Light-Duty-Diesel-Advanced-Thermal-Management--轻型柴油机的先进热管理系统.docx

先进的轻型柴油热管理Robert D. Chalgren Jr. and David J. AllenEMP发表于汽车热管理系统会议加拿大 多伦多 2005.5.10-12摘要: 为回应提高燃油经济性，提升散热的趋势，增加风扇功率和降低发动机舱包占用空间的要求，轻型柴油车的冷却系统已被替换为一个电动冷却系统，它包括电动水泵，电动温控器，电动风机，给传动系和EGR冷却的次级冷却系统，以及EGR被逆流加在其上的水冷式增压空气冷却器。这些元件的提高了舱包空间利用率同时降低了换热器模块的厚度，从而改善了发动机舱气流。发动机动机油，发动机冷却液，进气歧管的空气，废气再循环和发动机缸体/阀座的温度可控性也大大改善了。通过显着减少冷却系统寄生损耗（风机和泵功率）从23.5千瓦（基地车）到3.6千瓦，减少85，标志了冷却系统效率的改善。简介： 应用在目前轻型卡车泵冷却风扇系统，在风扇全激活的范围，机械风扇和水的寄生损耗仅在大约10至20的范围内。这对发动机功率和燃料经济有着显著影响，这对日后军事应用的成本和后勤方面的原因的考虑来说有着日益增长的重要性，对现在来说，由于燃料价格持续上升，作商业用途的重要性野日益提升提升。 由于卡车驾驶室设计已经趋向于向前设计并且更多的设备已被放置在发动机舱，发动机冷却气流的空间已经大大减少。然而，散热因为发动机额定功率上升以及2007年和2010年的排放限值的要求技术如EGR等更进一步提高散热要求。因此，虽然轻型柴油车可以从一些冲压空气冷却中受益，但冷却系必然被空气流量限制，同时通过的空气又被热交换器和发动机舱的空间制约。 通过降低寄生损耗，提高散热和热控制，电子冷却系统可以提供更好的散热和发动机性能，在一些文章中提到由于寄生损失减少，提高了热控制和封装灵活性。 电动水泵和阀门已为各种二次电路，如加热器电路或汽车低温中冷器而投入生产，但大部分水泵电机是有刷电机，大多数风扇使用这种类型的电机。然而，柴油应用和主发动机的冷却要求长的寿命，所以无刷直流电动机正在实施应用于电动发动机冷却水泵和其他卡车/越野要求长寿命的情况下。同样，因固态电子风扇和微控制器的价格的降低，无刷电机也正在大举进入电动风扇领域。 随着车辆冷却系统整体电气化，冷却系统峰值功耗是一个大问题并可能需要一高于12伏特的电源，以满足冷却系统要求。益处电子热管理系统 由于多样的电子冷却系统而得以实现的主要益处，可能包括降低寄生功率损耗，提高了散热管理，减少废气排放，提高可靠性和灵活性组件封装。减少寄生功率损失-通过减少热负荷(放弃机械风机和水泵)，一个远端的次级冷却系统可显着降低功率。一个粗略的顺序量级分析强调了这一点。因此，风扇或泵功率与流量或风扇转速的三次方成正比。 除非有重大的设计，能显著提高散热器效能而不明显影响压降或堵塞，风机功率才能满足散热所要求的冷却风量的指数级增加。如果减小额区，引擎盖和热交换器模块，那高温的散热可能构成重大问题。在许多车辆上，问题已经通过一些方法被缓解，如增加散热器顶部罐（发动机出口）允许的最大温度，改善热交换器和风扇周围的热密封，以改善气流并减少再循环，或通过修改发动机减低散热，比如排气口等的修改。然而，提高顶罐允许的最高温度会对发动机和发动机舱热应力有影响，从改进密封方面来的益处也有限。柴油发动机散热要求为了符合2004年排放量的限制，2007年和2010年的排放而提高，立法会需要散热技术的进一步提高，所以冷却系统的寄生损失问题对增加对柴油应用有着日益提高的重要性。当电动冷却系统被视为整车热管理体系的一部分时，电动冷却系统的设计是完成最好的,它的全部优势在整体设计中可以被用来，系统整合和发动机标定。发展阶段,有许多方法来减少功率损耗：l 封装灵活性意味着在组件设计中不用做出太多的妥协设计。l 分布式冷却电风扇，可以减少集中在一个机械风扇前的热交换器堆栈l 用可变速的电子驱动操作泵和风扇工作在最佳点减少泵损失l 控制系统达到最适温度。l 通过减少主电路的电流或者解决电路的限制，降低系统压降l 改进的温度控制，可以更优化的发动机标定。l 为其他优化组件/流体创造条件- 例如更好的油温管理，使石油添加剂提高燃油经济性。改进热控制 精确的热控制可以降低摩擦损失和控制燃烧温度。电冷却剂流量控制消除发动机关机时的热浸并能提高启动时的表现。发动机排放 电子热管理系统通过改善燃油经济减少温室气体排放，电热管理也成为一个排放控制系统的推动者，得益于更好的发动机和进气空气温度的控制，这些使燃烧优化，以更好地减少氮氧化物，HC和颗粒物。提高发动机在启动暖机是的表现同样也可降低HC排放。封装灵活性由于电驱动的组件不需要安装在发动机前面，这种电子冷却系统对系统的灵活性的影响是积极地。l 分布式冷却电风扇，可以减少集中在一个机械风扇前的热交换器堆栈l 远程安装的组件适用简便l 发动机部件和车型的通用化可减少元件库存。l 通过配置灵活性减整体封装尺寸部件和系统诊断 该电动冷却系统组件的驱动软件，在发动机工作时，还监测操作参数并评估的冷却部件和系统的状态。通过监测泵/风扇转速，电力消耗，系统温度和控制器的温度，它可以检测，如系统阻塞或在组件将要失效前停止其活动，它可以提醒司机潜在的问题。信息也可以被执行器收集，以帮助车辆定期维修。热系统设计：一辆福特Excursion 搭载242千瓦款（325马力）6.0L柴油发动机被选定为平台，以体现热管理的优势，有效地管理和控制热负荷，并能改善燃油消耗10。发动机功率，扭矩和冷却系统的配置都设置成与这种规模的其他装有一TDI柴油发动机货车近似。测试和分析基础的冷却系统参数可以给出先进的设置。该车辆进行了大量的一起测试以及在加利福尼亚的路试，包括拖车牵引。次级EGR冷却系统也在这个时候被测试，这是SAE一篇论文的题目“先进的轻型卡的先进的车次级冷却系统“14。基础系统发动机定功率为242千瓦（325马力）3300 rpm和758牛米（560英尺磅）2000转。车辆冷却系统由一个的2.2千瓦（2.9马力）的机械水泵和21.3千瓦（28.5马力）的电控的粘性离合器风扇。冷却模块是一叠4个热交换器，由一个A / C冷凝器，气油传递冷却器，空对空增压空气冷却器（CAC）的和散热器组成。一个小功率可操舵冷却器被置于冷凝器下。这是一个典型的现代轻型卡车布置。在水箱散热器的末端也有一额外的油液传输冷却器， EGR冷却器放置在发动机汽缸之间。 由于卡车驾驶室设计已经趋向于向前设计并且更多的设备已被放置在发动机舱，发动机冷却气流的空间已经大大减少。然而，散热因为发动机额定功率上升以及2007年和2010年的排放限值的要求技术如EGR等更进一步提高散热要求。因此，虽然轻型柴油车可以从一些冲压空气冷却中受益，但冷却系必然被空气流量限制，同时通过的空气又被热交换器和发动机舱的空间制约。图1展示热交换器堆和风扇所要求的的舱包空间，这是一个相当大量的空间，因此留给冷却空气流穿过拥挤的发动机舱的空间就很小了。先进的冷却系统 先进的冷却系统合理分配冷却负荷，允许独立控制的套筒冷却水，增压空气，EGR，发动机油，变速箱和空调的冷却。 一个EGR冷却的散热器被放置在保险杠的左后方，前轮的前方，这将产生一个整体更大的正面散热面积，而从碎片中隐藏EGR散热器和280毫米（11“）风扇。一个EMP C21电动水泵控制流过这个回路的流质，其中包括EGR冷却器和液体石油输送冷却器。一个3通道逆流油空气 变速箱冷却器和11“风扇同样地位于该车辆的乘客一边。 这种变速器冷却设计不允许理想变速器热管理，因为设计必须满足全负荷散热要求，并且油流量太低只能使用一个水油变速箱热量交换器。一个水油TOC的可以选择加热或冷却变速箱，通过控制流去热交换的冷却流（或油流），维持它工作在最佳温度附近。另外，一全密封油流量控制阀可减少变速箱的过度冷却，但可能不允许热从发动机冷却液转移到变速箱13，14。 半冷却EGR和涡轮出来的空气联合在一起，整体被单独的低温冷却液循环上的一个水冷CAC冷却。WCCAC出气温度由C21的电热水器泵控制，它可以让冷却液通过不同的WCCAC冷却液循环。较低温度（LT）的散热器（相比基本的CAC核心区减少16，总面积减少35），位于车架大梁之间。 一个紧凑headered平面管式冷凝器放置在低温散热器以上并超过车架大梁。变速无刷电机风扇控制了R134a系统的A/C的头压力至1380千帕（200磅）。 散热器，罩子和电风扇在低温散热器及冷凝器的后面。因此，先进系统前端到后端只有两个热交换器那么宽，相比于普通系统的4个热交换器的宽度。这种换热器占用空间的减少，导致了散热器位置相比传统的前移了200毫米（7.75“），从而满足了为了增加气流而解放空间的要求（图4）。发动机冷却由两个12V C22电水泵和一个电热恒温（图五）提供，点恒温器同时控制发动机冷却液的出口温度。由于柴油机冷却上的应用，相比小车，通常具有较高的空气侧的限制，风扇被设计成峰值风机效率点与上升的空气限制曲线相重合。无刷电机提供更长的寿命和可变速控制（图6）。成本&质量对比配置参数是一个复杂的系统包括原型部件，它的几个子系统被设计成可单独控制，目的在于可独立测试他们。较高的工作电压下，一些部件可以被移除，双泵和两到三个风扇可以被淘汰同时又不牺牲好处。汽车热管理中类似的方法已向最终用户展示了显著的投资回报。实验测试：道路试验是为了比较，基本和先进系统各自的热性能表现和温度控制，并且，通过排放实验室测试和路试来确定他们的燃料经济性。路试包括在密歇根州上半岛的军事山上做的9090kg（20,000磅）GCVW拖车牵引试验，。在戴维斯大坝，Baker Grade, 和 Mount Charleston进行了额外的拖车牵引试验，测试两种EGR冷却系统。对一辆为载重车辆，在道路载荷情况下，已经做了其他各种测试，以便开发冷却系统和测试A/C。燃油经济性及排放测试包括FTP75城市和告诉公路试验及各种稳定工况点，如表1所示。进行这些试验时已经考虑了迎风并关闭了引擎罩，以更好地模拟实际道路上的冷却系统工作条件。EPA测试指定，较小风扇放置在散热器的前方，引擎盖要打开。仪表安装一个数据采集系统测量各系统的性能：引擎冷却，进气，EGR，变速箱和空调。测量整个水套冷却循环的温度，压力和流量，发动机和每个气缸排气阀桥的温度也被检测。废气再循环冷却回路，油冷却回路，动力转向冷却回路，变速箱冷却都类似地进行监测，由此确定每个组件的冷却性能。涡轮增压和进气感应系统温度和压力也进行监测，以确定在CAC和EGR的性能。前后空调循环都被测试，包括压缩机，冷凝器，蒸发器，蓄能器，通风口，司机/乘客/货物呼吸温度和湿度，以及阳光照射量。驱动轴配备了扭矩计，燃料消耗量由一个重力燃油流量计测得。车辆数据网络参数中的,加速器踏板位置，车速，发动机转速，传动轴速度，和估计发动机扭矩也呗实时监视。数据采集包，包括5国SCXI底盘仪表和各种传感器，安装在Excursion的后部，如下面的图7所示。其中原始数据采集系统，车辆数据总线和先进的冷却系统数据采集，共469个渠道的信息被收集。实验结果:一般来说，先进的冷却系统改进了燃油经济性和温度控制，在减少冷却系统寄生损失的同时，也改善乐在满负荷下的散热。燃油经济性和排放先进的系统测试在实验室中使用的排放袋和模型试验设备完成了9 /27周的实验，在10/11周基础系统也在同一车辆上测试了。表1中所示的FTP和稳态工况点各点在两种配置中都被记录了。装有先进的热管理系统的卡车，在所有情况下燃油经济性都改善了，但在不同程度上，稍有不同，图8所示。EPA FTP75循环的改善为3.1，EPA公路改善为4.4。两个FTP75测试都是在先进的配置下的，但只有一个在基本配置上运行，由于未预料的电池维修停机，只有一个是跑在基本设置上了。稳态测试表明在25mph的路况载荷下，改善高达10，但这些百分比在较高的引擎转速时下降了，因为冷却系统寄生损失只占很小一部分的发动机总负荷，除最后一点（45英里，三档，发动机负荷50，25摄氏度环境），其中部分机械风扇被启动（图8）。非标高速公路测试表明了8.6（17.5至19.0英里）的改善，相比比EPA高速公路试验，这是更大的燃油经济性改善率。这些测试由以下过程组成：冷启动，巡航速度101 kmph（63英里），以及少量的加速和减速。天气条件都为干燥，但平均环境温度在先进的系统测试时为17摄氏度（62华氏度），但基本系统测试时只有6摄氏度（43华氏度）。转换后的先进系统在7度平均环境（45华氏度）重新测试，燃油经济性的改善为5.3。应当指出，这些非标准路试的不确定性不能完全量化，因为有一些交通和环境温度变化。此外，油箱装满时，会造成系统打嗝的效果，于是空气不会被困在油箱中。氮氧化物排放量比较显示出混合的结果。应该指出的是，发动机校准没有为先进的系统而改变，所以这部分测试不是完全可以比较的。FTP 75城市和公路试验的结果表明氮氧化物读数很接近，城市循环改善1.6公路循环改善3.1。在测试点8和9，观测到氮氧化物显着上升的，这可能由于更高的发动机转速和EGR流量，按原来设想, 氮氧化物应该是更少的。也就是说，可以断言对于两个系统的水动力特性在高速和高负荷下的差异是更加明显的。假设是这样的话，可以通过先进系统调节发动机的标定, 来改善NOx在这些工况的排放。寄生损失冷却系统的寄生损耗降低85（表3），即使电力系统改善了散热性能。分布式冷却和减少气流阻力改善了峰值散热性能。在峰值功率，机械和先进的冷却系统的电力消耗分别为23.5和3.6千瓦。一个有代表性的生产水准的发电机的效率大约是80-85。然而，12伏系统的道路试验用发电机只有50的效率。因此，总电冷却系统考虑损失高峰负荷85的效率, 最终功耗为4.2千瓦。机械风扇电源依赖粘性离合器激活，并在0.22千瓦(断开在发动机转速1200）到21.3千瓦（在3300转时接合）之间改变。机械水泵功率为2.2千瓦/3300rpm。电动冷却系统的功耗在水泵最小设定点为115 W。除了高负荷条件下，先进系统可以维持水流量在最小水泵设定点。在相比之下，机械水泵功率2000rpm时是是590瓦，风扇功率（脱开离合器）为220瓦，一共有810w。因此，即使在中低发动机负荷，寄生也大量减少了（86）。热管理和温度控制： 在温和条件拖车牵引试验，引擎循环负荷会造成干扰而引起温度波动。全负荷爬坡加速最大化所有系统上热负荷。随后减速或下坡造成系统温度下降。先进的系统的主动冷却控制，能减少进气歧管温度，机油温度，冷却液温度，EGR温度，缸盖温度，气缸套温度的变化，下段着重讨论。 先进的系统散热能力相比基础系统有巨大的优势差距，显示了，分布式冷却系统的概念，是达到更高的散热要求的未来车辆的一个可行方法。通过改进通过散热器的气流和分散热负荷，峰值发动机冷却液温度要降低19度，进气管的温度低19摄氏度，油温也低了14度（Figure 9）。发动机在排气门桥金属温度和URR是受冷却剂流量和冷却剂的温度影响的。由于冷却液温度先进系统要低一些，即使实际流速降低,发动机金属温度也降低了。但是，当相同发动机出口温度数据正常化时，趋势是可以预测的（图10）。当冷却水流量减少60,排气阀桥和URR温度升高11摄氏度和8度。然而，当环境温度正常化后，阀门桥梁和温度降低了同比与基本系统的流量减少60（图11）。先进系统的油温控制更接近120度的理想油温,可以粘性减少损失（图12）。基本系统中，发动机负荷减小时,油温下降，因为冷却剂流入机油冷却器是不可被控制的。当发动机负荷增加或引擎冷却液温度升高时，基本系统的缸盖，缸套，油的温度都会升高。先进系统控制流入引擎机油冷却器的冷却液温度和冷却液流量，来使温度稳定在一个范围内。V8汽油车上进行测试也显示了类似的影响，而且测试时还包括了环境温度的参数变化。这些结果表明：气缸头排气阀桥温度，随着引擎冷却液的温度升高而升高，也随着引擎负荷升高而升高，但排气阀温度与环境温度相比没有明显变化，因为排气阀温度受燃烧温度影响最大的，而不是进气的温度。但是，环境温度，冷却液温度，发动机负荷强烈地影响油温， （图A.1）。油的热管理的目标是，通过控制油温来控制发动机内部组件的温度。结果是发动机运行效率最高，磨损减少，机油的使用寿命延长。图13显示了以下两方面的减少：瞬态的进气歧管温度变化和瞬态全负荷加速时的峰值温度。请注意，这些峰对应于EGR峰值温度（图14）。同样，图15显示了冷却液温度波动的减少。温度变化减少可能会提高排放，发动机的效率，和热交换器的寿命;或者它也可允许改变控制点，因为控制窗口是窄的。 先进系统的发动机暖机表现很好，但因为基本系统，在低温配置时的数据采集时发生了通信问题，所以发动机暖机对比测试不可以进行。但是，类似的采用电动泵（s）和全密封电温控器的系统显示，初始热身性能大约有40摄氏度，但在这一点后，电动冷却系统改善了暖机表现7,9。结论：温度控制和峰值散热能力得到改善的同时，减少冷却系统的寄生损失85（减少车辆气流阻力，把变速箱和EGR的冷却负荷分散到两个小的热交换器，这些热交换器被放置在左右前轮之前的外侧车架导轨上）。分布式的散热设计还改善了发动机前的热交换器和风扇包，（通过前移散热器200毫米，并同时减少车辆气流限制。机械风机和水泵被替换为高效率电动风机和水泵以提高系统的可控性和效率。冷却系统峰值功率在额定转速下，从23.5千瓦下降到3.6千瓦。在中低负荷，冷却系统的功耗从810降低至115瓦（2000 rpm引擎转速）。 燃油经济性提高了3.1和4.4，在FTP75城市工况和高速公路工况下。可以获得较高的百分比，在稳定的道路负载情况下（最多10）。但只要机械风扇离合没有激活，该百分比就不明显。高速公路的道路试验表明燃料经济性改善了5.3至8.6。致谢作者在此感谢国家汽车中心的支持，我们在EMP的团队的帮助，和工程师劳什在数据采集和测试方面的帮助。参考文献1. 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