國六天然氣重卡冷卻系統(tǒng)的匹配研究

梁福貴

（廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西 玉林545007）

2019年7月1 日起天然氣商用車全面實(shí)施國六排放，新老排放車輛的迭代必然會導(dǎo)致天然氣重卡市場暴漲。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)升級國六后，燃燒方式從稀薄燃燒更改為當(dāng)量燃燒，同排量機(jī)型相比，發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量增加60%～80%，整車?yán)鋮s系統(tǒng)的匹配面臨極大的挑戰(zhàn)，此前行業(yè)內(nèi)均無成熟的配套解決方案可借鑒，對公司而言，聯(lián)合戰(zhàn)略整車廠率先推出解決方案，未雨綢繆搶占市場先機(jī)是重中之重的任務(wù)。因此，同時(shí)準(zhǔn)備了空空中冷獨(dú)立EGR、空空中冷串聯(lián)EGR、水空中冷三套方案進(jìn)行對比驗(yàn)證。

1 某天然氣重卡冷卻系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

天然氣重卡需要散熱冷卻的零部件較多，包括發(fā)動(dòng)機(jī)本體、EGR系統(tǒng)、機(jī)油冷卻器、空氣壓縮機(jī)、空調(diào)冷凝器、中冷器、汽化器、液力緩速器等，對熱管理系統(tǒng)的要求較高，一套好的熱管理系統(tǒng)不僅能保障發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行，還能調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳水溫下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。為確保整車熱平衡的難題得到及時(shí)解決，準(zhǔn)備了三套冷卻系統(tǒng)方案進(jìn)行應(yīng)對。

1.1 空空中冷獨(dú)立EGR方案

空空中冷獨(dú)立EGR燃?xì)鈾C(jī)商用車?yán)鋮s系統(tǒng)是設(shè)計(jì)較為新穎，是國內(nèi)首次采用的設(shè)計(jì)方案，采用獨(dú)立的EGR散熱器、兩級EGR冷卻器、獨(dú)立的水泵對EGR系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，避免與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)共用，EGR冷卻系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的水溫都可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，降低兩套系統(tǒng)的相互影響，其系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 空空中冷獨(dú)立EGR冷卻系統(tǒng)原理圖

1.2 空空中冷串聯(lián)EGR方案

空空中冷串聯(lián)EGR燃?xì)鈾C(jī)商用車?yán)鋮s系統(tǒng)與以往傳統(tǒng)的方案較為相似，EGR系統(tǒng)散熱與發(fā)動(dòng)機(jī)散熱共用一個(gè)水箱、一個(gè)中冷器，并且只采用單級EGR冷卻器，其系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 空空中冷串聯(lián)EGR冷卻系統(tǒng)原理圖

1.3 水空中冷方案

水空中冷燃?xì)鈾C(jī)商用車?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為新穎，也是國內(nèi)首次采用的設(shè)計(jì)方案，與傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)相比，增加了低溫水箱和低溫EGR冷卻器，空空中冷器改為水空中冷器，低溫水箱為水空中冷器及低溫EGR冷卻器提供較低溫度的冷卻液，顯然水空中冷器的冷卻效率比空空中冷要高很多，能夠最大程度降低中冷后進(jìn)氣溫升，其系統(tǒng)原理圖如圖3所示[1]。

圖3 水空中冷冷卻系統(tǒng)原理圖

2 方案驗(yàn)證

針對空空中冷獨(dú)立EGR、空空中冷串聯(lián)EGR、水空中冷這三種冷卻系統(tǒng)方案，分別開展了模擬仿真分析和整車試驗(yàn)驗(yàn)證。

根據(jù)現(xiàn)行重型載貨車整車熱平衡試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，冷卻系統(tǒng)許用環(huán)境溫度42℃評價(jià)。燃?xì)鈾C(jī)最高許用工作水溫按105℃設(shè)計(jì)，允許冷卻系統(tǒng)長時(shí)間在該溫度下工作；最高許用極限水溫按108℃設(shè)計(jì)，允許冷卻系統(tǒng)短時(shí)間在該溫度下工作，但全年累計(jì)工作時(shí)間不超過50 h。因此，冷卻系統(tǒng)用冷卻常數(shù)進(jìn)行評價(jià)，冷卻常數(shù)（K值）要求為：在發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間工作時(shí)不大于63℃，在短時(shí)間工作時(shí)不大于66℃[1]。

2.1 天然氣重卡冷卻系統(tǒng)基本信息

整車信息見表1，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)信息見表2，冷卻系統(tǒng)配置信息見表3。

表1 整車配置信息

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

表3 冷卻系統(tǒng)配置信息

2.2 仿真分析

采用先進(jìn)的CAE分析flowmaster軟件，對上述三種冷卻系統(tǒng)方案分別進(jìn)行仿真分析，評價(jià)見表4。

表4 不同冷卻系統(tǒng)方案效果的仿真分析評價(jià)

由上表可知，從性能來看，在一定冷卻系統(tǒng)配置條件下，水空中冷方案的性能最好，其極限使用環(huán)境溫度最高，中冷后溫升也最低，空空中冷獨(dú)立EGR方案的性能次之，空空中冷串聯(lián)EGR方案性能較差，但是只是中冷后溫升沒有滿足要求。

2.3 實(shí)車驗(yàn)證

2.3.1 實(shí)驗(yàn)條件（1）試驗(yàn)一般條件的控制燃料：0#柴油

機(jī)油：YC-800 CH-4/SL 15W-40環(huán)境溫度：＞20℃

（2）試驗(yàn)設(shè)備及儀表

試驗(yàn)在試驗(yàn)室整車熱平衡試驗(yàn)臺進(jìn)行，設(shè)備及儀表經(jīng)過校驗(yàn)，均在有效使用期內(nèi)。設(shè)備精度要求見表5。

表5 整車熱平衡臺架試驗(yàn)設(shè)備精度

（3）試驗(yàn)方法

按《Q/YC 3078-2012整車熱平衡試驗(yàn)規(guī)范》和《GB/T 18297-2001汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》《3095沸騰試驗(yàn)規(guī)范20131121》進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在熱平衡測試臺架上，對上述三種冷卻系統(tǒng)方案分別進(jìn)行了實(shí)車驗(yàn)證，結(jié)果見表6。

表6 整車熱平衡臺架試驗(yàn)結(jié)果

工況 指標(biāo) 目標(biāo)值 空空中冷獨(dú)立EGR評價(jià)空空中冷串聯(lián)EGR評價(jià)水空中冷評價(jià)散熱器進(jìn)出水溫差/℃ 3～10 7.3 ■ 7.2 ■ 7.7 ■1400r/min（扭矩點(diǎn)）冷卻常數(shù)/℃ ≤63 52.1 ■ 54.5 ■ 51.6 ■極限使用環(huán)境溫度/℃ ≥42 52.6 ■ 50.1 ■ 53.8 ■中冷后進(jìn)氣溫升/℃ ≤25 16.6 ■ 24.5 ■ 14.5 ■散熱器進(jìn)出水溫差/℃ 3～10 7.1 ■ 6.2 ■ 7.5 ■1000r/min（扭矩點(diǎn)）冷卻常數(shù)/℃ ≤63 55.7 ■ 57.1 ■ 54.6 ■極限使用環(huán)境溫度/℃ ≥42 51.3 ■ 49.4 ■ 52.7 ■中冷后進(jìn)氣溫升/℃ ≤25 13.8 ■ 24.9 ■ 13.7 ■

由上表可知，實(shí)車驗(yàn)證與理論分析的結(jié)果基本一致，因?yàn)槔碚摲治龅臈l件與實(shí)車存在一定偏差，針對空空中冷串聯(lián)EGR方案在理論分析時(shí)存在中冷后溫升的問題，在實(shí)車驗(yàn)證時(shí)加大了中冷器，并調(diào)整了中冷器前面冷凝器的安置位置，同時(shí)采用減少熱風(fēng)回流的措施，最終使得空空中冷串聯(lián)EGR方案也能順利通過驗(yàn)證。

3 方案選擇

根據(jù)不同冷卻系統(tǒng)方案的仿真分析、試驗(yàn)結(jié)果、專業(yè)用件數(shù)量、成本、適配性因素，綜合考慮選取最佳應(yīng)用方案——空空中冷串聯(lián)EGR方案，如表7所示。

表7 最佳冷卻系統(tǒng)方案選取

4 方案固化應(yīng)用

根據(jù)通過熱平衡試驗(yàn)的具體條件和試驗(yàn)結(jié)果，編寫了《燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)配套設(shè)計(jì)指南及規(guī)范》，能用于指導(dǎo)后續(xù)天然氣商用車?yán)鋮s系統(tǒng)配套開發(fā)工作，主要內(nèi)容如下。

4.1 冷卻系統(tǒng)的安裝要求

4.1.1 散熱器

連接發(fā)動(dòng)機(jī)與散熱器之間的管路應(yīng)盡量短而直，減少彎曲；總布置需要拐彎時(shí)，管子的曲率半徑不應(yīng)小于50 mm，并盡可能大，以減少管道阻力，且管路的彎角處或截面變化處必須圓滑過渡，不能出現(xiàn)截面突變現(xiàn)象；對后置發(fā)動(dòng)機(jī)，散熱器側(cè)置，管路較長的布置，則管路應(yīng)沿水流方向適當(dāng)上翹，避免采用水平布置和拱形布置的管路，以利于冷卻系中空氣和蒸汽的排出，應(yīng)盡量避免前低后高的管路布置[2-4]。

所有管路要有一定的柔性，以適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)和散熱器之間的相對運(yùn)動(dòng)，防止散熱器的管口振裂。散熱器出水管即水泵進(jìn)水管應(yīng)有一定的剛性，以免發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)被吸扁。

中冷器與散熱器的迎風(fēng)面積不是完全覆蓋，為了冷卻水得到有效的冷卻，中冷器芯子安裝高度應(yīng)盡量與散熱器芯子的高度一樣；安裝中冷器芯子與散熱器芯子應(yīng)盡量靠近，并對周邊進(jìn)行密封，否則該區(qū)域會產(chǎn)生空氣的橫向流動(dòng)，會使中冷器前后壓差減小，進(jìn)而造成中冷器的冷卻空氣流量降低，導(dǎo)致中冷器冷卻性能惡化，同時(shí)經(jīng)過散熱器的熱風(fēng)進(jìn)入該區(qū)域，造成散熱器空氣側(cè)溫度升高，散熱效率降低。

4.1.2 膨脹水箱

布置膨脹水箱時(shí)，其底平面至少應(yīng)高出發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水總管頂部或散熱器上水室頂部150 mm。膨脹水箱至發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)水管路的進(jìn)水口應(yīng)該布置在膨脹水箱下端面，補(bǔ)水管的出口（即整車?yán)鋮s液的補(bǔ)水口）應(yīng)該布置在水泵入水線，且盡量靠近水泵，補(bǔ)水管內(nèi)徑不應(yīng)小于25 mm，管路從膨脹水箱出來后應(yīng)持續(xù)下行且按盡量短原則布置，不應(yīng)該繞遠(yuǎn)道，避免增加補(bǔ)水阻力。發(fā)動(dòng)機(jī)及散熱器的除氣管應(yīng)連續(xù)上行至膨脹水箱接口處，不能下垂和有下彎段，不能出現(xiàn)U型走向，不允許與其它水管T形連接，否則會對加注時(shí)間及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的除氣產(chǎn)生影響。膨脹水箱容積應(yīng)不小于冷卻系統(tǒng)容積17%，帶暖風(fēng)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)不小于26%；膨脹水箱膨脹空間應(yīng)不小于膨脹水箱容積的6%。

4.1.3 風(fēng)扇

風(fēng)扇安裝示意圖：見圖4。

圖4 風(fēng)扇安裝示意圖

百葉窗、空調(diào)冷凝器、中冷器、水箱構(gòu)成風(fēng)扇的風(fēng)阻，后面的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成背壓，通過一系列試驗(yàn)，尋求到A、B、C、D最佳安裝尺寸推薦，供參考

A：水箱與風(fēng)扇距離

按照理論上說是吸風(fēng)越平均即風(fēng)速越平均阻力越小，即A越大越好，但是考慮到汽車的安裝位置不可能很大，試驗(yàn)證明：從50 mm～150 mm風(fēng)量將增加10%左右，大于150 mm，其氣動(dòng)性能基本上不變。小于50 mm影響較大，考慮到裝硅油風(fēng)扇離合器，推薦：（120 ～ 150）mm。

B：風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)罩單邊間隙

徑向間隙與風(fēng)扇直徑之比每增加1%，風(fēng)扇流量下降2.5%～4%，效率下降2%～3%，風(fēng)扇設(shè)計(jì)比值≤1%。

單邊間隙推薦（10～15）mm，同時(shí)盡量要求風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)罩同心和減少風(fēng)扇不平衡量。

推薦采用柔性護(hù)風(fēng)圈，確保風(fēng)扇至護(hù)風(fēng)圈的間隙受控。

C：風(fēng)扇護(hù)風(fēng)圈的尺寸

實(shí)驗(yàn)證明，進(jìn)護(hù)風(fēng)罩深一些（3/3）可以獲得大風(fēng)量；進(jìn)護(hù)風(fēng)罩淺一些（1/3狀態(tài)）可以獲得高靜壓，一般推薦風(fēng)扇1/3～2/3進(jìn)護(hù)風(fēng)罩（吸風(fēng)選2/3，吹風(fēng)選1/3）。

D：后間隙

風(fēng)量不但跟前風(fēng)阻有關(guān)，同時(shí)也跟背壓有關(guān)，最小的背壓是良好冷卻的關(guān)鍵。后間隙是影響空氣出來是否流暢，一般推薦大于100 mm。

其它注意事項(xiàng)：

風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)罩的徑向間隙，不應(yīng)大于風(fēng)扇直徑的2.5%，否則因風(fēng)扇頂端空氣回流過大使風(fēng)扇性能惡化。

風(fēng)扇的噪聲是風(fēng)扇葉尖線速度的函數(shù)，應(yīng)控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速使其葉尖速度限制在下列范圍內(nèi)：發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)扇葉尖線速度前置車不大于91 m/s，后置客車不大于100 m/s。

4.2 冷卻系統(tǒng)的匹配要求

冷卻系統(tǒng)各部件的匹配，要滿足以下條件：冷卻風(fēng)扇產(chǎn)生的風(fēng)壓與冷卻系統(tǒng)空氣流動(dòng)阻力相平衡，如圖5所示。

圖5 冷卻系統(tǒng)風(fēng)側(cè)匹配圖

風(fēng)扇與散熱器相對位置，且風(fēng)扇盡量靠近散熱器的對中稍偏上上部，即靠近散熱器熱端。

為減小機(jī)艙背壓，盡量保持機(jī)艙通風(fēng)，龍門架處，避免在龍門架處安裝擋板，擋板會妨礙機(jī)艙通風(fēng)，造成機(jī)艙背壓增大，冷卻效果降低。

5 結(jié)論

綜上所述，從CAE仿真分析及實(shí)車驗(yàn)證的結(jié)果來看，本文提出的三種冷卻系統(tǒng)方案均能滿足整車熱平衡的要求，但各有優(yōu)缺點(diǎn)，綜合技術(shù)復(fù)雜度、成本、適配性等因素來看，國六燃?xì)鈾C(jī)商用車的最佳冷卻系統(tǒng)方案為空空中冷串聯(lián)EGR方案，該方案與傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)非常相似，專用件數(shù)量少、成本地、通用性好。該方案已經(jīng)在玉柴全系列國六燃?xì)鈾C(jī)中批量應(yīng)用。另外兩種方案，由于冷卻效率較高，適用環(huán)境溫度高，可以作為極端高溫環(huán)境下的備用方案。

6 結(jié)束語

受國家清潔能源政策推動(dòng)，天然氣重卡市場需求持續(xù)升溫，市場年銷量突破多年保持的上限，并逐年上升，更在2019年達(dá)到近10萬輛，但天然氣重卡在重卡市場容量的占比僅達(dá)約8%，離發(fā)達(dá)國家現(xiàn)狀和國家未來15年的規(guī)劃還有很大的上升空間。未來天然氣重卡市場充沛，整車和發(fā)動(dòng)機(jī)市場競爭激烈，聯(lián)合整車廠持續(xù)做好燃?xì)鈾C(jī)商用車高效冷卻系統(tǒng)的技術(shù)儲備，未雨綢繆搶占市場先機(jī)才能立于不敗之地。