近年來，貝洱公司開發(fā)的(減少柴油機NOx排放對策的)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)動機和噴射技術(shù)結(jié)合，在滿足歐5的同時，不會增加燃油的消耗，并能減小整車質(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)過貝洱進一步的開發(fā)有滿足歐6標(biāo)準(zhǔn)的潛能。
廢氣再循環(huán)過程基本上是基于這樣一個原理，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，下稱增壓空氣)使得燃燒溫度進一步下降，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)合起來就能達到歐4標(biāo)準(zhǔn)。為達到更嚴格的歐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)動機冷卻系統(tǒng)
最近幾年間，貝洱一直在研究如何改善發(fā)動機冷卻系統(tǒng)以滿足日益嚴苛的標(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。下面詳細描述了最新開發(fā)并準(zhǔn)備投入生產(chǎn)的兩種歐5發(fā)動機冷卻系統(tǒng)及其組件，并與選擇性催化還原系統(tǒng)進行了對比。
1.單級廢氣冷卻加二級渦輪增壓的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)
圖1是這種冷卻系統(tǒng)的原理圖。它由一個廢氣再循環(huán)冷卻器(通過發(fā)動機冷卻液進行冷卻)和一個低溫冷卻回路(含兩個中冷器和一個低溫散熱器)組成。由于低溫散熱器裝配在最前面，汽車的迎面風(fēng)直接對它進行冷卻，此回路中低溫的冷卻液再來冷卻二級中冷器可獲得更低的中冷后溫度。這類中冷器即稱為間接中冷器。
從發(fā)動機的排氣歧管排出的廢氣經(jīng)過廢氣再循環(huán)冷卻器冷卻后和增壓空氣一起進入進氣歧管，混合后進一步降低進氣溫度，達到減少NOx的生成的目的。但是應(yīng)用單級廢氣再循環(huán)冷卻系統(tǒng)僅可達歐4標(biāo)準(zhǔn)，不能滿足歐5的要求。之前提過，達到歐5需要更強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，帶中冷的二級增壓就能達到這個目的。盡管廢氣再循環(huán)率提高了，但是二級渦輪增壓依然能夠保證發(fā)動機的輸出功不降低，并且不會增加微粒排放量。
在兩個渦輪增壓器中的增壓空氣經(jīng)過兩次壓縮溫度升高，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。該散熱器裝在車輛前部，也就是我們今天在柴油機卡車上看到裝中冷器的位置。傳統(tǒng)的中冷器通過很多管道與渦輪增壓器及發(fā)動機進氣歧管相連。如果采用間接中冷器就可取消這些管道，這樣會節(jié)省空間并簡化組件。
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氣歧管之間。這也使增壓空氣管道可采用直管道，如此一來，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程的簡化，這兩個因素使發(fā)動機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12L的柴油發(fā)動機中空氣管道體積可減少超過50%，因此系統(tǒng)對負荷的響應(yīng)也更快。雖然商用車不像乘用車那樣對扭矩快速響應(yīng)，但是排放問題卻不可避免，例如微粒排放。眾所周知，沒有微粒捕集器的貨車，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。縮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。目前在單級渦輪增壓的情況下，充氣壓力可高達3.6bar，二級渦輪增壓加中間冷卻的情況下充氣絕對壓力則可達4~5bar。正如上述情況，它使得不降低發(fā)動機性能的前提下增加廢氣再循環(huán)率時不會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)動機的功率密度(升功率)。在同樣排量的條件下可提高發(fā)動機的輸出功率或者在同樣輸出功率的條件下可減小發(fā)動機的排量(“小型化”)。小型化后可減少發(fā)動機內(nèi)的摩擦，這對燃油消耗有積極的影響作用。
·增加氣缸中的過量空氣，由于氣缸內(nèi)氧氣含量較高，會減少積炭的形成。換句話講，由于燃料完全燃燒會減少微粒的生成。
2.二級廢氣冷卻加單級渦輪增壓的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)
在這一系統(tǒng)中，發(fā)動機排出的待再循環(huán)廢氣先送入一個廢氣冷卻器，此冷卻器由發(fā)動機的循環(huán)水進行冷卻，然后再進入另一個位于中冷器旁邊的廢氣冷卻器，該冷卻器采用空冷，空氣流速決定于風(fēng)扇或者車輛行駛的速度。
該系統(tǒng)中應(yīng)用了二級廢氣冷卻，從而有效降低了廢氣溫度，因此單級渦輪增壓加中冷就能達到歐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到差不多的溫度水平，進氣歧管內(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)起多個廢氣冷卻器，應(yīng)用多種不同的冷卻介質(zhì)：發(fā)動機冷卻液和空氣。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)。
廢氣冷卻過程：廢氣流從氣缸內(nèi)流出進入排氣歧管，部分廢氣流入第一級廢氣冷卻器，此廢氣冷卻是由發(fā)動機冷卻液進行冷卻。然后，這部分廢氣流入第二級空冷廢氣冷卻器，此冷卻器與中冷器的上部集成。當(dāng)環(huán)境溫度較低時，為了防止冷卻器不結(jié)冰，廢氣不通過二級廢氣冷卻器而是通過旁通管進入發(fā)動機進氣歧管。在這兩種情況下，冷卻廢氣和中冷后的氣體在混合腔進行混合進入進氣歧管。所以進入各缸內(nèi)的氣體有相同的成分和溫度，這對于確保各個氣缸中的燃燒情況一致是很重要的。
在第一級廢氣冷卻時，其溫度降到200~150℃。第二級冷卻(低溫)時，其溫度又降到比周圍空氣溫度只高出25~20℃。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：
·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防止其結(jié)冰
·沒有冷凝物回流進中冷器
·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5.1bar的絕對壓力?；趬毫蜏囟蓉摵桑欣淦髟O(shè)計上的變化能降低應(yīng)力級數(shù)，能夠承受更高的負載，如CAC/EGR模塊就采用有限元分析法(FEM)來檢驗其應(yīng)力分析。
間接中冷器是一個疊片系統(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，必需對通過增壓空氣和冷卻液中的紊流片進行優(yōu)化設(shè)計。另外，中冷器中氣液流體的運行方向相反，冷卻液的流量是通過安裝在中冷器出口中的節(jié)溫器進行控制。通過節(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，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，同時它的可控性和動態(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)速下運行的Visco風(fēng)扇，風(fēng)扇轂進行優(yōu)化設(shè)計后更加適合風(fēng)扇離合器的冷卻要求，進一步改善了離合器內(nèi)硅油的冷卻，大大減少滑動功率偏差，另外還防止離合器內(nèi)的硅油過熱。
