欧5商用车发动机的冷却系统及其部件

欧5商用车发动机的冷却系统及其部件

自1992年(欧I标准实施)起，重型货车的排放限制标准陆续推出5次，且要求越来越高。在此期间，NOx排放限制从5g/kWh降到了2g/kWh，微粒排放从0.10g/kWh降到了0.02g/kWh。用百分比来计算，相当于要求NOx排放量减少60%，微粒排放量减少80%。

近年来，贝洱公司开发的(减少柴油机NOx排放对策的)冷却废气再循环(EGR)和间接中冷器(iCAC)系统不需要像选择性催化还原(SCR)那样的排气后处理系统或另建加尿素站，就能满足欧5的排放要求。当这种技术与最新的发动机和喷射技术结合，在满足欧5的同时，不会增加燃油的消耗，并能减小整车质量。更好的是这些新的解决方法能灵活应用，此系统经过贝洱进一步的开发有满足欧6标准的潜能。

废气再循环过程基本上是基于这样一个原理，即废气较空气而言具有较高的热容量和较低的氧气含量，这将导致气缸内的燃烧温度下降。冷却的废气同充入气缸的增压空气(这些空气皆由涡轮先增压再充入气缸，下称增压空气)使得燃烧温度进一步下降，由于NOx的生成和温度的变化呈指数函数，冷却废气再循环和带中冷器(CAC)的涡轮增压结合起来就能达到欧4标准。为达到更严格的欧5标准的要求，可采用增加废气再循环率，或者降低废气及增压空气的温度。

欧5的发动机冷却系统

最近几年间，贝洱一直在研究如何改善发动机冷却系统以满足日益严苛的标准。尤其是使增压空气和废气的冷却温度有效降低能减少NOx的生成和燃油消耗。下面详细描述了最新开发并准备投入生产的两种欧5发动机冷却系统及其组件，并与选择性催化还原系统进行了对比。

1. 单级废气冷却加二级涡轮增压的发动机冷却系统

图1是这种冷却系统的原理图。它由一个废气再循环冷却器(通过发动机冷却液进行冷却)和一个低温冷却回路(含两个中冷器和一个低温散热器)组成。由于低温散热器装配在最前面，汽车的迎面风直接对它进行冷却，此回路中低温的冷却液再来冷却二级中冷器可获得更低的中冷后温度。这类中冷器即称为间接中冷器。

从发动机的排气歧管排出的废气经过废气再循环冷却器冷却后和增压空气一起进入进气歧管，混合后进一步降低进气温度，达到减少NOx的生成的目的。但是应用单级废气再循环冷却系统仅可达欧4标准，不能满足欧5的要求。之前提过，达到欧5需要更强的冷却效果或者更高的废气再循环率。然而，增加废气再循环率必将降低缸内氧气的浓度。为了保证缸内足够氧气的浓度，必须采用更高的增压压力，带中冷的二级增压就能达到这个目的。尽管废气再循环率提高了，但是二级涡轮增压依然能够保证发动机的输出功不降低，并且不会增加微粒排放量。

在两个涡轮增压器中的增压空气经过两次压缩温度升高，在中冷器中冷却，其中部分热量传递给冷却液，在低温散热器里的这部分热量则散发到空气中去。该散热器装在车辆前部，也就是我们今天在柴油机卡车上看到装中冷器的位置。传统的中冷器通过很多管道与涡轮增压器及发动机进气歧管相连。如果采用间接中冷器就可取消这些管道，这样会节省空间并简化组件。

与传统的中冷器相比，间接中冷器热交换效率高，结构紧凑，能够安装在涡轮增压器和进气歧管之间。这也使增压空气管道可采用直管道，如此一来，管内空气压力的损失将减少50%，充气压力也相应提高。气缸内空气充量的增大和气体交换过程的简化，这两个因素使发动机在相同输出功率的条件下降低燃油消耗。

由于间接中冷器的应用，可以减少空气管道的体积。例如，在一个12L的柴油发动机中空气管道体积可减少超过50%，因此系统对负荷的响应也更快。虽然商用车不像乘用车那样对扭矩快速响应，但是排放问题却不可避免，例如微粒排放。众所周知，没有微粒捕集器的货车，当驾驶员突然加速，由于涡轮增压器响应慢，不能提供足够的空气，导致缸内燃料因缺氧不充分燃烧，于是微粒便快速增加。缩小空气管道的体积可提高增压空气的响应速度，可减少微粒排入大气或者排入微粒捕集器中。

中间冷却的增压空气可提高二次增压效率。目前在单级涡轮增压的情况下，充气压力可高达3银行表示只办理正常业务.6 bar，二级涡轮增压加中间冷却的情况下充气绝对压力则可达4~5 bar。正如上述情况，它使得不降低发动机性能的前提下增加废气再循环率时不会引起微粒排放的增加成为可能。

此外，理论上讲，充气压力高有以下好处：

增加发动机的功率密度(升功率)。在同样排量的条件下可提高发动机的输出功率或者在同样输出功率的条件下可减小发动机的排量(小型化)。小型化后可减少发动机内的摩擦，这对燃油消耗有积极的影响作用。

增加气缸中的过量空气，由于气缸内氧气含量较高，会减少积炭的形成。换句话讲，由于燃料完全燃烧会减少微粒的生成。

2. 二级废气冷却加单级涡轮增压的发动机冷却系统

在这一系统中，发动机排出的待再循环废气先送入一个废气冷却器

，此冷却器由发动机的循环水进行冷却，然后再进入另一个位于中冷器旁边的废气冷却器，该冷却器采用空冷，空气流速决定于风扇或者车辆行驶的速度。

该系统中应用了二级废气冷却，从而有效降低了废气温度，因此单级涡轮增压加中冷就能达到欧5要求。该中冷器就是常规的空冷方式，在该系统中废气和增压气体能达到差不多的温度水平，进气歧管内的混合气体温度便能显著降低。

在图3显示，在一个模块中装有中冷器和废气冷却器，不在此模块中的另外一个废气冷却器叫集成的冷却器。

产品创新

1. 废气冷却器和中冷器的集成

图4所示，该系统串联起多个废气冷却器，应用多种不同的冷却介质：发动机冷却液和空气。将空冷的废气再循环冷却器和中冷器集成在一起，这种形式的一体化是全球首创。

废气冷却过程：废气流从气缸内流出进入排气歧管，部分废气流入第一级废气冷却器，此废气冷却是由发动机冷却液进行冷却。然后，这部分废气流入第二级空冷废气冷却器，此冷却器与中冷器的上部集成。当环境温度较低时，为了防止冷却器不结冰因为货款付不出。，废气不通过二级废气冷却器而是通过旁通管进入发动机进气歧管。在这两种情况下，冷却废气和中冷后的气体在混合腔进行混合进入进气歧管。所以进入各缸内的气体有相同的成分和温度，这对于确保各个气缸中的燃烧情况一致是很重要的。

在第一级废气冷却时，其温度降到200~150℃。第二级冷却(低温)时，其温度又降到比周围空气温度只高出25~20℃。充入气体的温度降低程度视增压空气和废气的混合比例而定。

空冷废气再循环冷却器的芯子是废气管，废气管间有带波纹的散热带，废气管中有产生紊流的翅片(winglet)，管道及波纹散热带钎焊在一起，废气管和废气室焊接在一起。冷却器由耐腐蚀管道、波纹散热带和废气室组成，它们都由不锈钢制成。

综合增压空气/废气冷却器模块的特点：

优化废气及增压空气冷却器中的压力损失

在混合腔内更好地混合增压空气及废气

废气冷却器带旁通来防止其结冰

没有冷凝物回流进中冷器

耐腐蚀的废气再循环冷却器

2. 集成节温器的间接中冷器

欧5和欧4相比，因欧5需要更高的废气再循环率必然要求更大的增压压力，这导致增压空气的温度上升，所以要求使用的中冷器必须能够承受220℃以上的温度及超过5.1bar的绝对压力。基于压力和温度负荷，中冷器设计上的变化能降低应力级数，能够承受更高的负载，如CAC/EGR模块就采用有限元分析法(FEM)来检验其应力分析。

间接中冷器是一个叠片系统，其中包括增压空气管道和冷却水管道。为了满足传热性能，温度，压力的要求，必需对通过增压空气和冷却液中的紊流片进行优化设计。另外，中冷器中气液流体的运行方向相反，冷却液的流量是通过安装在中冷器出口中的节温器进行控制。通过节温器中快速响应的蜡部件快速调整冷却液的流量，可避免使用复杂的控制系统。

3. 风扇组件及其运行

最新的NFX750风扇风量已经提高，新调整的叶片形状及增加了叶片数(从8片增至11片)大幅提高了风扇的输出风量，原先的轴向结构几乎没变，输出相同风量的条件下，风扇消耗功减少大约10%。该风扇由Visco ERS 250风扇离合器传动，该电控离合器的传输扭矩能比现在使用的风扇离合器多传输40%的扭矩，同时它的可控性和动态离合响应速度得到明显改善，还可消除多余的风扇噪音。

为了充分冷却在各种转速下运行的Visco 风扇，风扇毂进行优化设计后更加适合风扇离合器的冷却要求，进一步改善了离合器内硅油的冷却，大大减少滑动功率偏差，另外还防止离合器内的硅油过热。

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