近年來(lái)，貝洱公司開(kāi)發(fā)的(減少柴油機(jī)NOx排放對(duì)策的)冷卻廢氣再循環(huán)(EGR)和間接中冷器(iCAC)系統(tǒng)不需要像選擇性催化還原(SCR)那樣的排氣后處理系統(tǒng)或另建加尿素站，就能滿足歐5的排放要求。當(dāng)這種技術(shù)與最新的發(fā)動(dòng)機(jī)和噴射技術(shù)結(jié)合，在滿足歐5的同時(shí)，不會(huì)增加燃油的消耗，并能減小整車(chē)質(zhì)量。更好的是這些新的解決方法能靈活應(yīng)用，此系統(tǒng)經(jīng)過(guò)貝洱進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)有滿足歐6標(biāo)準(zhǔn)的潛能。
廢氣再循環(huán)過(guò)程基本上是基于這樣一個(gè)原理，即廢氣較空氣而言具有較高的熱容量和較低的氧氣含量，這將導(dǎo)致氣缸內(nèi)的燃燒溫度下降。冷卻的廢氣同充入氣缸的增壓空氣(這些空氣皆由渦輪先增壓再充入氣缸，下稱(chēng)增壓空氣)使得燃燒溫度進(jìn)一步下降，由于NOx的生成和溫度的變化呈指數(shù)函數(shù)，冷卻廢氣再循環(huán)和帶中冷器(CAC)的渦輪增壓結(jié)合起來(lái)就能達(dá)到歐4標(biāo)準(zhǔn)。為達(dá)到更嚴(yán)格的歐5標(biāo)準(zhǔn)的要求，可采用增加廢氣再循環(huán)率，或者降低廢氣及增壓空氣的溫度。
歐5的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)
最近幾年間，貝洱一直在研究如何改善發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)以滿足日益嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)。尤其是使增壓空氣和廢氣的冷卻溫度有效降低能減少NOx的生成和燃油消耗。下面詳細(xì)描述了最新開(kāi)發(fā)并準(zhǔn)備投入生產(chǎn)的兩種歐5發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)及其組件，并與選擇性催化還原系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比。
1.單級(jí)廢氣冷卻加二級(jí)渦輪增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)
圖1是這種冷卻系統(tǒng)的原理圖。它由一個(gè)廢氣再循環(huán)冷卻器(通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液進(jìn)行冷卻)和一個(gè)低溫冷卻回路(含兩個(gè)中冷器和一個(gè)低溫散熱器)組成。由于低溫散熱器裝配在最前面，汽車(chē)的迎面風(fēng)直接對(duì)它進(jìn)行冷卻，此回路中低溫的冷卻液再來(lái)冷卻二級(jí)中冷器可獲得更低的中冷后溫度。這類(lèi)中冷器即稱(chēng)為間接中冷器。
從發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣歧管排出的廢氣經(jīng)過(guò)廢氣再循環(huán)冷卻器冷卻后和增壓空氣一起進(jìn)入進(jìn)氣歧管，混合后進(jìn)一步降低進(jìn)氣溫度，達(dá)到減少NOx的生成的目的。但是應(yīng)用單級(jí)廢氣再循環(huán)冷卻系統(tǒng)僅可達(dá)歐4標(biāo)準(zhǔn)，不能滿足歐5的要求。之前提過(guò)，達(dá)到歐5需要更強(qiáng)的冷卻效果或者更高的廢氣再循環(huán)率。然而，增加廢氣再循環(huán)率必將降低缸內(nèi)氧氣的濃度。為了保證缸內(nèi)足夠氧氣的濃度，必須采用更高的增壓壓力，帶中冷的二級(jí)增壓就能達(dá)到這個(gè)目的。盡管廢氣再循環(huán)率提高了，但是二級(jí)渦輪增壓依然能夠保證發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功不降低，并且不會(huì)增加微粒排放量。
在兩個(gè)渦輪增壓器中的增壓空氣經(jīng)過(guò)兩次壓縮溫度升高，在中冷器中冷卻，其中部分熱量傳遞給冷卻液，在低溫散熱器里的這部分熱量則散發(fā)到空氣中去。該散熱器裝在車(chē)輛前部，也就是我們今天在柴油機(jī)卡車(chē)上看到裝中冷器的位置。傳統(tǒng)的中冷器通過(guò)很多管道與渦輪增壓器及發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管相連。如果采用間接中冷器就可取消這些管道，這樣會(huì)節(jié)省空間并簡(jiǎn)化組件。
與傳統(tǒng)的中冷器相比，間接中冷器熱交換效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，能夠安裝在渦輪增壓器和進(jìn)氣歧管之間。這也使增壓空氣管道可采用直管道，如此一來(lái)，管內(nèi)空氣壓力的損失將減少50%，充氣壓力也相應(yīng)提高。氣缸內(nèi)空氣充量的增大和氣體交換過(guò)程的簡(jiǎn)化，這兩個(gè)因素使發(fā)動(dòng)機(jī)在相同輸出功率的條件下降低燃油消耗。
由于間接中冷器的應(yīng)用，可以減少空氣管道的體積。
例如，在一個(gè)12L的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中空氣管道體積可減少超過(guò)50%，因此系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷的響應(yīng)也更快。雖然商用車(chē)不像乘用車(chē)那樣對(duì)扭矩快速響應(yīng)，但是排放問(wèn)題卻不可避免，例如微粒排放。眾所周知，沒(méi)有微粒捕集器的貨車(chē)，當(dāng)駕駛員突然加速，由于渦輪增壓器響應(yīng)慢，不能提供足夠的空氣，導(dǎo)致缸內(nèi)燃料因缺氧不充分燃燒，于是微粒便快速增加?？s小空氣管道的體積可提高增壓空氣的響應(yīng)速度，可減少微粒排入大氣或者排入微粒捕集器中。
中間冷卻的增壓空氣可提高二次增壓效率。目前在單級(jí)渦輪增壓的情況下，充氣壓力可高達(dá)3.6bar，二級(jí)渦輪增壓加中間冷卻的情況下充氣絕對(duì)壓力則可達(dá)4~5bar。正如上述情況，它使得不降低發(fā)動(dòng)機(jī)性能的前提下增加廢氣再循環(huán)率時(shí)不會(huì)引起微粒排放的增加成為可能。
此外，理論上講，充氣壓力高有以下好處：
·增加發(fā)動(dòng)機(jī)的功率密度(升功率)。在同樣排量的條件下可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率或者在同樣輸出功率的條件下可減小發(fā)動(dòng)機(jī)的排量(“小型化”)。小型化后可減少發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的摩擦，這對(duì)燃油消耗有積極的影響作用。
·增加氣缸中的過(guò)量空氣，由于氣缸內(nèi)氧氣含量較高，會(huì)減少積炭的形成。換句話講，由于燃料完全燃燒會(huì)減少微粒的生成。
2.二級(jí)廢氣冷卻加單級(jí)渦輪增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)
在這一系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的待再循環(huán)廢氣先送入一個(gè)廢氣冷卻器，此冷卻器由發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)水進(jìn)行冷卻，然后再進(jìn)入另一個(gè)位于中冷器旁邊的廢氣冷卻器，該冷卻器采用空冷，空氣流速?zèng)Q定于風(fēng)扇或者車(chē)輛行駛的速度。
該系統(tǒng)中應(yīng)用了二級(jí)廢氣冷卻，從而有效降低了廢氣溫度，因此單級(jí)渦輪增壓加中冷就能達(dá)到歐5要求。該中冷器就是常規(guī)的空冷方式，在該系統(tǒng)中廢氣和增壓氣體能達(dá)到差不多的溫度水平，進(jìn)氣歧管內(nèi)的混合氣體溫度便能顯著降低。
在圖3顯示，在一個(gè)模塊中裝有中冷器和廢氣冷卻器，不在此模塊中的另外一個(gè)廢氣冷卻器叫集成的冷卻器。
產(chǎn)品創(chuàng)新
1.廢氣冷卻器和中冷器的集成
該系統(tǒng)串聯(lián)起多個(gè)廢氣冷卻器，應(yīng)用多種不同的冷卻介質(zhì)：發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液和空氣。將空冷的廢氣再循環(huán)冷卻器和中冷器集成在一起，這種形式的一體化是全球首創(chuàng)。
廢氣冷卻過(guò)程：廢氣流從氣缸內(nèi)流出進(jìn)入排氣歧管，部分廢氣流入第一級(jí)廢氣冷卻器，此廢氣冷卻是由發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液進(jìn)行冷卻。然后，這部分廢氣流入第二級(jí)空冷廢氣冷卻器，此冷卻器與中冷器的上部集成。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，為了防止冷卻器不結(jié)冰，廢氣不通過(guò)二級(jí)廢氣冷卻器而是通過(guò)旁通管進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管。在這兩種情況下，冷卻廢氣和中冷后的氣體在混合腔進(jìn)行混合進(jìn)入進(jìn)氣歧管。所以進(jìn)入各缸內(nèi)的氣體有相同的成分和溫度，這對(duì)于確保各個(gè)氣缸中的燃燒情況一致是很重要的。
在第一級(jí)廢氣冷卻時(shí)，其溫度降到200~150℃。第二級(jí)冷卻(低溫)時(shí)，其溫度又降到比周?chē)諝鉁囟戎桓叱?5~20℃。充入氣體的溫度降低程度視增壓空氣和廢氣的混合比例而定。
空冷廢氣再循環(huán)冷卻器的芯子是廢氣管，廢氣管間有帶波紋的散熱帶，廢氣管中有產(chǎn)生紊流的翅片(winglet)，管道及波紋散熱帶釬焊在一起，廢氣管和廢氣室焊接在一起。冷卻器由耐腐蝕管道、波紋散熱帶和廢氣室組成，它們都由不銹鋼制成。
綜合增壓空氣/廢氣冷卻器模塊的特點(diǎn)：
·優(yōu)化廢氣及增壓空氣冷卻器中的壓力損失
·在混合腔內(nèi)更好地混合增壓空氣及廢氣
·廢氣冷卻器帶旁通來(lái)防止其結(jié)冰
·沒(méi)有冷凝物回流進(jìn)中冷器
·耐腐蝕的廢氣再循環(huán)冷卻器
2.集成節(jié)溫器的間接中冷器
歐5和歐4相比，因歐5需要更高的廢氣再循環(huán)率必然要求更大的增壓壓力，這導(dǎo)致增壓空氣的溫度上升，所以要求使用的中冷器必須能夠承受220℃以上的溫度及超過(guò)5.1bar的絕對(duì)壓力?；趬毫蜏囟蓉?fù)荷，中冷器設(shè)計(jì)上的變化能降低應(yīng)力級(jí)數(shù)，能夠承受更高的負(fù)載，如CAC/EGR模塊就采用有限元分析法(FEM)來(lái)檢驗(yàn)其應(yīng)力分析。
間接中冷器是一個(gè)疊片系統(tǒng)，其中包括增壓空氣管道和冷卻水管道。為了滿足傳熱性能，溫度，壓力的要求，必需對(duì)通過(guò)增壓空氣和冷卻液中的紊流片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。另外，中冷器中氣液流體的運(yùn)行方向相反，冷卻液的流量是通過(guò)安裝在中冷器出口中的節(jié)溫器進(jìn)行控制。通過(guò)節(jié)溫器中快速響應(yīng)的蠟部件快速調(diào)整冷卻液的流量，可避免使用復(fù)雜的控制系統(tǒng)。
3.風(fēng)扇組件及其運(yùn)行
最新的NFX750風(fēng)扇風(fēng)量已經(jīng)提高，新調(diào)整的葉片形狀及增加了葉片數(shù)(從8片增至11片)大幅提高了風(fēng)扇的輸出風(fēng)量，原先的軸向結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)變，輸出相同風(fēng)量的條件下，風(fēng)扇消耗功減少大約10%。該風(fēng)扇由ViscoERS250風(fēng)扇離合器傳動(dòng)，該電控離合器的傳輸扭矩能比現(xiàn)在使用的風(fēng)扇離合器多傳輸40%的扭矩，同時(shí)它的可控性和動(dòng)態(tài)離合響應(yīng)速度得到明顯改善，還可消除多余的風(fēng)扇噪音。
為了充分冷卻在各種轉(zhuǎn)速下運(yùn)行的Visco風(fēng)扇，風(fēng)扇轂進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后更加適合風(fēng)扇離合器的冷卻要求，進(jìn)一步改善了離合器內(nèi)硅油的冷卻，大大減少滑動(dòng)功率偏差，另外還防止離合器內(nèi)的硅油過(guò)熱。
