【《基于国六排放标准的天然气重卡冷却系统的匹配探究》5700字】

基于国六排放标准的天然气重卡冷却系统的匹配研究摘要天然气发动机更新国六之后，与排气模型比较，从稀薄燃烧到等效燃烧的变化使得发动机热损失提升到60%~80%，匹配冷却系统的挑战也许要调整传统规划定义与重新规划验证。选择六国天然气重量级卡作为匹配目标，通过对不同冷却系统方案做出优缺点比较，选择最优的匹配方案，本实用新型处理了天然气重卡冷却系统配套困难问题，并将其汇编成配套规范，进行推广。关键词：天然气发动机；天然气重卡；冷却系统；EGR；热平衡目录TOC\o"1-3"\h\u90781绪论 188201.1研究背景 180911.2研究内容与方法 1108011.2.1研究内容 1294361.2.2研究方法 1212232某天然气重卡冷却系统方案设计 1267392.1空空中冷独立EGR方案 169972.2空空中冷串联EGR方案 2117262.3水空中冷方案 292053方案验证 3276393.1天然气重卡冷却系统基本信息 3151023.2仿真分析 595913.3实车验证 6146733.3.1实验条件 6138553.3.2实验结果 6164024方案选择 7258115方案固化应用 891425.1冷却系统的安装要求 8165855.1.1散热器 8309235.1.2膨胀水箱 935235.1.3风扇 960935.2冷却系统的匹配要求 10243296结论 1022715参考文献 11绪论1.1研究背景2019年7月1日，天然气商用车开始全面执行国六排放，不断更新的车辆排放，必然造成天然气重卡市场的飙升。天然气发动机更新国六之后，燃烧模式从稀薄燃烧变为等效燃烧，与排气模式相比，发动机热损失增加了60%至80%，整车冷却系统匹配存在着巨大挑战，在此之前，业界还没有成熟配套的解决方案可以参考，对于企业来说，联合战略整车厂开创了解决方案的先河，未雨绸缪，抢得市场先机，是最重要的工作。所以在制备空空中冷独立EGR、空空中冷串联E-GR、水空中冷3套方案的比较验证。1.2研究内容与方法1.2.1研究内容天然气发动机更新国六之后，燃烧方式由稀薄燃烧转变为当量燃烧，与排量机型相比较，发动机散热量增加60%~80%，冷却系统匹配存在着巨大挑战，也许有必要推翻过去传统的设计理念，进行了重新设计验证。选择国六天然气重卡作为配套目标，同时制备空空中冷自主EGR、空空中冷串联E-GR、水空中冷3套方案的比较验证。经过对各种冷却系统计划做出优缺点比较，选择最优的匹配方案，本实用新型解决了天然气重卡冷却系统配套困难问题，并将其汇编成配套规范，做出推广。1.2.2研究方法（1）文献研究法通过知识网络和学校图书馆检索“冷却系统”和“国家六排放”是重点词的文献，汇集成资料文件，为本篇文章打下理论的根基。（2）实地考察法经过现场调查，获得第一手数据和档案，筛选之后加入到论文之中，使得论文研究更有说服力。某天然气重卡冷却系统方案设计天然气重卡对散热冷却需求较高的零件，由发动机、空气压缩机等组成，对于热管理系统提出了更高的需求，良好的热管理系统，不但能够保障发动机的顺利运转，也能改变发动机运转的最佳水温，达到节能降耗的目的。为了保证整车热平衡这一棘手问题能够及时地解决，编制出3套冷却系统方案给予响应。2.1空空中冷独立EGR方案空空中冷独立式EGR燃气机商用车冷却系统的规划比较新颖，这在我国还是第一次使用设计方案，使用单独的EGR散热器、两阶段EGR冷却器、独立水泵给E-GR系统降温，杜绝与发动机冷却系统共同运用，E-GR冷却系统与发动机冷却系统水温能自动调节，减少了两套系统之间相互影响，它的系统原理图可见图1图1空空中冷独立EGR冷却系统原理图2.2空空中冷串联EGR方案风冷串联EGR燃气发动机商用车辆冷却系统与过去的传统解决方案更为相似。EGR系统的散热和发动机的散热运用同一个水箱、中间冷却器和单级EGR冷却器。它的系统原理图见图2。图2空空中冷串联EGR冷却系统原理图2.3水空中冷方案水空中冷燃气机商用车冷却系统的设计较有新意，在我国还是第一次使用设计方案，相对于传统冷却系统而言，增加低温水箱和低温EGR冷却器使空空中冷器成为水空中冷器、低温水箱为水空中冷器、低温E-GR冷却器提供低温冷却液，水空中冷器的冷却效率比空空中冷要高得多，能尽量减少中冷后进气温上升，它的系统原理图见图3[1]。图3水空中冷冷却系统原理图方案验证对于空空中冷的自主EGR问题、空空中冷串EGR、水空中冷的这三类冷却系统计划，以此展开模拟仿真解析，并开展整车试验验证。按照目前重型载货车整车热平衡测试准则，冷却系统的准许环境温度是42°C时进行评估。燃气机的准许最高运行水温是105°C，使冷却系统在此温度范围内长时间使用；最大准许极限水温是108°C，使冷却系统在此温度范围内短时间使用，可全年累计运转时间低于50h。因此冷却系统是以冷却常数来考核，冷却常数的规定是：发动机运转时间较长时，不用大于63°C，工作时间短的，不可大于66°C[1]。3.1天然气重卡冷却系统基本信息整车配置信息可见表1，发动机参数可见表2，冷却系统配置信息可见表3。表1整车配置信息整备质量/t8.8总质量/t49驱动形式6×4最高车速/（km/h）120车型用途长途运输牵引车使用地区/最大使用负荷率轻型载荷□中型载荷□重型载荷■迎风面积/m29表2发动机参数发动机代号13N000发动机型式/气缸数立式/6缸缸径×行程（mm×mm）129×165标定功率/转速（kW@r/min）339@1700最大扭矩/转速（N·m@r/min）2100@（1000-1400）冷却系统极限工作水温/℃105表3冷却系统配置信息风扇类型电控硅油/风扇间隙/mm上25下20左22右18风扇到发动机距离/mm/86风扇到散热器距离/mm/190风扇叶数/11风扇直径/770低温水箱芯体尺寸/mm（水空中冷方案使用）宽887厚55高965高温水箱芯体尺寸/mm（水空中冷方案使用）宽887厚100高965EGR散热水箱芯体尺寸/mm（空空中冷独立EGR方案使用）宽887厚50高965散热器芯体尺寸/mm宽887厚150高965中冷器芯体尺寸/mm宽792厚64高9003.2仿真分析采用先进的CAE分析flowmaster软件，对以上三种冷却系统计划以此做出仿真分析，评价可见表4。表4不同冷却系统方案效果的仿真分析评价工况评价指标目标值空空中冷独立EGR评价空空中冷串联EGR评价水空中冷评价1700r/min(功率点)散热器进出水温差/℃3~107.3√7.3√8.5√冷却常数/℃≤6353.7√55.6√50.3√极限使用环境温度/℃≥4251.4√46.2√52.4√中冷后进气温升/℃≤2514.1√44.×13.9√1400r/min(扭矩点)散热器进出水温差/℃3~107.5√7.5√7.8√冷却常数/℃≤6353.1√55.5√51.6√极限使用环境温度/℃≥4251.5√49.9√52.9√中冷后进气温升/℃≤2515.5√50.6×14.7√1000r/min(扭矩点)散热器进出水温差/℃3~108.3√8.3√9.6√冷却常数/℃≤6352.8√54.3√51.8√极限使用环境温度/℃≥4252.1√50.6√50.9√中冷后进气温升/℃≤2511.8√43.3×10.7√由上表可知，从性能来看，在一定冷却系统配置条件下，水空中冷方案的性能最好，其极限使用环境温度最高，中冷后温升也最低，空空中冷独立EGR方案的性能次之，空空中冷串联EGR方案性能较差，但是只是中冷后温升没有满足要求。3.3实车验证3.3.1实验条件（1）试验一般条件的控制燃料：0#柴油机油：YC-800CH-4/SL15W-40环境温度：＞20℃（2）试验设备及仪表试验在试验室整车热平衡试验台进行，设备及仪表经过校验，均在有效使用期内。设备精度要求见表5。表5整车热平衡台架试验设备精度序号测量参数量程精度1温度<100℃±1℃100～1000℃±3℃2压力0～8kPa±0.03kPa0～38kPa±0.2kPa0～220kPa±0.5kPa3扭矩(轴)0～3kN·m±5N·m0～8kN·m±15N·m4发动机转速30～3000r/min±1r/min30～10000r/min±3r/min5增压器转速600～120000r/min±400r/min600～180000r/min±600r/min6烟度0-～9FSN±0.1FSN7燃油消耗量-±0.5%8空气流量-±2%9大气压力-±0.01kPa10空气湿度-±1（3）试验方法按《Q/YC3078-2012整车热平衡试验规范》和《GB/T18297-2001汽车发动机性能试验方法》《3095沸腾试验规范20131121》进行试验。3.3.2实验结果在热平衡测试台架上，对上述三种冷却系统方案分别进行了实车验证，结果见表6。表6整车热平衡台架试验结果工况评价指标目标值空空中冷独立EGR评价空空中冷串联EGR评价水空中冷评价1700r/min(功率点)散热器进出水温差/℃3~107.2√7.0√8.2√冷却常数/℃≤6352.3√55.4√50.1√极限使用环境温度/℃≥4251.6√47.2√53.3√中冷后进气温升/℃≤2513.3√20.7√12.6√1400r/min(扭矩点)散热器进出水温差/℃3~107.3√7.2√7.7√冷却常数/℃≤6352.1√54.5√51.6√极限使用环境温度/℃≥4252.6√50.1√53.8√中冷后进气温升/℃≤2516.6√24.5×14.7√1000r/min(扭矩点)散热器进出水温差/℃3~107.1√6.2√7.5√冷却常数/℃≤6355.7√57.1√54.6√极限使用环境温度/℃≥4251.3√49.4√52.7√中冷后进气温升/℃≤2513.8√24.9×13.7√由上表可知，实车验证与理论分析的结果基本一致，因为理论分析的条件与实车存在一定偏差，针对空空中冷串联EGR方案在理论分析时存在中冷后温升的问题，在实车验证时加大了中冷器，并调整了中冷器前面冷凝器的安置位置，同时采用减少热风回流的措施，最终使得空空中冷串联EGR方案也能顺利通过验证。方案选择针对不同冷却系统方案进行了仿真分析，测试结果、专业用件的数目，费用、适配性因素中，考虑选择了最优的应用计划空空中冷串联EGR，见表7。表7最佳冷却系统方案选取方案专用件名称、数量优点缺点评价水空中冷（发动机带水箱和水空冷器，两级EGR冷却器）EGR冷却器2个EGR冷却器出水管1个水箱散热器组件1个水泵1个中冷器支架2个水管1个中冷器部件1个中冷器进气胶管1个专用连接胶管3个冷却速度快，适用环境温度高。架构复杂，专用件数量最大，造价也最高不选择，当后备计划空空中冷独EGR(双水泵，两级EGR冷却器）EGR冷却器2个EGR冷却器进水管1个EGR冷却器出水管1个水箱散热器组件1个水泵2个出水管1个冷却速度较快，适用环境温度较高。架构复杂，专用件数量最大，造价也较高不选择，当后备计划空空串联EGR（单水泵，单级ERG冷却器）EGR冷却器1个EGR冷却器出水管1个水泵1个冷却速度慢，适用环境温度低。架构简单、专用件数量少、通用性强、造价最低。选择方案固化应用针对通过热平衡实验的具体情况，结合实验成果，制定了《燃气发动机冷却系统配套设计指南及规范》，可用在指导后续天然气商用车冷却系统配套开发工作，关键在下面几点。5.1冷却系统的安装要求5.1.1散热器联接发动机、散热器的管路要尽量短与直，来减小弯曲；总的安排要求转弯的时候，管子曲率半径不得小于50mm，并且尽量大些来降低管道阻力，且管路的弯角处或截面变化处一定要有过渡，截面突变情况不可能出现；对于后置发动机，散热器侧放置且管路较长设置，那么管路应沿水的流向恰当地向上翘起，避免使用水平布置及拱形布置管路，有利于冷却系内空气，蒸汽的逸出，要尽量避开前高后低的管路排列[2-4]。一切管路都应具有一定柔性，为了满足发动机与散热器相对运动的需要，杜绝散热器管口振裂。散热器出水管，也就是水泵进水管，要具有一定刚性，杜绝发动机在使用期间吸平。中冷器和散热器迎风面积并不全被遮挡，以使冷却水高效降温，中冷器芯子的安装高度要尽可能和散热器芯子一样；在装置期间，冷器芯子与散热器芯子之间的距离要尽可能近，以及四周的封闭，否则，这一地区将出现空气横向流动现象，会导致中冷器前后压差降低，以此出现中冷器冷却空气流量降低，导致中冷器的冷却性能变坏，并且经散热器热风流入该区，导致散热器的空气侧温度上升，散热效率下降。5.1.2膨胀水箱设置膨胀水箱时，其底平面至少应高于发动机进水总管和散热器上水室顶平面150mm。膨胀水箱与发动机补水管路的进水口要安装在膨胀水箱下端，补水管出口应设置在水泵入水线上，并尽量接近水泵，补水管的内径不得小于25mm，管路出膨胀水箱后继续向下运行，并按照尽可能短的原则设置，不要绕过远道，以免加大补水阻力。发动机和散热器除气管要不断向上与膨胀水箱连接处，不下垂，具有下弯段，不可能有U型的趋势，不准T形连接其它水管，不然就会影响加注时间与发动机工作时除气。5.1.3风扇风扇安装示意图：见图4。图4风扇安装示意图百叶窗、空调冷凝器、水箱对风扇形成风阻，后方发动机形成背压，经过一系列的实验，找到了A,B和C、D最佳安装尺寸的建议，供借鉴：A：水箱与风扇距离按理论来说，就是吸风愈平均也就是风速越均匀，阻力愈小，也就是A愈大愈好，但鉴于车辆安装位置不能太大，实验证明：由50mm至150mm的风量会提高10%左右，超过150mm后气动性能基本保持不变。50mm以下的影响更大，鉴于装有硅油风扇的离合器建议：（120~150）mm。B：风扇与护风罩单边间隙径向间隙与风扇直径每增加1%，风扇流量降低2.5%~4%，效率降低2%~3%，风扇设计比≥1%。建议单面间隙是（10-15）mm，但风扇和机罩应尽可能同心，以减少风扇不均匀测量。建议使用柔性护风圈以保证风扇与护风圈之间的缝隙可控。C：风扇护风圈的尺寸试验表明，进护风罩较深的（3/3）能得到较大的风量；进护风罩较浅（1/3状态）可得到较高静压，一般建议风扇进护风罩的1/3~2/3（吸风选2/3，吹风选1/3）。D：后间隙风量不仅与前风阻相关，而且还与背压相关，最低背压对很好地降温至关重要。后间隙就是影响空气出得顺畅与否的间隙，通常建议在100mm以上。其它注意事项等：风扇和护风罩径向间隙，不得超过风扇直径2.5%，否则由于风扇顶部空气倒流而使风扇性能变差。风扇噪声为风扇叶尖线转速的函数，风扇转速要加以控制，使叶尖转速控制在以下几个范围之内：发动机校准转速时风扇叶尖线转速前置车不得超过91m/s、后置客车不得超过100m/s。5.2冷却系统的匹配要求冷却系统各部件的匹配，应符合下列条件：冷却风扇所产生风压