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(jī)的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行散熱量及水流分布的臺架試驗，以試驗結(jié)果得出的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對整車?yán)鋮s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(jìn)行匹配計算和試驗驗證，然后根據(jù)試驗結(jié)果對影響冷卻系統(tǒng)性能的因素進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)果表明，水-空中冷系統(tǒng)是解決大功率氣體機(jī)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(jī)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(jī)相比，天然氣發(fā)動機(jī)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?yán)鋮s系統(tǒng)、熱平衡及發(fā)動機(jī)進(jìn)氣溫度控制問題是必須突破的關(guān)鍵技術(shù)［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(jìn)行計算分析及匹配優(yōu)化，并在整車臺架上進(jìn)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(fēng)扇的負(fù)荷和提升中冷系統(tǒng)的散熱效率的結(jié)論。

1 發(fā)動機(jī)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(jī)為重型車用液化天然氣(LNG)發(fā)動機(jī)，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(jī)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(jìn)行的，主要了解發(fā)動機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速為1 921 r/min(額定功率點附近)時，系統(tǒng)阻力與水泵揚(yáng)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(jī)轉(zhuǎn)速為1 362 r/min(最大扭矩點附近)時，系統(tǒng)阻力與水泵揚(yáng)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(zhuǎn)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(nèi)部阻力是提高散熱力的有效途徑。

表1 LNG發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 冷卻系統(tǒng)阻力與水泵性能匹配關(guān)系圖

1．2 發(fā)動機(jī)熱損失試驗

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

試驗是在發(fā)動機(jī)出水溫度為90℃時進(jìn)行的，熱能處于平衡狀態(tài)時發(fā)動機(jī)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(zhì)的熱損失分別為188．5 kW和163 kW，冷卻介質(zhì)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(jī)熱量損失明顯高于相同排量和功率柴油機(jī)的熱量損失。

圖2 天然氣發(fā)動機(jī)能量分布圖

表2 同排量同功率天然氣發(fā)動機(jī)與柴油機(jī)散熱量對比

2 整車?yán)鋮s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(dǎo)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(jìn)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(jī)散熱量增大且對進(jìn)氣溫度較為敏感，在進(jìn)行冷卻系統(tǒng)匹配設(shè)計時，采用空-空中冷系統(tǒng)和水-空中冷系統(tǒng)2種方案進(jìn)行匹配計算。

空-空中冷冷卻系統(tǒng)用空氣作熱交換介質(zhì)，把增壓以后的高溫進(jìn)氣冷卻到足夠低的溫度，布置方式采用吸氣式風(fēng)扇布置在發(fā)動機(jī)前端由發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動，散熱器布置在風(fēng)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(jī)側(cè)面，可減小散熱器的系統(tǒng)風(fēng)阻，將發(fā)動機(jī)的散熱器和水-空中冷器的水介質(zhì)散熱器集成在一起［9］。整個計算的目標(biāo)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(guān)的經(jīng)驗系數(shù)根據(jù)大量的試驗進(jìn)行反復(fù)修正，精度較高。

2．1 水-空中冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(nèi)的冷卻水通過管路進(jìn)入到水空中冷器，此時，由發(fā)動機(jī)渦輪增壓器壓氣機(jī)壓縮的高溫高壓氣體經(jīng)過水空中冷器進(jìn)氣口進(jìn)入到水空中冷器，熱空氣與冷卻水在水-空中冷器內(nèi)部進(jìn)行熱交換，以達(dá)到對熱空氣介質(zhì)冷卻的效果。然后熱冷卻水介質(zhì)在水泵的驅(qū)動下通過管路進(jìn)入到中冷散熱器，熱冷卻水與冷空氣在中冷散熱器內(nèi)部進(jìn)行熱交換，以達(dá)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(yīng)有所儲備，即散熱器最大散熱量Qmax應(yīng)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(jìn)水溫度;ΔTw為散熱器冷卻水的進(jìn)出口溫差;Ta為散熱器冷卻空氣的進(jìn)口溫度;ΔTa為散熱器冷卻空氣的進(jìn)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(fēng)面積:

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

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

2．3 中冷器能力計算

中冷器分別進(jìn)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(fēng)正面積:

冷卻介質(zhì)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(zhì)溫升;Fz為中冷器迎風(fēng)正面積;V為冷卻介質(zhì)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(fēng)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(fēng)扇匹配計算

風(fēng)扇外徑計算公式:

式(6)中:Df為風(fēng)扇外直徑(通過計算得出風(fēng)扇的直徑為758 mm)。

2．5 整車?yán)鋮s系統(tǒng)匹配計算

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

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

水-空中冷型式系統(tǒng)匹配結(jié)果如圖5所示，由于沒有中冷器的阻力，系統(tǒng)風(fēng)阻下降后風(fēng)扇所能提供的最大風(fēng)速增大，進(jìn)風(fēng)流量也隨之增大。實際匹配點風(fēng)速與理論匹配點風(fēng)速接近，考慮到水空中冷器的效率較高，風(fēng)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(xì)描述。根據(jù)計算得到的結(jié)果見表3。

3 試驗驗證及分析

3．1 試驗方案

根據(jù)計算結(jié)果在整車試驗臺架上進(jìn)行了熱平衡試驗驗證，根據(jù)整車機(jī)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(chǔ)上相關(guān)參數(shù)做了些調(diào)整，各樣件具體性能參數(shù)見表4。

試驗分2個方案進(jìn)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(jìn)行人為調(diào)節(jié)，具體試驗方案見表5。

表5 試驗方案

3．2 試驗結(jié)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(dá)到熱平衡狀態(tài)。

3．2．1 水-空中冷和空-空中冷試驗結(jié)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(jìn)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(jié)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(biāo)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(biāo)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(jìn)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(jìn)氣溫度升高分別下降了約27%和35%，低于目標(biāo)要求的25℃。而空-空中冷的方案1額定功率點和扭矩點進(jìn)氣溫升超過了目標(biāo)要求，不能滿足要求。

分析認(rèn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(fēng)阻，使得散熱器進(jìn)風(fēng)量增大，散熱器的傳熱系數(shù)提高，散熱器熱負(fù)荷降低。所以這種方式可適當(dāng)減小散熱器或風(fēng)扇直徑達(dá)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(dá)不到理論計算值，試驗結(jié)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(fēng)扇的負(fù)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(jìn)氣溫度升高明顯放緩。說明水流量對進(jìn)氣溫度調(diào)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(dá)到規(guī)定值。

3．2．3 系統(tǒng)內(nèi)阻

增壓空氣經(jīng)中冷器后的壓力損失也是中冷器的1項性能指標(biāo)，壓力損失會影響發(fā)動機(jī)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(jìn)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(jīng)過中冷器時的壓力降對比

4 結(jié)論

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

受機(jī)艙空間布置及風(fēng)阻限制，空-空中冷系統(tǒng)已無法實現(xiàn)使天然氣發(fā)動機(jī)達(dá)到理想的進(jìn)氣溫度和發(fā)動機(jī)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(fù)荷，試驗結(jié)果也表明了其可到達(dá)控制理想的冷卻常數(shù)和進(jìn)氣溫度目標(biāo)。

水(冷卻液)作為中冷冷卻介質(zhì)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(jī)水溫和中冷溫度控制的技術(shù)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(zhuǎn)速進(jìn)行水流量調(diào)節(jié)，來控制進(jìn)氣溫度，達(dá)到不同環(huán)境下發(fā)動機(jī)的恒溫進(jìn)氣，這是技術(shù)發(fā)展方向。

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