国六天然气重卡冷却系统的匹配研究

梁福贵

（广西玉柴机器股份有限公司，广西 玉林545007）

2019年7月1 日起天然气商用车全面实施国六排放，新老排放车辆的迭代必然会导致天然气重卡市场暴涨。天然气发动机升级国六后，燃烧方式从稀薄燃烧更改为当量燃烧，同排量机型相比，发动机散热量增加60%～80%，整车冷却系统的匹配面临极大的挑战，此前行业内均无成熟的配套解决方案可借鉴，对公司而言，联合战略整车厂率先推出解决方案，未雨绸缪抢占市场先机是重中之重的任务。因此，同时准备了空空中冷独立EGR、空空中冷串联EGR、水空中冷三套方案进行对比验证。

1 某天然气重卡冷却系统方案设计

天然气重卡需要散热冷却的零部件较多，包括发动机本体、EGR系统、机油冷却器、空气压缩机、空调冷凝器、中冷器、汽化器、液力缓速器等，对热管理系统的要求较高，一套好的热管理系统不仅能保障发动机正常运行，还能调节发动机在最佳水温下运行，实现节能降耗。为确保整车热平衡的难题得到及时解决，准备了三套冷却系统方案进行应对。

1.1 空空中冷独立EGR方案

空空中冷独立EGR燃气机商用车冷却系统是设计较为新颖，是国内首次采用的设计方案，采用独立的EGR散热器、两级EGR冷却器、独立的水泵对EGR系统进行冷却，避免与发动机冷却系统共用，EGR冷却系统和发动机冷却系统的水温都可以独立调节，降低两套系统的相互影响，其系统原理图如图1所示。

图1 空空中冷独立EGR冷却系统原理图

1.2 空空中冷串联EGR方案

空空中冷串联EGR燃气机商用车冷却系统与以往传统的方案较为相似，EGR系统散热与发动机散热共用一个水箱、一个中冷器，并且只采用单级EGR冷却器，其系统原理图如图2所示。

图2 空空中冷串联EGR冷却系统原理图

1.3 水空中冷方案

水空中冷燃气机商用车冷却系统设计较为新颖，也是国内首次采用的设计方案，与传统的冷却系统相比，增加了低温水箱和低温EGR冷却器，空空中冷器改为水空中冷器，低温水箱为水空中冷器及低温EGR冷却器提供较低温度的冷却液，显然水空中冷器的冷却效率比空空中冷要高很多，能够最大程度降低中冷后进气温升，其系统原理图如图3所示[1]。

图3 水空中冷冷却系统原理图

2 方案验证

针对空空中冷独立EGR、空空中冷串联EGR、水空中冷这三种冷却系统方案，分别开展了模拟仿真分析和整车试验验证。

根据现行重型载货车整车热平衡试验标准，冷却系统许用环境温度42℃评价。燃气机最高许用工作水温按105℃设计，允许冷却系统长时间在该温度下工作；最高许用极限水温按108℃设计，允许冷却系统短时间在该温度下工作，但全年累计工作时间不超过50 h。因此，冷却系统用冷却常数进行评价，冷却常数（K值）要求为：在发动机长时间工作时不大于63℃，在短时间工作时不大于66℃[1]。

2.1 天然气重卡冷却系统基本信息

整车信息见表1，发动机参数信息见表2，冷却系统配置信息见表3。

表1 整车配置信息

表2 发动机参数

表3 冷却系统配置信息

2.2 仿真分析

采用先进的CAE分析flowmaster软件，对上述三种冷却系统方案分别进行仿真分析，评价见表4。

表4 不同冷却系统方案效果的仿真分析评价

由上表可知，从性能来看，在一定冷却系统配置条件下，水空中冷方案的性能最好，其极限使用环境温度最高，中冷后温升也最低，空空中冷独立EGR方案的性能次之，空空中冷串联EGR方案性能较差，但是只是中冷后温升没有满足要求。

2.3 实车验证

2.3.1 实验条件（1）试验一般条件的控制燃料：0#柴油

机油：YC-800 CH-4/SL 15W-40环境温度：＞20℃

（2）试验设备及仪表

试验在试验室整车热平衡试验台进行，设备及仪表经过校验，均在有效使用期内。设备精度要求见表5。

表5 整车热平衡台架试验设备精度

（3）试验方法

按《Q/YC 3078-2012整车热平衡试验规范》和《GB/T 18297-2001汽车发动机性能试验方法》《3095沸腾试验规范20131121》进行试验。

2.3.2 实验结果

在热平衡测试台架上，对上述三种冷却系统方案分别进行了实车验证，结果见表6。

表6 整车热平衡台架试验结果

工况 指标 目标值 空空中冷独立EGR评价空空中冷串联EGR评价水空中冷评价散热器进出水温差/℃ 3～10 7.3 ■ 7.2 ■ 7.7 ■1400r/min（扭矩点）冷却常数/℃ ≤63 52.1 ■ 54.5 ■ 51.6 ■极限使用环境温度/℃ ≥42 52.6 ■ 50.1 ■ 53.8 ■中冷后进气温升/℃ ≤25 16.6 ■ 24.5 ■ 14.5 ■散热器进出水温差/℃ 3～10 7.1 ■ 6.2 ■ 7.5 ■1000r/min（扭矩点）冷却常数/℃ ≤63 55.7 ■ 57.1 ■ 54.6 ■极限使用环境温度/℃ ≥42 51.3 ■ 49.4 ■ 52.7 ■中冷后进气温升/℃ ≤25 13.8 ■ 24.9 ■ 13.7 ■

由上表可知，实车验证与理论分析的结果基本一致，因为理论分析的条件与实车存在一定偏差，针对空空中冷串联EGR方案在理论分析时存在中冷后温升的问题，在实车验证时加大了中冷器，并调整了中冷器前面冷凝器的安置位置，同时采用减少热风回流的措施，最终使得空空中冷串联EGR方案也能顺利通过验证。

3 方案选择

根据不同冷却系统方案的仿真分析、试验结果、专业用件数量、成本、适配性因素，综合考虑选取最佳应用方案——空空中冷串联EGR方案，如表7所示。

表7 最佳冷却系统方案选取

4 方案固化应用

根据通过热平衡试验的具体条件和试验结果，编写了《燃气发动机冷却系统配套设计指南及规范》，能用于指导后续天然气商用车冷却系统配套开发工作，主要内容如下。

4.1 冷却系统的安装要求

4.1.1 散热器

连接发动机与散热器之间的管路应尽量短而直，减少弯曲；总布置需要拐弯时，管子的曲率半径不应小于50 mm，并尽可能大，以减少管道阻力，且管路的弯角处或截面变化处必须圆滑过渡，不能出现截面突变现象；对后置发动机，散热器侧置，管路较长的布置，则管路应沿水流方向适当上翘，避免采用水平布置和拱形布置的管路，以利于冷却系中空气和蒸汽的排出，应尽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，以适应发动机和散热器之间的相对运动，防止散热器的管口振裂。散热器出水管即水泵进水管应有一定的刚性，以免发动机工作时被吸扁。

中冷器与散热器的迎风面积不是完全覆盖，为了冷却水得到有效的冷却，中冷器芯子安装高度应尽量与散热器芯子的高度一样；安装中冷器芯子与散热器芯子应尽量靠近，并对周边进行密封，否则该区域会产生空气的横向流动，会使中冷器前后压差减小，进而造成中冷器的冷却空气流量降低，导致中冷器冷却性能恶化，同时经过散热器的热风进入该区域，造成散热器空气侧温度升高，散热效率降低。

4.1.2 膨胀水箱

布置膨胀水箱时，其底平面至少应高出发动机进水总管顶部或散热器上水室顶部150 mm。膨胀水箱至发动机补水管路的进水口应该布置在膨胀水箱下端面，补水管的出口（即整车冷却液的补水口）应该布置在水泵入水线，且尽量靠近水泵，补水管内径不应小于25 mm，管路从膨胀水箱出来后应持续下行且按尽量短原则布置，不应该绕远道，避免增加补水阻力。发动机及散热器的除气管应连续上行至膨胀水箱接口处，不能下垂和有下弯段，不能出现U型走向，不允许与其它水管T形连接，否则会对加注时间及发动机运行中的除气产生影响。膨胀水箱容积应不小于冷却系统容积17%，带暖风系统时应不小于26%；膨胀水箱膨胀空间应不小于膨胀水箱容积的6%。

4.1.3 风扇

风扇安装示意图：见图4。

图4 风扇安装示意图

百叶窗、空调冷凝器、中冷器、水箱构成风扇的风阻，后面的发动机构成背压，通过一系列试验，寻求到A、B、C、D最佳安装尺寸推荐，供参考

A：水箱与风扇距离

按照理论上说是吸风越平均即风速越平均阻力越小，即A越大越好，但是考虑到汽车的安装位置不可能很大，试验证明：从50 mm～150 mm风量将增加10%左右，大于150 mm，其气动性能基本上不变。小于50 mm影响较大，考虑到装硅油风扇离合器，推荐：（120 ～ 150）mm。

B：风扇与护风罩单边间隙

径向间隙与风扇直径之比每增加1%，风扇流量下降2.5%～4%，效率下降2%～3%，风扇设计比值≤1%。

单边间隙推荐（10～15）mm，同时尽量要求风扇与护风罩同心和减少风扇不平衡量。

推荐采用柔性护风圈，确保风扇至护风圈的间隙受控。

C：风扇护风圈的尺寸

实验证明，进护风罩深一些（3/3）可以获得大风量；进护风罩浅一些（1/3状态）可以获得高静压，一般推荐风扇1/3～2/3进护风罩（吸风选2/3，吹风选1/3）。

D：后间隙

风量不但跟前风阻有关，同时也跟背压有关，最小的背压是良好冷却的关键。后间隙是影响空气出来是否流畅，一般推荐大于100 mm。

其它注意事项：

风扇与护风罩的径向间隙，不应大于风扇直径的2.5%，否则因风扇顶端空气回流过大使风扇性能恶化。

风扇的噪声是风扇叶尖线速度的函数，应控制风扇转速使其叶尖速度限制在下列范围内：发动机标定转速时，风扇叶尖线速度前置车不大于91 m/s，后置客车不大于100 m/s。

4.2 冷却系统的匹配要求

冷却系统各部件的匹配，要满足以下条件：冷却风扇产生的风压与冷却系统空气流动阻力相平衡，如图5所示。

图5 冷却系统风侧匹配图

风扇与散热器相对位置，且风扇尽量靠近散热器的对中稍偏上上部，即靠近散热器热端。

为减小机舱背压，尽量保持机舱通风，龙门架处，避免在龙门架处安装挡板，挡板会妨碍机舱通风，造成机舱背压增大，冷却效果降低。

5 结论

综上所述，从CAE仿真分析及实车验证的结果来看，本文提出的三种冷却系统方案均能满足整车热平衡的要求，但各有优缺点，综合技术复杂度、成本、适配性等因素来看，国六燃气机商用车的最佳冷却系统方案为空空中冷串联EGR方案，该方案与传统的冷却系统非常相似，专用件数量少、成本地、通用性好。该方案已经在玉柴全系列国六燃气机中批量应用。另外两种方案，由于冷却效率较高，适用环境温度高，可以作为极端高温环境下的备用方案。

6 结束语

受国家清洁能源政策推动，天然气重卡市场需求持续升温，市场年销量突破多年保持的上限，并逐年上升，更在2019年达到近10万辆，但天然气重卡在重卡市场容量的占比仅达约8%，离发达国家现状和国家未来15年的规划还有很大的上升空间。未来天然气重卡市场充沛，整车和发动机市场竞争激烈，联合整车厂持续做好燃气机商用车高效冷却系统的技术储备，未雨绸缪抢占市场先机才能立于不败之地。