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。
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。
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
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
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
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]。
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
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。
2.3.1 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。
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
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。
4.1.1 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。
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。
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。
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。