M].北京:机械工业出版社,1992.
[5]史绍熙等.柴油机设计手册[M].北京:中国农业机械出版社,1984.
[6]石岩,李永刚.空空中冷系统的设计和测评[J].工程机械,2010(41):33-35.
[7]张绪强.2018汉诺威车展的几款欧美高端发动机[J]重型汽车.2018:44.
[8]蔡海霄.揭秘 MAN_D3876———曼恩全新欧六发动机技术详解[J].2014(33):50-53.
[9]海拉贸易(上海)有限公司.贝洱海拉中冷器[J].汽车与配件.2012(3):46.
[10]邹艳.柴油机两级涡轮增压系统的匹配优化及控制策略研究[D].中南林业科技大学,2015.
▲潍柴两级增压中冷8M21发动机
原创作者系：
潍柴动力股份有限公司
史玉梅，张广西，刘 鑫，刘冠麟
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