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        國六排放法規(guī)下的重卡冷卻系統(tǒng)方案研究

        2021-01-25 01:40:06喻穩(wěn)穩(wěn)李艷
        汽車實用技術(shù) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:串聯(lián)式溫器缸蓋

        喻穩(wěn)穩(wěn),李艷

        (陜汽集團(tuán)商用車有限公司,陜西 寶雞 722405)

        前言

        根據(jù)《重型柴油車污染物排放限值及測量方法》(中國第六階段)的要求,國六標(biāo)準(zhǔn)對氣態(tài)污染物和顆粒污染物的排放要求更加苛刻,為保證氣態(tài)污染物、顆粒污染物的排放滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn),符合法規(guī)要求。國六13L燃?xì)獍l(fā)動機(jī)采用了當(dāng)量燃燒+EGR(廢氣再循環(huán)系統(tǒng))+三元催化的后處理技術(shù)路線。此技術(shù)路線對于同等馬力段的發(fā)動機(jī)來說,因國六發(fā)動機(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)要求更高,要求燃油燃燒相對更加充分,使得發(fā)動機(jī)的散熱能力相比國五發(fā)動機(jī)有所提高,另因EGR冷卻器的應(yīng)用,在一定程度上增加了冷卻系統(tǒng)需帶走的散熱量需求,因此對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱能力提出了更高的要求。

        本文通過對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)采用串聯(lián)與并聯(lián)技術(shù)方案進(jìn)行理論分析和整車方案布置,結(jié)合整車熱平衡試驗對技術(shù)方案進(jìn)行論證分析,為后期國六產(chǎn)品開發(fā)提供設(shè)計依據(jù)。

        1 主要研究內(nèi)容

        針對國六發(fā)動機(jī)可采用缸體缸蓋與 EGR冷卻器串聯(lián)的傳統(tǒng)冷卻方式,即發(fā)動機(jī)缸體與EGR冷卻器共用一套水泵、節(jié)溫器、散熱器。其次可采用發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋與EGR冷卻器并聯(lián)的冷卻系統(tǒng),采用雙水箱結(jié)構(gòu),滿足國六發(fā)動機(jī)高散熱量的需求。

        1.1 串聯(lián)式冷卻系統(tǒng)原理

        串聯(lián)式冷卻方案采用一個散熱器總成,冷卻液經(jīng)水泵增壓后,進(jìn)入發(fā)動機(jī)缸體水套,冷卻液從水套壁周圍經(jīng)過并吸熱而升溫到達(dá)缸蓋出水口,冷卻液從缸蓋出水口經(jīng)EGR冷卻器進(jìn)水管到達(dá)EGR冷卻器的進(jìn)水口,對EGR冷卻器進(jìn)行降溫冷卻,水路走向原理如圖1。

        圖1 串聯(lián)式冷卻系統(tǒng)方案

        串聯(lián)式冷卻系統(tǒng)方案水路的大、小循環(huán)如下:

        (1)小循環(huán):散熱器—水泵—缸蓋—缸體—EGR冷卻器—節(jié)溫器—水泵;

        (2)大循環(huán):散熱器—水泵—缸蓋—缸體—EGR冷卻器—節(jié)溫器—散熱器。

        1.2 并聯(lián)式冷卻系統(tǒng)原理

        并聯(lián)式冷卻系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)缸體缸蓋冷卻系統(tǒng)和 EGR冷卻系統(tǒng)組成。發(fā)動機(jī)缸體缸蓋冷卻系統(tǒng)由散熱器1、水泵1、節(jié)溫器1、膨脹水箱和相關(guān)管路組成;EGR冷卻系統(tǒng)由散熱器2、水泵2、節(jié)溫器2、膨脹水箱和相關(guān)管路組成,水路走向原理如2。

        圖2 并聯(lián)式冷卻系統(tǒng)方案

        當(dāng)發(fā)動機(jī)啟動后,水泵1和水泵2開始工作,當(dāng)發(fā)動機(jī)處于低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時,冷卻系統(tǒng)循環(huán)的水溫低于節(jié)溫器的開啟溫度,此時節(jié)溫器處于關(guān)閉狀態(tài),發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)和 EGR冷卻系統(tǒng)進(jìn)行小循環(huán),冷卻液的循環(huán)過程為:

        (1)發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)小循環(huán):散熱器1—水泵1—發(fā)動機(jī)缸體缸蓋—節(jié)溫器1—水泵1;

        (2)EGR冷卻系統(tǒng)小循環(huán):散熱器2—水泵2—發(fā)動機(jī)缸體缸蓋—節(jié)溫器2—水泵2。

        當(dāng)發(fā)動機(jī)處于高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時,此時的冷卻系統(tǒng)水溫達(dá)到了節(jié)溫器1和節(jié)溫器2的開啟溫度,節(jié)溫器處于完全開啟狀態(tài),發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)和EGR冷卻系統(tǒng)進(jìn)行大循環(huán),冷卻液的循環(huán)過程為:

        (1)發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)小循環(huán):散熱器1—水泵1—發(fā)動機(jī)缸體缸蓋—節(jié)溫器1—散熱器1;

        (2)EGR冷卻系統(tǒng)小循環(huán):散熱器2—水泵2—發(fā)動機(jī)缸體缸蓋—節(jié)溫器2—散熱器2。

        發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)和 EGR冷卻系統(tǒng)大循環(huán)過程中消耗的冷卻液通過在水泵1和水泵2前的管路上增加補(bǔ)償水口進(jìn)行冷卻液補(bǔ)償。同時在散熱器1、散熱器2、發(fā)動機(jī)缸蓋、EGR冷卻器的出水口處布置有除氣管路,避免冷卻液在散熱器、缸蓋、EGR冷卻器的上方聚集導(dǎo)致氣體膨脹引起高溫。

        2 整車方案設(shè)計

        2.1 串聯(lián)式冷卻系統(tǒng)方案設(shè)計

        串聯(lián)式冷卻系統(tǒng)方案主要是將散熱器、中冷器組成的冷卻模塊,通過懸置軟墊和支架固定于車架上,散熱器采用上進(jìn)下出的縱向水路循環(huán)方案,中冷器采用右進(jìn)左出的橫向布置方案,見圖 3。此方案管路設(shè)計較容易,不受限于發(fā)動機(jī)的外圍布置,并且布置緊湊。

        圖3 串聯(lián)式冷卻系統(tǒng)布置方案

        2.2 并聯(lián)式冷卻系統(tǒng)方案設(shè)計

        并聯(lián)式冷卻系統(tǒng)方案是將發(fā)動機(jī)冷卻的散熱器和 EGR冷卻器的散熱器通過上下側(cè)板連接為一體,形成一個高低溫散熱器,高低溫散熱器與中冷器合裝為冷卻模塊,通過懸置軟墊和支架固定在車架上,見圖4。此布置方案EGR冷卻系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)管路及支架較多,整車布置時受發(fā)動機(jī)外圍布置影響較大,不利于后期車輛檢修和相關(guān)零部件更換。

        圖4 并聯(lián)式冷卻系統(tǒng)布置方案

        3 試驗驗證

        本次試驗利用轉(zhuǎn)鼓臺架試驗進(jìn)行整車熱平衡測試,各測試儀器均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。整車發(fā)動機(jī)參數(shù)見表 1,冷卻模塊(散熱器、中冷器)及風(fēng)扇參數(shù)見表2。

        表1 發(fā)動機(jī)配套參數(shù)表

        表2 冷卻模塊、風(fēng)扇參數(shù)

        根據(jù) GB/T 18297-2001《汽車發(fā)動機(jī)性能試驗方法》等試驗規(guī)范進(jìn)行整車熱平衡試驗測試,測試結(jié)果如表3所示,兩種方案均可滿足整車配套要求。

        表3 熱平衡試驗數(shù)據(jù)分析

        4 結(jié)論

        本文針對國六排放升級,發(fā)動機(jī)增加EGR冷卻器后冷卻系統(tǒng)采用串聯(lián)冷卻方案和并聯(lián)冷卻方案從工作原理、匹配設(shè)計、整車試驗三個方面進(jìn)行了設(shè)計研究,由研究結(jié)論可知:兩種冷卻方案的冷卻常數(shù)均可滿足發(fā)動機(jī)的配套要求。串聯(lián)式方案的零部件種類少,管路和支架易于設(shè)計和裝配;并聯(lián)式方案零部件種類多,管路設(shè)計難度大,成本較高,但此套方案采用了兩套獨(dú)立的冷卻系統(tǒng),可解決發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)和EGR冷卻系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速和工況下發(fā)動機(jī)需求的散熱量為非線性問題。經(jīng)過此次研究,可為后期國六車型冷卻系統(tǒng)設(shè)計匹配提供了依據(jù)。

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