适用国六RDE排放的水冷排气歧管开发

王海耀 刘杰 郑有能

摘要：开发了一款适用于国六RDE排放法规的水冷排气歧管，并通过热气台架、发动机台架测试验证了水冷排气歧管的冷却性能及其对发动机性能的贡献。水冷排气歧管可以替代传统燃油加浓措施，降低发动机整个工况排气温度，扩大发动机在过量空气系数边界下的运行区域，提升发动机不加浓工况功率。

Abstract： Awater-cooled exhaust manifold is developed forChina6 RDE emission， the water-cooled exhaust manifold’s cooling performance and its contribution to engine performance is verified through the hot gas bench test and engine dyno test.The water-cooled exhaust manifold can replace the traditional method of fuel enrichment to reduce the exhaust temperature in whole engine running condition， enlarge the engine running area under the condition ofexcess air factor， enhance the engine power without fuel enrichment.

關键词：RDE;水冷排气歧管;排气温度;燃油加浓

Key words： RDE;water-cooled exhaust manifold;exhaust temperature;fuel enrichment

中图分类号：U461.8                                    文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）16-0001-04

0  引言

2016年底，国家环境保部、国家质检总局联合颁布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》[1]，即国六排放法规。国六排放法规中引入了RDE排放测试规范，RDE即Real Drive Emission，指车辆在实际道路行驶时的污染物排放。相比传统在试验室中的排放测试，RDE排放测试要求更苛刻，车辆在试验室外道路上行驶，实车采集排放数据。由于实车驾驶工况下的道路条件、行驶环境等变化多，为了满足RDE排放法规，一般都限制了发动机在整个运行工况内的燃油加浓，这样可以使催化器工作于处理燃烧有害物的高效区域，即过量空气系数窗口区域。

当发动机运行于高转速大负荷工况时，发动机排气温度一般处于峰值水平，为了避免排气系统零件因超温而失效，标定上常采用燃油加浓措施来降低排气温度。但是面对RDE排放，燃油加浓被限制了，那使用何种措施来替代燃油加浓降低发动机排温呢？降功率是最直接且简单的措施，但显然不是最优策略;使用适当EGR率降低排气温度能达到燃油加浓同样的效果[2];在高速大负荷工况，使用喷水技术也可以取代燃油加浓策略来降低排气温度，实现当量空燃比燃烧[3]。EGR和喷水技术都属于通过燃烧手段降缸内排温，当缸内排温条件无法改善时，可通过另一手段，即在缸外使用水冷方式对排气进行强制冷却。在此概念下，产生了缸盖集成排气歧管（IEM），将排气歧管集成到缸盖中，利用缸盖水套冷却水对排气进行冷却，IEM技术在近些年的发动机上应用较多，包括福特、大众、本田等都实现了量产。BMW宝马公司将水冷技术拓展应用到了增压器上，其在欧洲的发布的B38/B48发动机使用了水冷蜗壳设计[4]，通过发动机冷却水循环来降低蜗壳内排气温度，进而提高发动机性能。

1  水冷排气歧管设计

适用于国六RDE排放的水冷排气歧管开发基于某国五1.5L自然吸气发动机，重新设计了排气歧管，在排气歧管上增加了水套，对发动机循环水路做了改进，如图1所示。水冷排气歧管水路从缸盖引水，歧管内循环水完成对排气换热冷却后从歧管出水口排出，回到TMM（热管理模块），进入发动机水路循环。发动机整体水路循环策略维持不变，即低温走小循环，高温走大循环。

水冷排气歧管结构设计如图2所示，歧管水套设计采用了各支管独立冷却的型式，各分缸从缸盖独立引水，独立冷却，最后冷却水在歧管出口处交汇，从出水口流出。歧管本体材料采用了导热性较好的铝合金材料替代传统铸铁、不锈钢材质，这样可使冷却水对排气的冷却效果达到最佳。相比IEM设计，水冷排气歧管方案无需重新设计缸盖气道，对原机改动小;排气道水套布置空间更大，对排气冷却效果更好;各支管单独引水，冷却效果均匀;冷却后高温水直接回到发动机散热系统，不会额外增加缸盖热负荷。

2  模拟计算分析

为了解水冷排气歧管水套中冷却水流场分布以及歧管本身在高热负荷下的温度场情况，通过STAR CCM+软件对水冷排气歧管做了流场、温度场热耦合CFD分析。计算工况选取了发动机热负荷最大的额定功率点，主要计算边界条件如表1。

CFD分析结果如图3所示，水冷排气歧管由于采用各缸分流冷却，各缸水流流速总体比较均衡，1、2缸因为距离入水口近及歧管出水口布置原因，其流速稍高于3、4缸;歧管本体温度场方面，歧管出口催化器法兰处因为没有水套覆盖，该处温度最高，达290℃，歧管主体部分由于布置有水套，温度较低，总体在150℃以下。

3  热气台架试验

为了模拟水冷排气歧管在发动机不同工况下的冷却性能，将水冷排气歧管样件搭载到热气台架上，用燃烧控制器模拟发动机排气，进行水冷排气歧管冷却性能试验。热气台架布置如图4所示，其主体结构分气路和水路两部分。

气路由燃烧控制器、水冷排气歧管、催化器、尾气收集器及相互连接的气路管路等组成。燃烧控制器型号为ATEHG500，最大进气量795kg/h，温度控制范围300～1050℃。燃烧控制器为水冷排气歧管提供热气源，其由供气系统、燃烧系统、送风系统及控制系统组成。可燃气体（LPG）与新鲜空气混合点燃后经过管道送入水冷排气歧管，控制系统控制进气量达到目标值，并通过控制可燃气体流量使出气温度达到目标值，独立的传感器监测发现出气温度超差时即刻切断可燃气体进入燃烧室。由燃烧控制器输出的高温气经管路流入水冷排气歧管、催化器，最后由出气管路排入废气收集器，排出试验室。

水路由循环水箱、水冷排气歧管、变频水泵、电磁流量计及相互连接的水路管路等组成。首先通过特制转接法兰将水冷排气歧管水路和气路分隔开，低温水从循环水箱流出，通过8路进水管经转接法兰后进入水冷排气歧管水套，低温水完成对歧管内高温气体的换热冷却后变为高温水，高温水从出歧管水口流出，经控制水流量的变频水泵和电磁流量计，最后回到循环水箱。

为了同步测量歧管水套入水温度以及歧管本体的温度，将3个热电偶分别布置于歧管入口水套以及歧管主法兰背面、催化器法兰（CFD计算温度最高位置点）。

热气台架试验在不同排温梯度以及不同水流量条件下进行，以模拟发动机处于不同负荷及转速下的冷却性能，相关主要控制参数如表2。

试验结果如图5所示，在定水流量60L/min条件下，当排气温度在400～800℃区间变化时，水冷排气歧管可以显著降低排气温度，歧管最大降温幅度为199.2℃，出现在800℃高排温工况，降温比例为25%，随着排温降低，降温比例有小幅降低，降温比例维持在22～25%;在定排温800℃条件下，当冷却水流量在20～60L/min区间变化时，歧管最大降温比例为25%，出现在最大水流量60L/min工况，随水流量降低，降温比例有稍许降低，总体维持在24%以上。

歧管上布置的热电偶同时采集了不同工况下歧管本体温度情况，结果如图6所示。催化器法兰处温度最高，最高达181.9℃，出现在800℃高排温，20L/min低水量工况，对应于发动机低速高负荷工况。备注：本文研究发动机低速高负荷工况非排温最高点，故发动机在低速高负荷工况实测时，歧管本体温度相对较低，详见下节发动机台架试验结果。

4  发动机台架试验

为了确认水冷排气歧管在实际应用中的冷却性能以及其对发动机性能的贡献，将水冷排气歧管样件搭载到了发动机台架上进行测试，发动机台架布置如图7所示。

发动机原机基本参数如表3，测试工况为发动机整个万有特性工况，为适应RDE排放要求，发动机所有运行工况均控制过量空气系数？姿=1。

从图8测试结果看，水冷排气歧管搭載于发动机实际运行时，在发动机全工况下都表现出了良好的降温效果。在外特性条件下，使用水冷排气歧管后，额定点工况催化器前入口排温为759.7℃，相比原机降低了139.2℃，降温比例15.5%，其他转速点降温幅度90.6～149.1℃，降温比例10.7～21.7%，低速时降温比例相对更高;在部分负荷工况，以3600rpm点为例，相比满负荷，水冷排气歧管在低负荷时降温比例更高，降温比例最高至25.2%。

歧管本体最高温度出现在热负荷最大的额定功率点附近区域。图9示出了外特性工况歧管各测点温度值，在最恶劣的额定功率点，催化器法兰处温度达299℃。

图10为原机与水冷排气歧管方案发动机性能对比，由于水冷排气歧管降排温贡献，发动机在过量空气系数边界下的运行区域可以扩大，最大功率可达74kW;而原机普通排气歧管方案，在高速大负荷区域受限于排温限值，做了降功率，最大功率只能达到66.5kW，水冷排气歧管对功率提升达7.5kW。

5  结论

①水冷排气歧管可以替代传统燃油加浓措施，降低发动机整个运行工况的排气温度，额定功率点催前排温相比原机降低139.2℃，降温比例15.5%，在低速、低负荷工况降温比例更高。

②水冷排气歧管本体的温度场分布与水套布置有关，在没有水套覆盖的催化器法兰处温度最高，该处最高温度达299℃，出现在热负荷最大的额定功率点。

③由于水冷排气歧管降排温贡献，发动机在过量空气系数？姿=1边界下的运行区域可以扩大，发动机不加浓工况功率相比原机提高7.5kW。

参考文献：

[1]GB 18352.6-2016，轻型车汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[S].北京：中国环境科学出版社，2016.

[2]Cairns A， Blaxill H， Irlam G. Exhaust gas recirculation for improved part and full load fuel economy in a turbocharged gasoline engine[C].SAE World Congress， Detroit， 2006.

[3]龚伟国，张弘，李相超.小排量直喷增压汽油机喷水技术应用研究[J].车用发动机，2019（4）.

[4]BMW技术培训产品信息 B38/B48发动机 [Z].2014.P148.