基于國六排放標準的天然氣重卡冷卻系統(tǒng)的匹配研究摘要天然氣發(fā)動機更新國六之后，與排氣模型比較，從稀薄燃燒到等效燃燒的變化使得發(fā)動機熱損失提升到60%~80%，匹配冷卻系統(tǒng)的挑戰(zhàn)也許要調(diào)整傳統(tǒng)規(guī)劃定義與重新規(guī)劃驗證。選擇六國天然氣重量級卡作為匹配目標，通過對不同冷卻系統(tǒng)方案做出優(yōu)缺點比較，選擇最優(yōu)的匹配方案，本實用新型處理了天然氣重卡冷卻系統(tǒng)配套困難問題，并將其匯編成配套規(guī)范，進行推廣。關(guān)鍵詞：天然氣發(fā)動機；天然氣重卡；冷卻系統(tǒng)；EGR；熱平衡目錄TOC\o"1-3"\h\u90781緒論 188201.1研究背景 180911.2研究內(nèi)容與方法 1108011.2.1研究內(nèi)容 1294361.2.2研究方法 1212232某天然氣重卡冷卻系統(tǒng)方案設(shè)計 1267392.1空空中冷獨立EGR方案 169972.2空空中冷串聯(lián)EGR方案 2117262.3水空中冷方案 292053方案驗證 3276393.1天然氣重卡冷卻系統(tǒng)基本信息 3151023.2仿真分析 595913.3實車驗證 6146733.3.1實驗條件 6138553.3.2實驗結(jié)果 6164024方案選擇 7258115方案固化應(yīng)用 891425.1冷卻系統(tǒng)的安裝要求 8165855.1.1散熱器 8309235.1.2膨脹水箱 935235.1.3風扇 960935.2冷卻系統(tǒng)的匹配要求 10243296結(jié)論 1022715參考文獻 11緒論1.1研究背景2019年7月1日，天然氣商用車開始全面執(zhí)行國六排放，不斷更新的車輛排放，必然造成天然氣重卡市場的飆升。天然氣發(fā)動機更新國六之后，燃燒模式從稀薄燃燒變?yōu)榈刃紵?，與排氣模式相比，發(fā)動機熱損失增加了60%至80%，整車冷卻系統(tǒng)匹配存在著巨大挑戰(zhàn)，在此之前，業(yè)界還沒有成熟配套的解決方案可以參考，對于企業(yè)來說，聯(lián)合戰(zhàn)略整車廠開創(chuàng)了解決方案的先河，未雨綢繆，搶得市場先機，是最重要的工作。所以在制備空空中冷獨立EGR、空空中冷串聯(lián)E-GR、水空中冷3套方案的比較驗證。1.2研究內(nèi)容與方法1.2.1研究內(nèi)容天然氣發(fā)動機更新國六之后，燃燒方式由稀薄燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)楫斄咳紵?，與排量機型相比較，發(fā)動機散熱量增加60%~80%，冷卻系統(tǒng)匹配存在著巨大挑戰(zhàn)，也許有必要推翻過去傳統(tǒng)的設(shè)計理念，進行了重新設(shè)計驗證。選擇國六天然氣重卡作為配套目標，同時制備空空中冷自主EGR、空空中冷串聯(lián)E-GR、水空中冷3套方案的比較驗證。經(jīng)過對各種冷卻系統(tǒng)計劃做出優(yōu)缺點比較，選擇最優(yōu)的匹配方案，本實用新型解決了天然氣重卡冷卻系統(tǒng)配套困難問題，并將其匯編成配套規(guī)范，做出推廣。1.2.2研究方法（1）文獻研究法通過知識網(wǎng)絡(luò)和學校圖書館檢索“冷卻系統(tǒng)”和“國家六排放”是重點詞的文獻，匯集成資料文件，為本篇文章打下理論的根基。（2）實地考察法經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，獲得第一手數(shù)據(jù)和檔案，篩選之后加入到論文之中，使得論文研究更有說服力。某天然氣重卡冷卻系統(tǒng)方案設(shè)計天然氣重卡對散熱冷卻需求較高的零件，由發(fā)動機、空氣壓縮機等組成，對于熱管理系統(tǒng)提出了更高的需求，良好的熱管理系統(tǒng)，不但能夠保障發(fā)動機的順利運轉(zhuǎn)，也能改變發(fā)動機運轉(zhuǎn)的最佳水溫，達到節(jié)能降耗的目的。為了保證整車熱平衡這一棘手問題能夠及時地解決，編制出3套冷卻系統(tǒng)方案給予響應(yīng)。2.1空空中冷獨立EGR方案空空中冷獨立式EGR燃氣機商用車冷卻系統(tǒng)的規(guī)劃比較新穎，這在我國還是第一次使用設(shè)計方案，使用單獨的EGR散熱器、兩階段EGR冷卻器、獨立水泵給E-GR系統(tǒng)降溫，杜絕與發(fā)動機冷卻系統(tǒng)共同運用，E-GR冷卻系統(tǒng)與發(fā)動機冷卻系統(tǒng)水溫能自動調(diào)節(jié)，減少了兩套系統(tǒng)之間相互影響，它的系統(tǒng)原理圖可見圖1圖1空空中冷獨立EGR冷卻系統(tǒng)原理圖2.2空空中冷串聯(lián)EGR方案風冷串聯(lián)EGR燃氣發(fā)動機商用車輛冷卻系統(tǒng)與過去的傳統(tǒng)解決方案更為相似。EGR系統(tǒng)的散熱和發(fā)動機的散熱運用同一個水箱、中間冷卻器和單級EGR冷卻器。它的系統(tǒng)原理圖見圖2。圖2空空中冷串聯(lián)EGR冷卻系統(tǒng)原理圖2.3水空中冷方案水空中冷燃氣機商用車冷卻系統(tǒng)的設(shè)計較有新意，在我國還是第一次使用設(shè)計方案，相對于傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)而言，增加低溫水箱和低溫EGR冷卻器使空空中冷器成為水空中冷器、低溫水箱為水空中冷器、低溫E-GR冷卻器提供低溫冷卻液，水空中冷器的冷卻效率比空空中冷要高得多，能盡量減少中冷后進氣溫上升，它的系統(tǒng)原理圖見圖3[1]。圖3水空中冷冷卻系統(tǒng)原理圖方案驗證對于空空中冷的自主EGR問題、空空中冷串EGR、水空中冷的這三類冷卻系統(tǒng)計劃，以此展開模擬仿真解析，并開展整車試驗驗證。按照目前重型載貨車整車熱平衡測試準則，冷卻系統(tǒng)的準許環(huán)境溫度是42°C時進行評估。燃氣機的準許最高運行水溫是105°C，使冷卻系統(tǒng)在此溫度范圍內(nèi)長時間使用；最大準許極限水溫是108°C，使冷卻系統(tǒng)在此溫度范圍內(nèi)短時間使用，可全年累計運轉(zhuǎn)時間低于50h。因此冷卻系統(tǒng)是以冷卻常數(shù)來考核，冷卻常數(shù)的規(guī)定是：發(fā)動機運轉(zhuǎn)時間較長時，不用大于63°C，工作時間短的，不可大于66°C[1]。3.1天然氣重卡冷卻系統(tǒng)基本信息整車配置信息可見表1，發(fā)動機參數(shù)可見表2，冷卻系統(tǒng)配置信息可見表3。表1整車配置信息整備質(zhì)量/t8.8總質(zhì)量/t49驅(qū)動形式6×4最高車速/（km/h）120車型用途長途運輸牽引車使用地區(qū)/最大使用負荷率輕型載荷□中型載荷□重型載荷■迎風面積/m29表2發(fā)動機參數(shù)發(fā)動機代號13N000發(fā)動機型式/氣缸數(shù)立式/6缸缸徑×行程（mm×mm）129×165標定功率/轉(zhuǎn)速（kW@r/min）339@1700最大扭矩/轉(zhuǎn)速（N·m@r/min）2100@（1000-1400）冷卻系統(tǒng)極限工作水溫/℃105表3冷卻系統(tǒng)配置信息風扇類型電控硅油/風扇間隙/mm上25下20左22右18風扇到發(fā)動機距離/mm/86風扇到散熱器距離/mm/190風扇葉數(shù)/11風扇直徑/770低溫水箱芯體尺寸/mm（水空中冷方案使用）寬887厚55高965高溫水箱芯體尺寸/mm（水空中冷方案使用）寬887厚100高965EGR散熱水箱芯體尺寸/mm（空空中冷獨立EGR方案使用）寬887厚50高965散熱器芯體尺寸/mm寬887厚150高965中冷器芯體尺寸/mm寬792厚64高9003.2仿真分析采用先進的CAE分析flowmaster軟件，對以上三種冷卻系統(tǒng)計劃以此做出仿真分析，評價可見表4。表4不同冷卻系統(tǒng)方案效果的仿真分析評價工況評價指標目標值空空中冷獨立EGR評價空空中冷串聯(lián)EGR評價水空中冷評價1700r/min(功率點)散熱器進出水溫差/℃3~107.3√7.3√8.5√冷卻常數(shù)/℃≤6353.7√55.6√50.3√極限使用環(huán)境溫度/℃≥4251.4√46.2√52.4√中冷后進氣溫升/℃≤2514.1√44.×13.9√1400r/min(扭矩點)散熱器進出水溫差/℃3~107.5√7.5√7.8√冷卻常數(shù)/℃≤6353.1√55.5√51.6√極限使用環(huán)境溫度/℃≥4251.5√49.9√52.9√中冷后進氣溫升/℃≤2515.5√50.6×14.7√1000r/min(扭矩點)散熱器進出水溫差/℃3~108.3√8.3√9.6√冷卻常數(shù)/℃≤6352.8√54.3√51.8√極限使用環(huán)境溫度/℃≥4252.1√50.6√50.9√中冷后進氣溫升/℃≤2511.8√43.3×10.7√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。3.3實車驗證3.3.1實驗條件（1）試驗一般條件的控制燃料：0#柴油機油：YC-800CH-4/SL15W-40環(huán)境溫度：＞20℃（2）試驗設(shè)備及儀表試驗在試驗室整車熱平衡試驗臺進行，設(shè)備及儀表經(jīng)過校驗，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設(shè)備精度序號測量參數(shù)量程精度1溫度<100℃±1℃100～1000℃±3℃2壓力0～8kPa±0.03kPa0～38kPa±0.2kPa0～220kPa±0.5kPa3扭矩(軸)0～3kN·m±5N·m0～8kN·m±15N·m4發(fā)動機轉(zhuǎn)速30～3000r/min±1r/min30～10000r/min±3r/min5增壓器轉(zhuǎn)速600～120000r/min±400r/min600～180000r/min±600r/min6煙度0-～9FSN±0.1FSN7燃油消耗量-±0.5%8空氣流量-±2%9大氣壓力-±0.01kPa10空氣濕度-±1（3）試驗方法按《Q/YC3078-2012整車熱平衡試驗規(guī)范》和《GB/T18297-2001汽車發(fā)動機性能試驗方法》《3095沸騰試驗規(guī)范20131121》進行試驗。3.3.2實驗結(jié)果在熱平衡測試臺架上，對上述三種冷卻系統(tǒng)方案分別進行了實車驗證，結(jié)果見表6。表6整車熱平衡臺架試驗結(jié)果工況評價指標目標值空空中冷獨立EGR評價空空中冷串聯(lián)EGR評價水空中冷評價1700r/min(功率點)散熱器進出水溫差/℃3~107.2√7.0√8.2√冷卻常數(shù)/℃≤6352.3√55.4√50.1√極限使用環(huán)境溫度/℃≥4251.6√47.2√53.3√中冷后進氣溫升/℃≤2513.3√20.7√12.6√1400r/min(扭矩點)散熱器進出水溫差/℃3~107.3√7.2√7.7√冷卻常數(shù)/℃≤6352.1√54.5√51.6√極限使用環(huán)境溫度/℃≥4252.6√50.1√53.8√中冷后進氣溫升/℃≤2516.6√24.5×14.7√1000r/min(扭矩點)散熱器進出水溫差/℃3~107.1√6.2√7.5√冷卻常數(shù)/℃≤6355.7√57.1√54.6√極限使用環(huán)境溫度/℃≥4251.3√49.4√52.7√中冷后進氣溫升/℃≤2513.8√24.9×13.7√由上表可知，實車驗證與理論分析的結(jié)果基本一致，因為理論分析的條件與實車存在一定偏差，針對空空中冷串聯(lián)EGR方案在理論分析時存在中冷后溫升的問題，在實車驗證時加大了中冷器，并調(diào)整了中冷器前面冷凝器的安置位置，同時采用減少熱風回流的措施，最終使得空空中冷串聯(lián)EGR方案也能順利通過驗證。方案選擇針對不同冷卻系統(tǒng)方案進行了仿真分析，測試結(jié)果、專業(yè)用件的數(shù)目，費用、適配性因素中，考慮選擇了最優(yōu)的應(yīng)用計劃空空中冷串聯(lián)EGR，見表7。表7最佳冷卻系統(tǒng)方案選取方案專用件名稱、數(shù)量優(yōu)點缺點評價水空中冷（發(fā)動機帶水箱和水空冷器，兩級EGR冷卻器）EGR冷卻器2個EGR冷卻器出水管1個水箱散熱器組件1個水泵1個中冷器支架2個水管1個中冷器部件1個中冷器進氣膠管1個專用連接膠管3個冷卻速度快，適用環(huán)境溫度高。架構(gòu)復雜，專用件數(shù)量最大，造價也最高不選擇，當后備計劃空空中冷獨EGR(雙水泵，兩級EGR冷卻器）EGR冷卻器2個EGR冷卻器進水管1個EGR冷卻器出水管1個水箱散熱器組件1個水泵2個出水管1個冷卻速度較快，適用環(huán)境溫度較高。架構(gòu)復雜，專用件數(shù)量最大，造價也較高不選擇，當后備計劃空空串聯(lián)EGR（單水泵，單級ERG冷卻器）EGR冷卻器1個EGR冷卻器出水管1個水泵1個冷卻速度慢，適用環(huán)境溫度低。架構(gòu)簡單、專用件數(shù)量少、通用性強、造價最低。選擇方案固化應(yīng)用針對通過熱平衡實驗的具體情況，結(jié)合實驗成果，制定了《燃氣發(fā)動機冷卻系統(tǒng)配套設(shè)計指南及規(guī)范》，可用在指導后續(xù)天然氣商用車冷卻系統(tǒng)配套開發(fā)工作，關(guān)鍵在下面幾點。5.1冷卻系統(tǒng)的安裝要求5.1.1散熱器聯(lián)接發(fā)動機、散熱器的管路要盡量短與直，來減小彎曲；總的安排要求轉(zhuǎn)彎的時候，管子曲率半徑不得小于50mm，并且盡量大些來降低管道阻力，且管路的彎角處或截面變化處一定要有過渡，截面突變情況不可能出現(xiàn)；對于后置發(fā)動機，散熱器側(cè)放置且管路較長設(shè)置，那么管路應(yīng)沿水的流向恰當?shù)叵蛏下N起，避免使用水平布置及拱形布置管路，有利于冷卻系內(nèi)空氣，蒸汽的逸出，要盡量避開前高后低的管路排列[2-4]。一切管路都應(yīng)具有一定柔性，為了滿足發(fā)動機與散熱器相對運動的需要，杜絕散熱器管口振裂。散熱器出水管，也就是水泵進水管，要具有一定剛性，杜絕發(fā)動機在使用期間吸平。中冷器和散熱器迎風面積并不全被遮擋，以使冷卻水高效降溫，中冷器芯子的安裝高度要盡可能和散熱器芯子一樣；在裝置期間，冷器芯子與散熱器芯子之間的距離要盡可能近，以及四周的封閉，否則，這一地區(qū)將出現(xiàn)空氣橫向流動現(xiàn)象，會導致中冷器前后壓差降低，以此出現(xiàn)中冷器冷卻空氣流量降低，導致中冷器的冷卻性能變壞，并且經(jīng)散熱器熱風流入該區(qū)，導致散熱器的空氣側(cè)溫度上升，散熱效率下降。5.1.2膨脹水箱設(shè)置膨脹水箱時，其底平面至少應(yīng)高于發(fā)動機進水總管和散熱器上水室頂平面150mm。膨脹水箱與發(fā)動機補水管路的進水口要安裝在膨脹水箱下端，補水管出口應(yīng)設(shè)置在水泵入水線上，并盡量接近水泵，補水管的內(nèi)徑不得小于25mm，管路出膨脹水箱后繼續(xù)向下運行，并按照盡可能短的原則設(shè)置，不要繞過遠道，以免加大補水阻力。發(fā)動機和散熱器除氣管要不斷向上與膨脹水箱連接處，不下垂，具有下彎段，不可能有U型的趨勢，不準T形連接其它水管，不然就會影響加注時間與發(fā)動機工作時除氣。5.1.3風扇風扇安裝示意圖：見圖4。圖4風扇安裝示意圖百葉窗、空調(diào)冷凝器、水箱對風扇形成風阻，后方發(fā)動機形成背壓，經(jīng)過一系列的實驗，找到了A,B和C、D最佳安裝尺寸的建議，供借鑒：A：水箱與風扇距離按理論來說，就是吸風愈平均也就是風速越均勻，阻力愈小，也就是A愈大愈好，但鑒于車輛安裝位置不能太大，實驗證明：由50mm至150mm的風量會提高10%左右，超過150mm后氣動性能基本保持不變。50mm以下的影響更大，鑒于裝有硅油風扇的離合器建議：（120~150）mm。B：風扇與護風罩單邊間隙徑向間隙與風扇直徑每增加1%，風扇流量降低2.5%~4%，效率降低2%~3%，風扇設(shè)計比≥1%。建議單面間隙是（10-15）mm，但風扇和機罩應(yīng)盡可能同心，以減少風扇不均勻測量。建議使用柔性護風圈以保證風扇與護風圈之間的縫隙可控。C：風扇護風圈的尺寸試驗表明，進護風罩較深的（3/3）能得到較大的風量；進護風罩較淺（1/3狀態(tài)）可得到較高靜壓，一般建議風扇進護風罩的1/3~2/3（吸風選2/3，吹風選1/3）。D：后間隙風量不僅與前風阻相關(guān)，而且還與背壓相關(guān)，最低背壓對很好地降溫至關(guān)重要。后間隙就是影響空氣出得順暢與否的間隙，通常建議在100mm以上。其它注意事項等：風扇和護風罩徑向間隙，不得超過風扇直徑2.5%，否則由于風扇頂部空氣倒流而使風扇性能變差。風扇噪聲為風扇葉尖線轉(zhuǎn)速的函數(shù)，風扇轉(zhuǎn)速要加以控制，使葉尖轉(zhuǎn)速控制在以下幾個范圍之內(nèi)：發(fā)動機校準轉(zhuǎn)速時風扇葉尖線轉(zhuǎn)速前置車不得超過91m/s、后置客車不得超過100m/s。5.2冷卻系統(tǒng)的匹配要求冷卻系統(tǒng)各部件的匹配，應(yīng)符合下列條件：冷卻風扇所產(chǎn)生風壓