天然氣重卡冷卻系統(tǒng)匹配計算及試驗研究

唐德鋼，郭仲海，伍欣亞

(1．佳景科技有限公司，蕪湖 241002;2．玉柴聯(lián)合動力股份有限公司，蕪湖 241080)

天然氣重卡冷卻系統(tǒng)匹配計算及試驗研究

唐德鋼1，郭仲海2，伍欣亞1

(1．佳景科技有限公司，蕪湖 241002;2．玉柴聯(lián)合動力股份有限公司，蕪湖 241080)

對1臺天然氣發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)進行散熱量及水流分布的臺架試驗，以試驗結果得出的數(shù)據(jù)為基礎，對整車冷卻系統(tǒng)采用空-空中冷和水-空中冷2種方案的工作循環(huán)過程、熱平衡狀態(tài)和冷卻系統(tǒng)性能進行匹配計算和試驗驗證，然后根據(jù)試驗結果對影響冷卻系統(tǒng)性能的因素進行了詳細分析。結果表明，水-空中冷系統(tǒng)是解決大功率氣體機冷卻系統(tǒng)問題的有效方法。

冷卻系統(tǒng) 散熱量 熱平衡 水空中冷系統(tǒng)

0 前言

隨著天然氣重型卡車的不斷普及，天然氣發(fā)動機在與整車匹配中出現(xiàn)了一些新狀況，與相同排量和功率的柴油機相比，天然氣發(fā)動機熱損失較大，且在外界溫度較高時，容易出現(xiàn)動力下降現(xiàn)象，在外界溫度較低時，容易出現(xiàn)超功率現(xiàn)象。因此，提高天然氣重卡冷卻系統(tǒng)的散熱效率，解決天然氣重卡全氣候全工況下整車冷卻系統(tǒng)、熱平衡及發(fā)動機進氣溫度控制問題是必須突破的關鍵技術［1-4］。

本文對1臺天然氣重卡冷卻系統(tǒng)的冷卻性能和熱平衡狀態(tài)進行計算分析及匹配優(yōu)化，并在整車臺架上進行試驗驗證，最后得出采用水-空中冷系統(tǒng)可有效降低散熱器、風扇的負荷和提升中冷系統(tǒng)的散熱效率的結論。

1 發(fā)動機熱損失分布試驗

本文所研究的對象為1臺天然氣重型載貨車，其發(fā)動機為重型車用液化天然氣(LNG)發(fā)動機，其主要參數(shù)見表1。熱損失試驗包含了水流量及阻力分布試驗和散熱損失試驗，得出水流量及阻力分布和發(fā)動機極限工況點散熱量。

1．1 水流量及阻力分布試驗

水流量是在水溫90℃，節(jié)溫器全開、化油器等外部阻力件正常工作的情況下進行的，主要了解發(fā)動機冷卻系統(tǒng)各部件壓力損失情況，分析評估各部件匹配的合理性，即系統(tǒng)動力性能與系統(tǒng)阻力的匹配是否處于水泵的高效工作區(qū)域［5-6］。如圖1所示，在發(fā)動機轉速為1 921 r/min(額定功率點附近)時，系統(tǒng)阻力與水泵揚程在190 kPa處于平衡狀態(tài)，水泵處于高效工作區(qū)。在發(fā)動機轉速為1 362 r/min(最大扭矩點附近)時，系統(tǒng)阻力與水泵揚程在95 kPa處于平衡狀態(tài)，水泵仍處于高效工作區(qū)。從圖1可得出，相同轉速下系統(tǒng)阻力越大系統(tǒng)流量越小，則系統(tǒng)散熱效率越差，減小系統(tǒng)內部阻力是提高散熱力的有效途徑。

表1 LNG發(fā)動機主要技術參數(shù)

圖1 冷卻系統(tǒng)阻力與水泵性能匹配關系圖

1．2 發(fā)動機熱損失試驗

冷卻系統(tǒng)匹配主要關注極限工況的熱負荷狀態(tài)，熱損失試驗主要進行了發(fā)動機額定功率工況和最大扭矩工況試驗，通過測量各部件進出口處溫度、水和空氣流量來計算熱平衡時發(fā)動機各部件的熱流分布情況，為匹配散熱器、風扇、中冷器等提供計算依據(jù)。

試驗是在發(fā)動機出水溫度為90℃時進行的，熱能處于平衡狀態(tài)時發(fā)動機熱流分布如圖2所示。從試驗得出額定功率和最大扭矩工況時冷卻介質的熱損失分別為188．5 kW和163 kW，冷卻介質的熱損失分別為55．0 kW和39．0 kW。如表2所示，天然氣發(fā)動機熱量損失明顯高于相同排量和功率柴油機的熱量損失。

圖2 天然氣發(fā)動機能量分布圖

表2 同排量同功率天然氣發(fā)動機與柴油機散熱量對比

2 整車冷卻系統(tǒng)的匹配計算

傳統(tǒng)的空-空中冷因空氣比熱容小、傳熱系數(shù)低的緣故導致中冷性能提升空間有限，需要通過增大中冷散熱面積來提升中冷能力，這受到整車布置空間的限制［7］。

水的比熱容相對空氣比積容大，傳熱系數(shù)高，采用水-空中冷器對增壓后的空氣進行冷卻是1個提高冷卻效率的方法［8］?？紤]到天然氣發(fā)動機散熱量增大且對進氣溫度較為敏感，在進行冷卻系統(tǒng)匹配設計時，采用空-空中冷系統(tǒng)和水-空中冷系統(tǒng)2種方案進行匹配計算。

空-空中冷冷卻系統(tǒng)用空氣作熱交換介質，把增壓以后的高溫進氣冷卻到足夠低的溫度，布置方式采用吸氣式風扇布置在發(fā)動機前端由發(fā)動機直接驅動，散熱器布置在風扇前端，空-空中冷器布置在散熱器前端。

水-空中冷采用獨立循環(huán)，水-空中冷器布置在發(fā)動機側面，可減小散熱器的系統(tǒng)風阻，將發(fā)動機的散熱器和水-空中冷器的水介質散熱器集成在一起［9］。整個計算的目標為在額定工況和最大扭矩工況下冷卻溫度分別不大于57℃和59℃，中冷溫升不能超過25℃，下文中計算公式中相關的經驗系數(shù)根據(jù)大量的試驗進行反復修正，精度較高。

2．1 水-空中冷系統(tǒng)結構原理

如圖3所示，水-空中冷系統(tǒng)的工作過程為水泵作為水-空中冷系統(tǒng)的動力源，使水-空中冷系統(tǒng)形成密閉的水循環(huán)系統(tǒng)。中冷散熱器內的冷卻水通過管路進入到水空中冷器，此時，由發(fā)動機渦輪增壓器壓氣機壓縮的高溫高壓氣體經過水空中冷器進氣口進入到水空中冷器，熱空氣與冷卻水在水-空中冷器內部進行熱交換，以達到對熱空氣介質冷卻的效果。然后熱冷卻水介質在水泵的驅動下通過管路進入到中冷散熱器，熱冷卻水與冷空氣在中冷散熱器內部進行熱交換，以達到對熱冷卻水冷卻的效果。至此，水-空中冷系統(tǒng)形成1個獨立的熱交換循環(huán)。

圖3 水-空中冷系統(tǒng)原理圖

2．2 散熱器能力計算

考慮到散熱器的散熱能力會隨時間增加而下降，同時考慮到整車實際運行過程中會受到污染和堵塞等，因此，散熱器散熱能力應有所儲備，即散熱器最大散熱量Qmax應大于冷卻系統(tǒng)散熱量Qw，取儲備系數(shù)為1．1。散熱面積:

式(1)中:Tw為散熱器進水溫度;ΔTw為散熱器冷卻水的進出口溫差;Ta為散熱器冷卻空氣的進口溫度;ΔTa為散熱器冷卻空氣的進出口溫差。Fw為散熱器散熱面積;K為散熱器傳熱系數(shù)。

散熱器迎風面積:

式(2)中:γ為冷卻介質比重;Cpa為冷卻介質比熱;Fr為芯子正面積;Ua為冷卻介質流速。

通過以上方法計算得出空-空中冷系統(tǒng)的發(fā)動機散熱器的參數(shù)。其中，散熱面積43．5 m2，芯子迎風面積0．76 m2。水-空中冷系統(tǒng)的發(fā)動機散熱器的參數(shù)為散熱面積 28．5 m2，芯子迎風面積 0．46 m2。中冷散熱器參數(shù)為散熱面積13．2 m2，芯子迎風面積0．30 m2。

2．3 中冷器能力計算

中冷器分別進行了空空中冷和水空中冷2種形式的計算。散熱面積:

中冷器迎風正面積:

冷卻介質流量:

式(3)～(5)中:Fa為中冷器散熱面積;Qa為中冷器散熱量;Ka為中冷器傳熱系數(shù);ΔT1為增壓空氣溫降;ΔT2為冷卻介質溫升;Fz為中冷器迎風正面積;V為冷卻介質流量。

通過以上方法計算得出空-空中冷器的參數(shù)為散熱面積45 m2，芯子迎風面積0．60 m2。水空中冷器參數(shù)為散熱面積9．68 m2，水流量34 L/min。

2．4 風扇匹配計算

風扇外徑計算公式:

式(6)中:Df為風扇外直徑(通過計算得出風扇的直徑為758 mm)。

2．5 整車冷卻系統(tǒng)匹配計算

系統(tǒng)匹配計算采用軟件進行計算，考慮了包括風扇、散熱器、發(fā)動機和中冷器等在內的冷卻系統(tǒng)部件，將各部件性能參數(shù)進行輸入，即可計算出與冷卻系統(tǒng)的匹配關系圖。

風扇為冷卻介質流動提供動力源，需克服空氣經各冷卻元件及相關件流動時所產生的阻力，包括散熱器、中冷器、冷凝器、前格柵風阻及機艙背壓?？?空中冷型式系統(tǒng)匹配結果如圖4所示。理論匹配點風扇的風速為9．3 m/s，此時風扇靜壓與阻力平衡，考慮到風扇與護風罩間隙所產生的靜壓損失及系統(tǒng)效率的影響，風扇實際所能達到的最大風速為7．2 m/s，與理論匹配風速9．3 m/s存在差異。由于風速的不足，需要通過減少風阻或增加散熱面積來彌補。

水-空中冷型式系統(tǒng)匹配結果如圖5所示，由于沒有中冷器的阻力，系統(tǒng)風阻下降后風扇所能提供的最大風速增大，進風流量也隨之增大。實際匹配點風速與理論匹配點風速接近，考慮到水空中冷器的效率較高，風速可以滿足要求。

圖4 空-空中冷型式系統(tǒng)匹配圖

圖5 水-空中冷型式系統(tǒng)匹配圖

最大扭矩工況匹配情況同額定工況一樣，不再詳細描述。根據(jù)計算得到的結果見表3。

3 試驗驗證及分析

3．1 試驗方案

根據(jù)計算結果在整車試驗臺架上進行了熱平衡試驗驗證，根據(jù)整車機艙空間布置、樣件制造情況及模塊化考慮，試驗樣件在理論計算的基礎上相關參數(shù)做了些調整，各樣件具體性能參數(shù)見表4。

試驗分2個方案進行，散熱器1與空-空中冷器組合為試驗方案1，散熱器2與水-空中冷器組合為試驗方案2，方案2中對水-空中冷器水流量進行人為調節(jié)，具體試驗方案見表5。

表5 試驗方案

3．2 試驗結果及分析

方案2．1由于系統(tǒng)水流量較小，散熱能力差，冷卻系統(tǒng)未達到熱平衡狀態(tài)。

3．2．1 水-空中冷和空-空中冷試驗結果對比分析

對冷卻系統(tǒng)來說，冷卻常數(shù)越低表明冷卻性能越好，進氣溫度升高越慢表明中冷性能越好，從2種冷卻方式的試驗結果來看，采用水-空中冷的方案2.2和方案2．3冷卻常數(shù)比空-空中冷的方案1明顯低了很多，在額定功率點和最大扭矩點冷卻常數(shù)分別下降了約9．3%和18．4%，低于目標要求的57℃和59℃。而空-空中冷的方案1扭矩點冷卻常數(shù)超過了目標要求，不能滿足要求(圖6(a))。

而在水流量足夠的情況下，采用水-空中冷的方案2．3進氣溫度升高比空-空中冷的方案1明顯慢了很多，在額定功率點和最大扭矩點進氣溫度升高分別下降了約27%和35%，低于目標要求的25℃。而空-空中冷的方案1額定功率點和扭矩點進氣溫升超過了目標要求，不能滿足要求。

分析認為采用水-空中冷系統(tǒng)，因為用水(冷卻液)去冷卻空氣，水的比熱容大，傳熱系數(shù)高，水-空中冷器的散熱效率遠遠高于空-空中冷器，并且可以將水-空中冷器和散熱器集成并排放置，減小了系統(tǒng)風阻，使得散熱器進風量增大，散熱器的傳熱系數(shù)提高，散熱器熱負荷降低。所以這種方式可適當減小散熱器或風扇直徑達到節(jié)能降耗的目的。而采用空-空中冷系統(tǒng)由于受到空間等限制，散熱面積達不到理論計算值，試驗結果滿足不了要求。

綜上所述，在整車布置空間有限的情況下，特別是針對大功率的天然氣重卡，水-空中冷系統(tǒng)可有效降低散熱器、風扇的負荷，提升中冷系統(tǒng)的散熱效率。

圖6

3．2．2 水流量的影響

如圖6(b)所示，隨著水空中冷系統(tǒng)中水流量的增加，進氣溫度升高明顯放緩。說明水流量對進氣溫度調節(jié)能力明顯。從額定功率點的試驗數(shù)據(jù)得出，水-空中冷水流量偏低時，散熱效率比空-空中冷還差，因此要使水-空中冷器發(fā)揮出效率，水流量必須達到規(guī)定值。

3．2．3 系統(tǒng)內阻

增壓空氣經中冷器后的壓力損失也是中冷器的1項性能指標，壓力損失會影響發(fā)動機的動力性能，影響車輛的加速性能。圖7所示為各試驗方案進氣壓力損失，水-空中冷較空-空中冷器壓力損失在額定功率點和最大扭矩點分別下降了17%和15%。

圖7 增壓空氣經過中冷器時的壓力降對比

4 結論

依據(jù)冷卻系統(tǒng)水流分布及熱平衡試驗基礎，利用計算和試驗兩方面對冷卻系統(tǒng)進行詳細分析，為冷卻系統(tǒng)匹配提出了1種有效的方法。

受機艙空間布置及風阻限制，空-空中冷系統(tǒng)已無法實現(xiàn)使天然氣發(fā)動機達到理想的進氣溫度和發(fā)動機水溫的要求，水-空中冷系統(tǒng)相對于空-空中冷系統(tǒng)提高了整個系統(tǒng)的散熱效率，降低了系統(tǒng)的熱負荷，試驗結果也表明了其可到達控制理想的冷卻常數(shù)和進氣溫度目標。

水(冷卻液)作為中冷冷卻介質較空氣比熱容大，傳熱效率高，相同的散熱能力，水-空中冷器體積較空-空中冷器小很多，是1種解決發(fā)動機水溫和中冷溫度控制的技術方案。

試驗中水-空中冷系統(tǒng)流量是人為控制，以后可通過電子控制水泵轉速進行水流量調節(jié)，來控制進氣溫度，達到不同環(huán)境下發(fā)動機的恒溫進氣，這是技術發(fā)展方向。

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