國(guó)六排放法規(guī)下的重卡冷卻系統(tǒng)方案研究

喻穩(wěn)穩(wěn)，李艷

（陜汽集團(tuán)商用車(chē)有限公司，陜西 寶雞 722405）

前言

根據(jù)《重型柴油車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法》（中國(guó)第六階段）的要求，國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)，符合法規(guī)要求。國(guó)六13L燃?xì)獍l(fā)動(dòng)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(duì)于同等馬力段的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，因國(guó)六發(fā)動(dòng)機(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)要求更高，要求燃油燃燒相對(duì)更加充分，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱能力相比國(guó)五發(fā)動(dòng)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱能力提出了更高的要求。

本文通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)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(chē)方案布置，結(jié)合整車(chē)熱平衡試驗(yàn)對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行論證分析，為后期國(guó)六產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 主要研究?jī)?nèi)容

針對(duì)國(guó)六發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(guó)六發(fā)動(dòng)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(gè)散熱器總成，冷卻液經(jīng)水泵增壓后，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)缸體水套，冷卻液從水套壁周?chē)?jīng)過(guò)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(duì)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(dòng)機(jī)缸體缸蓋冷卻系統(tǒng)和 EGR冷卻系統(tǒng)組成。發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，水泵1和水泵2開(kāi)始工作，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，冷卻系統(tǒng)循環(huán)的水溫低于節(jié)溫器的開(kāi)啟溫度，此時(shí)節(jié)溫器處于關(guān)閉狀態(tài)，發(fā)動(dòng)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(guò)程為：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)小循環(huán)：散熱器1—水泵1—發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)缸體缸蓋—節(jié)溫器2—水泵2。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，此時(shí)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(kāi)啟溫度，節(jié)溫器處于完全開(kāi)啟狀態(tài)，發(fā)動(dòng)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(guò)程為：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)小循環(huán)：散熱器1—水泵1—發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)缸體缸蓋—節(jié)溫器2—散熱器2。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)和 EGR冷卻系統(tǒng)大循環(huán)過(guò)程中消耗的冷卻液通過(guò)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(shí)在散熱器1、散熱器2、發(fā)動(dòng)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(chē)方案設(shè)計(jì)

2.1 串聯(lián)式冷卻系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

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(guò)懸置軟墊和支架固定于車(chē)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(jiàn)圖 3。此方案管路設(shè)計(jì)較容易，不受限于發(fā)動(dòng)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(jì)

并聯(lián)式冷卻系統(tǒng)方案是將發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻的散熱器和 EGR冷卻器的散熱器通過(guò)上下側(cè)板連接為一體，形成一個(gè)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(guò)懸置軟墊和支架固定在車(chē)架上，見(jiàn)圖4。此布置方案EGR冷卻系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)管路及支架較多，整車(chē)布置時(shí)受發(fā)動(dòng)機(jī)外圍布置影響較大，不利于后期車(chē)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(yàn)驗(yàn)證

本次試驗(yàn)利用轉(zhuǎn)鼓臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行整車(chē)熱平衡測(cè)試，各測(cè)試儀器均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。整車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見(jiàn)表 1，冷卻模塊（散熱器、中冷器）及風(fēng)扇參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 發(fā)動(dòng)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(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》等試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行整車(chē)熱平衡試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示，兩種方案均可滿足整車(chē)配套要求。

表3 熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4 結(jié)論

本文針對(duì)國(guó)六排放升級(jí)，發(fā)動(dòng)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(jì)、整車(chē)試驗(yàn)三個(gè)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)的配套要求。串聯(lián)式方案的零部件種類(lèi)少，管路和支架易于設(shè)計(jì)和裝配；并聯(lián)式方案零部件種類(lèi)多，管路設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)機(jī)需求的散熱量為非線性問(wèn)題。經(jīng)過(guò)此次研究，可為后期國(guó)六車(chē)型冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)匹配提供了依據(jù)。