热能管理与欧6.doc

PAGE PAGE 6 热能管理在新-代货车中应用与前景 未来货车达到欧Ⅵ排放法规的措施与Rankine循环的应用开发 欧洲将在2013年实施更为严格的欧Ⅵ排放法规。为了应对这样形势,强化发动机废气排放系统热管理控制系统起着重要作用。德国贝洱(Behr)公司研发的性能优异的发动机冷却系统为满足欧Ⅵ排放法规的货车能够降低油耗3%-5%。对于未来商用汽车进一步开发前景可以通过综合采用热力学的兰金循环方法(Rankine prozess)能使油耗降低到5%。采用这种方法能使迄今一直无法使用的发动机废气热能转变为有用功。图1示出未来货车(商用车)采用兰金循环方法的新型冷却系统构成。 性能要求 为了以较经济的方式达到欧Ⅵ排放法规,采用由新型冷却系统组成的废气再循环(EGR)与废气后处理 — 选择性催化还原转化器(SCR)这二大部分的组合方式。图2示出可供应用的冷却系统结构。由图可知,采用冷却式废气再循环,以满足高于欧V对发动机冷却装置的要求。然而,存在的技术课题是废气再循环冷却器通过冷却系统,必须附加耗费大量能量。为此要求设有更大和更有效率的冷却器和更大功率的风机。这种冷却器必须承受更高负荷工况。通过大功率的冷却泵和改进的冷却管路的结构使冷却系统中的压力从目前的2bar提高到3-4bar高压力程度,预计与废气再循环的配合使增压压力达到4bar(迄今最大约3,5bar),而温度达到240℃(迄今最大约200℃ 从更远的开发目标来看,为了满足未来更高性能要求必须对整个冷却系统加以优化设计与开发相关新型冷却部件,新型冷却系统采用使迄今不能应用的废气热能转变为动力的兰金循环方法。以代替废气再循环用冷却器,进一步有效降低发动机油耗（见图3）。 高效新型冷却系统的构成与改进 通过采用专门开发的模拟分析方法提高冷却器和风机的功率密度,同时降低结构材料的重量。新型废气再循环冷却器借助于对冷却杂质(废气中污染物)高敏感度的防护措施使废气温度降至5OK的低温状态(相当于-223.15℃)。从而有可能使发动机油耗降低,其节油率有望达到2%,新型冷却器和增压空气冷却器的开发在保持相等的表面面积比功率的情况下,降低结构件厚度总计约25mm,这些措施应用于改进冷却模块的流动性,有利于降低风机消耗功率10%。由于采用均匀结构厚度, 提高空气流量的需求可以通过提高风机转速和效率,或者增加风机输出功率加以实现,由此开发了新的驱动装置。这种新型驱动装置特别通过提高零部件热效率而实现优化的调节性能。此外,增强风机接合器断开与换档的性能,快速配合,风机的额定转速以有利于降低其功耗,提高发动机冷却系统效率。 另一方面采用带有粘性水泵的驱动系统,与皮带盘组成一体,电动风机接合器采用电子控制方式,当发动机输出功率降低时,冷却水泵的循环也相应降低。在行驶工况下,平均节油1%(图4)。 未来商用军采用兰金循环方法的热能管理系统开发 以下介绍兰金方法在新型冷却系统中应用及前景。在搭载废气再循环装置的柴油机货车中,未进入废气涡轮增压器之前,发动机废气的温度为600℃,而经过废气涡轮增压器之后则降到450℃。这种排出的废气在传统的放热过程中都不可能利用。但是为了有效利用这种热能采用新型后置式(串联式)热量转变为动力的方法,即兰金(Rank Rankine cycle(中译:兰金循环)这是指在热机中对液体的压力和温度变化进行理想循环的连续顺序过程,这种理想循环方式早在1859年由苏格兰兰金工程师最早应用于蒸汽机。用于评价蒸汽机发电装置性能的热力学标准。 在兰金循环中,发动机工作介质发生四种连续有效变化:1.定压下加热,液体转化为气态(如水变成水蒸气)；2.可逆性绝热膨胀,完成做功(例如:驱动蒸气透平运转)；3.在定压下冷却,蒸气凝结为液体；4.进行可逆绝热压缩把液体重新泵吸到锅炉内。然后再进入新一轮循环。对于冷却系统的重点是开发必需的散热器和货车热能控制系统与兰金循环方法的匹配组合(图5)。 此外,不仅汽化过程而且整个冷却系统的优化设计对于热源和热量降温是非常重要的因素,蒸汽汽化过程的回流冷却即兰金循环的第四阶段与整个冷却系统对增压空气冷却和废气再循环冷却具有重要影响。整个冷却系统的优化必须注意到以下三个方面,即兰金循环的有效功率,发动机效率和冷却系统驱动功率。为此对兰金循环进行系统仿真,系统分析表明在实时随机条件下,在典型的长途运输中可达到5%的节油效果。由此可知,废气再循环是适用于兰金循环的理想热源。在高效率的废气再循环中有着特别重要的应用。一方面要提供充分的废气再循环热量,以便兰金循环得以进行。另一方面,兰金循环降低冷却系统的负荷并且也减少冷却所需的功率。必须应用主排放废气流的热量以确保最大有效功率。 通过提高冷却系统功率也有利于按照环境温度的变化和车辆行驶