國六天然氣重卡冷卻系統的匹配研究

梁福貴

（廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林545007）

2019年7月1 日起天然氣商用車全面實施國六排放，新老排放車輛的迭代必然會導致天然氣重卡市場暴漲。天然氣發動機升級國六后，燃燒方式從稀薄燃燒更改為當量燃燒，同排量機型相比，發動機散熱量增加60%～80%，整車冷卻系統的匹配面臨極大的挑戰，此前行業內均無成熟的配套解決方案可借鑒，對公司而言，聯合戰略整車廠率先推出解決方案，未雨綢繆搶占市場先機是重中之重的任務。因此，同時準備了空空中冷獨立EGR、空空中冷串聯EGR、水空中冷三套方案進行對比驗證。

1 某天然氣重卡冷卻系統方案設計

天然氣重卡需要散熱冷卻的零部件較多，包括發動機本體、EGR系統、機油冷卻器、空氣壓縮機、空調冷凝器、中冷器、汽化器、液力緩速器等，對熱管理系統的要求較高，一套好的熱管理系統不僅能保障發動機正常運行，還能調節發動機在最佳水溫下運行，實現節能降耗。為確保整車熱平衡的難題得到及時解決，準備了三套冷卻系統方案進行應對。

1.1 空空中冷獨立EGR方案

空空中冷獨立EGR燃氣機商用車冷卻系統是設計較為新穎，是國內首次采用的設計方案，采用獨立的EGR散熱器、兩級EGR冷卻器、獨立的水泵對EGR系統進行冷卻，避免與發動機冷卻系統共用，EGR冷卻系統和發動機冷卻系統的水溫都可以獨立調節，降低兩套系統的相互影響，其系統原理圖如圖1所示。

圖1 空空中冷獨立EGR冷卻系統原理圖

1.2 空空中冷串聯EGR方案

空空中冷串聯EGR燃氣機商用車冷卻系統與以往傳統的方案較為相似，EGR系統散熱與發動機散熱共用一個水箱、一個中冷器，并且只采用單級EGR冷卻器，其系統原理圖如圖2所示。

圖2 空空中冷串聯EGR冷卻系統原理圖

1.3 水空中冷方案

水空中冷燃氣機商用車冷卻系統設計較為新穎，也是國內首次采用的設計方案，與傳統的冷卻系統相比，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氣溫升，其系統原理圖如圖3所示[1]。

圖3 水空中冷冷卻系統原理圖

2 方案驗證

針對空空中冷獨立EGR、空空中冷串聯EGR、水空中冷這三種冷卻系統方案，分別開展了模擬仿真分析和整車試驗驗證。

根據現行重型載貨車整車熱平衡試驗標準，冷卻系統許用環境溫度42℃評價。燃氣機最高許用工作水溫按105℃設計，允許冷卻系統長時間在該溫度下工作；最高許用極限水溫按108℃設計，允許冷卻系統短時間在該溫度下工作，但全年累計工作時間不超過50 h。因此，冷卻系統用冷卻常數進行評價，冷卻常數（K值）要求為：在發動機長時間工作時不大于63℃，在短時間工作時不大于66℃[1]。

2.1 天然氣重卡冷卻系統基本信息

整車信息見表1，發動機參數信息見表2，冷卻系統配置信息見表3。

表1 整車配置信息

表2 發動機參數

表3 冷卻系統配置信息

2.2 仿真分析

采用先進的CAE分析flowmaster軟件，對上述三種冷卻系統方案分別進行仿真分析，評價見表4。

表4 不同冷卻系統方案效果的仿真分析評價

由上表可知，從性能來看，在一定冷卻系統配置條件下，水空中冷方案的性能最好，其極限使用環境溫度最高，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 實車驗證

2.3.1 實驗條件（1）試驗一般條件的控制燃料：0#柴油

機油：YC-800 CH-4/SL 15W-40環境溫度：＞20℃

（2）試驗設備及儀表

試驗在試驗室整車熱平衡試驗臺進行，設備及儀表經過校驗，均在有效使用期內。設備精度要求見表5。

表5 整車熱平衡臺架試驗設備精度

（3）試驗方法

按《Q/YC 3078-2012整車熱平衡試驗規范》和《GB/T 18297-2001汽車發動機性能試驗方法》《3095沸騰試驗規范20131121》進行試驗。

2.3.2 實驗結果

在熱平衡測試臺架上，對上述三種冷卻系統方案分別進行了實車驗證，結果見表6。

表6 整車熱平衡臺架試驗結果

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

由上表可知，實車驗證與理論分析的結果基本一致，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EGR方案也能順利通過驗證。

3 方案選擇

根據不同冷卻系統方案的仿真分析、試驗結果、專業用件數量、成本、適配性因素，綜合考慮選取最佳應用方案——空空中冷串聯EGR方案，如表7所示。

表7 最佳冷卻系統方案選取

4 方案固化應用

根據通過熱平衡試驗的具體條件和試驗結果，編寫了《燃氣發動機冷卻系統配套設計指南及規范》，能用于指導后續天然氣商用車冷卻系統配套開發工作，主要內容如下。

4.1 冷卻系統的安裝要求

4.1.1 散熱器

連接發動機與散熱器之間的管路應盡量短而直，減少彎曲；總布置需要拐彎時，管子的曲率半徑不應小于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，不能出現截面突變現象；對后置發動機，散熱器側置，管路較長的布置，則管路應沿水流方向適當上翹，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，以適應發動機和散熱器之間的相對運動，防止散熱器的管口振裂。散熱器出水管即水泵進水管應有一定的剛性，以免發動機工作時被吸扁。

中冷器與散熱器的迎風面積不是完全覆蓋，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盡量靠近，并對周邊進行密封，否則該區域會產生空氣的橫向流動，會使中冷器前后壓差減小，進而造成中冷器的冷卻空氣流量降低，導致中冷器冷卻性能惡化，同時經過散熱器的熱風進入該區域，造成散熱器空氣側溫度升高，散熱效率降低。

4.1.2 膨脹水箱

布置膨脹水箱時，其底平面至少應高出發動機進水總管頂部或散熱器上水室頂部150 mm。膨脹水箱至發動機補水管路的進水口應該布置在膨脹水箱下端面，補水管的出口（即整車冷卻液的補水口）應該布置在水泵入水線，且盡量靠近水泵，補水管內徑不應小于25 mm，管路從膨脹水箱出來后應持續下行且按盡量短原則布置，不應該繞遠道，避免增加補水阻力。發動機及散熱器的除氣管應連續上行至膨脹水箱接口處，不能下垂和有下彎段，不能出現U型走向，不允許與其它水管T形連接，否則會對加注時間及發動機運行中的除氣產生影響。膨脹水箱容積應不小于冷卻系統容積17%，帶暖風系統時應不小于26%；膨脹水箱膨脹空間應不小于膨脹水箱容積的6%。

4.1.3 風扇

風扇安裝示意圖：見圖4。

圖4 風扇安裝示意圖

百葉窗、空調冷凝器、中冷器、水箱構成風扇的風阻，后面的發動機構成背壓，通過一系列試驗，尋求到A、B、C、D最佳安裝尺寸推薦，供參考

A：水箱與風扇距離

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

B：風扇與護風罩單邊間隙

徑向間隙與風扇直徑之比每增加1%，風扇流量下降2.5%～4%，效率下降2%～3%，風扇設計比值≤1%。

單邊間隙推薦（10～15）mm，同時盡量要求風扇與護風罩同心和減少風扇不平衡量。

推薦采用柔性護風圈，確保風扇至護風圈的間隙受控。

C：風扇護風圈的尺寸

實驗證明，進護風罩深一些（3/3）可以獲得大風量；進護風罩淺一些（1/3狀態）可以獲得高靜壓，一般推薦風扇1/3～2/3進護風罩（吸風選2/3，吹風選1/3）。

D：后間隙

風量不但跟前風阻有關，同時也跟背壓有關，最小的背壓是良好冷卻的關鍵。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：

風扇與護風罩的徑向間隙，不應大于風扇直徑的2.5%，否則因風扇頂端空氣回流過大使風扇性能惡化。

風扇的噪聲是風扇葉尖線速度的函數，應控制風扇轉速使其葉尖速度限制在下列范圍內：發動機標定轉速時，風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 冷卻系統的匹配要求

冷卻系統各部件的匹配，要滿足以下條件：冷卻風扇產生的風壓與冷卻系統空氣流動阻力相平衡，如圖5所示。

圖5 冷卻系統風側匹配圖

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

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

5 結論

綜上所述，從CAE仿真分析及實車驗證的結果來看，本文提出的三種冷卻系統方案均能滿足整車熱平衡的要求，但各有優缺點，綜合技術復雜度、成本、適配性等因素來看，國六燃氣機商用車的最佳冷卻系統方案為空空中冷串聯EGR方案，該方案與傳統的冷卻系統非常相似，專用件數量少、成本地、通用性好。該方案已經在玉柴全系列國六燃氣機中批量應用。另外兩種方案，由于冷卻效率較高，適用環境溫度高，可以作為極端高溫環境下的備用方案。

6 結束語

受國家清潔能源政策推動，天然氣重卡市場需求持續升溫，市場年銷量突破多年保持的上限，并逐年上升，更在2019年達到近10萬輛，但天然氣重卡在重卡市場容量的占比僅達約8%，離發達國家現狀和國家未來15年的規劃還有很大的上升空間。未來天然氣重卡市場充沛，整車和發動機市場競爭激烈，聯合整車廠持續做好燃氣機商用車高效冷卻系統的技術儲備，未雨綢繆搶占市場先機才能立于不敗之地。