適用國六RDE排放的水冷排氣歧管開發(fā)

王海耀 劉杰 鄭有能

摘要：開發(fā)了一款適用于國六RDE排放法規(guī)的水冷排氣歧管，并通過熱氣臺(tái)架、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測試驗(yàn)證了水冷排氣歧管的冷卻性能及其對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的貢獻(xiàn)。水冷排氣歧管可以替代傳統(tǒng)燃油加濃措施，降低發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)工況排氣溫度，擴(kuò)大發(fā)動(dòng)機(jī)在過量空氣系數(shù)邊界下的運(yùn)行區(qū)域，提升發(fā)動(dòng)機(jī)不加濃工況功率。

Abstract： Awater-cooled exhaust manifold is developed forChina6 RDE emission， the water-cooled exhaust manifold’s cooling performance and its contribution to engine performance is verified through the hot gas bench test and engine dyno test.The water-cooled exhaust manifold can replace the traditional method of fuel enrichment to reduce the exhaust temperature in whole engine running condition， enlarge the engine running area under the condition ofexcess air factor， enhance the engine power without fuel enrichment.

關(guān)鍵詞：RDE;水冷排氣歧管;排氣溫度;燃油加濃

Key words： RDE;water-cooled exhaust manifold;exhaust temperature;fuel enrichment

中圖分類號：U461.8? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0001-04

0? 引言

2016年底，國家環(huán)境保部、國家質(zhì)檢總局聯(lián)合頒布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[1]，即國六排放法規(guī)。國六排放法規(guī)中引入了RDE排放測試規(guī)范，RDE即Real Drive Emission，指車輛在實(shí)際道路行駛時(shí)的污染物排放。相比傳統(tǒng)在試驗(yàn)室中的排放測試，RDE排放測試要求更苛刻，車輛在試驗(yàn)室外道路上行駛，實(shí)車采集排放數(shù)據(jù)。由于實(shí)車駕駛工況下的道路條件、行駛環(huán)境等變化多，為了滿足RDE排放法規(guī)，一般都限制了發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)運(yùn)行工況內(nèi)的燃油加濃，這樣可以使催化器工作于處理燃燒有害物的高效區(qū)域，即過量空氣系數(shù)窗口區(qū)域。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行于高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度一般處于峰值水平，為了避免排氣系統(tǒng)零件因超溫而失效，標(biāo)定上常采用燃油加濃措施來降低排氣溫度。但是面對RDE排放，燃油加濃被限制了，那使用何種措施來替代燃油加濃降低發(fā)動(dòng)機(jī)排溫呢？降功率是最直接且簡單的措施，但顯然不是最優(yōu)策略;使用適當(dāng)EGR率降低排氣溫度能達(dá)到燃油加濃同樣的效果[2];在高速大負(fù)荷工況，使用噴水技術(shù)也可以取代燃油加濃策略來降低排氣溫度，實(shí)現(xiàn)當(dāng)量空燃比燃燒[3]。EGR和噴水技術(shù)都屬于通過燃燒手段降缸內(nèi)排溫，當(dāng)缸內(nèi)排溫條件無法改善時(shí)，可通過另一手段，即在缸外使用水冷方式對排氣進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。在此概念下，產(chǎn)生了缸蓋集成排氣歧管（IEM），將排氣歧管集成到缸蓋中，利用缸蓋水套冷卻水對排氣進(jìn)行冷卻，IEM技術(shù)在近些年的發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用較多，包括福特、大眾、本田等都實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)。BMW寶馬公司將水冷技術(shù)拓展應(yīng)用到了增壓器上，其在歐洲的發(fā)布的B38/B48發(fā)動(dòng)機(jī)使用了水冷蝸殼設(shè)計(jì)[4]，通過發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水循環(huán)來降低蝸殼內(nèi)排氣溫度，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

1? 水冷排氣歧管設(shè)計(jì)

適用于國六RDE排放的水冷排氣歧管開發(fā)基于某國五1.5L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，重新設(shè)計(jì)了排氣歧管，在排氣歧管上增加了水套，對發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)水路做了改進(jìn)，如圖1所示。水冷排氣歧管水路從缸蓋引水，歧管內(nèi)循環(huán)水完成對排氣換熱冷卻后從歧管出水口排出，回到TMM（熱管理模塊），進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)水路循環(huán)。發(fā)動(dòng)機(jī)整體水路循環(huán)策略維持不變，即低溫走小循環(huán)，高溫走大循環(huán)。

水冷排氣歧管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，歧管水套設(shè)計(jì)采用了各支管獨(dú)立冷卻的型式，各分缸從缸蓋獨(dú)立引水，獨(dú)立冷卻，最后冷卻水在歧管出口處交匯，從出水口流出。歧管本體材料采用了導(dǎo)熱性較好的鋁合金材料替代傳統(tǒng)鑄鐵、不銹鋼材質(zhì)，這樣可使冷卻水對排氣的冷卻效果達(dá)到最佳。相比IEM設(shè)計(jì)，水冷排氣歧管方案無需重新設(shè)計(jì)缸蓋氣道，對原機(jī)改動(dòng)小;排氣道水套布置空間更大，對排氣冷卻效果更好;各支管單獨(dú)引水，冷卻效果均勻;冷卻后高溫水直接回到發(fā)動(dòng)機(jī)散熱系統(tǒng)，不會(huì)額外增加缸蓋熱負(fù)荷。

2? 模擬計(jì)算分析

為了解水冷排氣歧管水套中冷卻水流場分布以及歧管本身在高熱負(fù)荷下的溫度場情況，通過STAR CCM+軟件對水冷排氣歧管做了流場、溫度場熱耦合CFD分析。計(jì)算工況選取了發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷最大的額定功率點(diǎn)，主要計(jì)算邊界條件如表1。

CFD分析結(jié)果如圖3所示，水冷排氣歧管由于采用各缸分流冷卻，各缸水流流速總體比較均衡，1、2缸因?yàn)榫嚯x入水口近及歧管出水口布置原因，其流速稍高于3、4缸;歧管本體溫度場方面，歧管出口催化器法蘭處因?yàn)闆]有水套覆蓋，該處溫度最高，達(dá)290℃，歧管主體部分由于布置有水套，溫度較低，總體在150℃以下。

3? 熱氣臺(tái)架試驗(yàn)

為了模擬水冷排氣歧管在發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下的冷卻性能，將水冷排氣歧管樣件搭載到熱氣臺(tái)架上，用燃燒控制器模擬發(fā)動(dòng)機(jī)排氣，進(jìn)行水冷排氣歧管冷卻性能試驗(yàn)。熱氣臺(tái)架布置如圖4所示，其主體結(jié)構(gòu)分氣路和水路兩部分。

氣路由燃燒控制器、水冷排氣歧管、催化器、尾氣收集器及相互連接的氣路管路等組成。燃燒控制器型號為ATEHG500，最大進(jìn)氣量795kg/h，溫度控制范圍300～1050℃。燃燒控制器為水冷排氣歧管提供熱氣源，其由供氣系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。可燃?xì)怏w（LPG）與新鮮空氣混合點(diǎn)燃后經(jīng)過管道送入水冷排氣歧管，控制系統(tǒng)控制進(jìn)氣量達(dá)到目標(biāo)值，并通過控制可燃?xì)怏w流量使出氣溫度達(dá)到目標(biāo)值，獨(dú)立的傳感器監(jiān)測發(fā)現(xiàn)出氣溫度超差時(shí)即刻切斷可燃?xì)怏w進(jìn)入燃燒室。由燃燒控制器輸出的高溫氣經(jīng)管路流入水冷排氣歧管、催化器，最后由出氣管路排入廢氣收集器，排出試驗(yàn)室。

水路由循環(huán)水箱、水冷排氣歧管、變頻水泵、電磁流量計(jì)及相互連接的水路管路等組成。首先通過特制轉(zhuǎn)接法蘭將水冷排氣歧管水路和氣路分隔開，低溫水從循環(huán)水箱流出，通過8路進(jìn)水管經(jīng)轉(zhuǎn)接法蘭后進(jìn)入水冷排氣歧管水套，低溫水完成對歧管內(nèi)高溫氣體的換熱冷卻后變?yōu)楦邷厮邷厮畯某銎绻芩诹鞒觯?jīng)控制水流量的變頻水泵和電磁流量計(jì)，最后回到循環(huán)水箱。

為了同步測量歧管水套入水溫度以及歧管本體的溫度，將3個(gè)熱電偶分別布置于歧管入口水套以及歧管主法蘭背面、催化器法蘭（CFD計(jì)算溫度最高位置點(diǎn)）。

熱氣臺(tái)架試驗(yàn)在不同排溫梯度以及不同水流量條件下進(jìn)行，以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)處于不同負(fù)荷及轉(zhuǎn)速下的冷卻性能，相關(guān)主要控制參數(shù)如表2。

試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，在定水流量60L/min條件下，當(dāng)排氣溫度在400～800℃區(qū)間變化時(shí)，水冷排氣歧管可以顯著降低排氣溫度，歧管最大降溫幅度為199.2℃，出現(xiàn)在800℃高排溫工況，降溫比例為25%，隨著排溫降低，降溫比例有小幅降低，降溫比例維持在22～25%;在定排溫800℃條件下，當(dāng)冷卻水流量在20～60L/min區(qū)間變化時(shí)，歧管最大降溫比例為25%，出現(xiàn)在最大水流量60L/min工況，隨水流量降低，降溫比例有稍許降低，總體維持在24%以上。

歧管上布置的熱電偶同時(shí)采集了不同工況下歧管本體溫度情況，結(jié)果如圖6所示。催化器法蘭處溫度最高，最高達(dá)181.9℃，出現(xiàn)在800℃高排溫，20L/min低水量工況，對應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)低速高負(fù)荷工況。備注：本文研究發(fā)動(dòng)機(jī)低速高負(fù)荷工況非排溫最高點(diǎn)，故發(fā)動(dòng)機(jī)在低速高負(fù)荷工況實(shí)測時(shí)，歧管本體溫度相對較低，詳見下節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果。

4? 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)

為了確認(rèn)水冷排氣歧管在實(shí)際應(yīng)用中的冷卻性能以及其對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的貢獻(xiàn)，將水冷排氣歧管樣件搭載到了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行測試，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架布置如圖7所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)基本參數(shù)如表3，測試工況為發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)萬有特性工況，為適應(yīng)RDE排放要求，發(fā)動(dòng)機(jī)所有運(yùn)行工況均控制過量空氣系數(shù)？姿=1。

從圖8測試結(jié)果看，水冷排氣歧管搭載于發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)全工況下都表現(xiàn)出了良好的降溫效果。在外特性條件下，使用水冷排氣歧管后，額定點(diǎn)工況催化器前入口排溫為759.7℃，相比原機(jī)降低了139.2℃，降溫比例15.5%，其他轉(zhuǎn)速點(diǎn)降溫幅度90.6～149.1℃，降溫比例10.7～21.7%，低速時(shí)降溫比例相對更高;在部分負(fù)荷工況，以3600rpm點(diǎn)為例，相比滿負(fù)荷，水冷排氣歧管在低負(fù)荷時(shí)降溫比例更高，降溫比例最高至25.2%。

歧管本體最高溫度出現(xiàn)在熱負(fù)荷最大的額定功率點(diǎn)附近區(qū)域。圖9示出了外特性工況歧管各測點(diǎn)溫度值，在最惡劣的額定功率點(diǎn)，催化器法蘭處溫度達(dá)299℃。

圖10為原機(jī)與水冷排氣歧管方案發(fā)動(dòng)機(jī)性能對比，由于水冷排氣歧管降排溫貢獻(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)在過量空氣系數(shù)邊界下的運(yùn)行區(qū)域可以擴(kuò)大，最大功率可達(dá)74kW;而原機(jī)普通排氣歧管方案，在高速大負(fù)荷區(qū)域受限于排溫限值，做了降功率，最大功率只能達(dá)到66.5kW，水冷排氣歧管對功率提升達(dá)7.5kW。

5? 結(jié)論

①水冷排氣歧管可以替代傳統(tǒng)燃油加濃措施，降低發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)運(yùn)行工況的排氣溫度，額定功率點(diǎn)催前排溫相比原機(jī)降低139.2℃，降溫比例15.5%，在低速、低負(fù)荷工況降溫比例更高。

②水冷排氣歧管本體的溫度場分布與水套布置有關(guān)，在沒有水套覆蓋的催化器法蘭處溫度最高，該處最高溫度達(dá)299℃，出現(xiàn)在熱負(fù)荷最大的額定功率點(diǎn)。

③由于水冷排氣歧管降排溫貢獻(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)在過量空氣系數(shù)？姿=1邊界下的運(yùn)行區(qū)域可以擴(kuò)大，發(fā)動(dòng)機(jī)不加濃工況功率相比原機(jī)提高7.5kW。

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