發(fā)動機智能冷卻技術推廣前景及節(jié)能減排潛力

預計未來5年，該技術在行業(yè)內的推廣潛力可達到55%，預計總投入60億元，年節(jié)能能力141萬tce/a，減排能力373萬tCO2/a。 2100433B

應用單位：北京公交集團

技術提供單位：蘇州驛力機車科技股份有限公司

建設規(guī)模：1000臺公交車。主要技改內容：通過在用車技術改造和更新車標配，在公交車裝配采用發(fā)動機智能冷卻技術的冷卻裝置。已經(jīng)實施的情況：2009年在用車進小批量技改換裝，一種車型換裝發(fā)動機智能冷卻技術的設備；2010年技改換裝量72臺，三種車型換裝發(fā)動機智能冷卻技術的設備；2011年技改換裝量612臺，采購新車標配290臺，共八種車型換裝發(fā)動機智能冷卻技術的設備。建設期：2年。項目投資總額1025.8萬元，年節(jié)能量為1998噸標準煤，年節(jié)能經(jīng)濟效益約829.6萬元，投資回收期約14個月

2012年3月14日，中國機械工業(yè)聯(lián)合會受國家科學技術委員會委托，組織召開對ATS技術的”國家高新技術企業(yè)科技成果鑒定”會議，由方茂東、王秉剛、陳全世等九位著名專家組成的鑒定委員會一致認為：ATS技術“總體技術達國際先進水平”。

2009年，獲“影響中國客車業(yè)2009年度中國客車技術應用創(chuàng)新貢獻獎”

2011年，獲“2011第六屆中國國際客車大賽中國客車零部件技術創(chuàng)新獎”

2011年，獲“中國客車零部件創(chuàng)新獎”

發(fā)動機智能冷卻技術的冷卻功率消耗，僅占發(fā)動機的有效功率的比率約為2%，功率消耗降低了80%。對應于整車的燃料消耗降低率為≥5%。

1.技術原理

傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的”非溫控”、”非按需散熱”、”非獨立換熱器”等三個”三非”主要特點，是商用車輛燃耗高的主要原因。發(fā)動機智能冷卻系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能技術模擬了發(fā)動機臺架實驗工況的水、氣溫度條件，將臺架試驗時的良好條件”移植”到整車，使發(fā)動機在整車上得到良好應用。同時，采用了低能耗的新型驅動管理技術，綜合降低了燃耗。

2.關鍵技術

（1）冷卻系統(tǒng)的產品架構設計技術，解決了困擾商用車冷卻系統(tǒng)設計的“二元換熱”理論數(shù)學模型問題。

（2）將發(fā)動機臺架試驗工況理想狀態(tài)，成功”移植”于整車使用，整車維持最佳水、氣溫度，提高發(fā)動機熱效。

（3）先進的冷卻系統(tǒng)設計架構、實時溫度控制策略和獨立換熱器布置型式。

（4）全數(shù)字化、閉環(huán)式的電控系統(tǒng)控制設計方案，”PWM”脈寬調制波變頻控制技術、數(shù)字化傳感技術、“AVF”直流變頻、變壓、變流等變控技術。溫控方式ECU化、變頻化、實時化、恒溫化。

（5）專用高效換熱器設計技術。

3.工藝流程

工藝流程如圖1所示。

一、技術名稱：發(fā)動機智能冷卻技術

三、與該技術相關的能耗及碳排放現(xiàn)狀

由于冷卻系統(tǒng)對于發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性、可靠性具有綜合性的影響，發(fā)動機智能冷卻技術作為傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的升級換代新技術，不僅有效提升了發(fā)動機的性 能、降低了燃料消耗、污染排放總量和噪聲，而且具有成本低、效益好、安全可靠 等優(yōu)勢，因此必將得到廣泛推廣應用。應用該技術可實現(xiàn)節(jié)能量3萬tce/a，CO2減排約8萬t/a。

《用于發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的副水箱和發(fā)動機冷卻系統(tǒng)》涉及發(fā)動機領域，更具體地說，涉及一種用于發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的副水箱和發(fā)動機冷卻系統(tǒng)。

薄膜冷卻　由液體推進劑或氣體在受熱壁面上形成薄膜阻止燃氣向壁面?zhèn)鳠岬睦鋮s方式分別稱為液膜冷卻或氣膜冷卻。液體火箭發(fā)動機的推力室在熱流密度最大的噴管喉部附近采用液膜冷卻，更多的是在噴注器周邊設置一圈低混合比的噴嘴或燃料直流射孔，在燃燒室內壁面附近形成低溫邊區(qū)或薄膜，把中心區(qū)高溫燃氣與壁面隔開。渦輪噴氣發(fā)動機的渦輪葉片和火焰筒常用氣膜冷卻，葉片溫度可降低400～600°C。有的液體火箭發(fā)動機把渦輪排氣引入推力室噴管，對噴管內壁進行氣膜冷卻。

發(fā)汗冷卻 　也稱發(fā)散冷卻。受熱件用多孔材料制成，冷卻劑通過微孔滲出受熱表面把熱量帶走，同時在壁面上形成一層冷卻薄膜，有很好的冷卻效果。由于研制多孔材料比較困難，碳氫燃料燃燒后的積碳容易堵塞微孔，這種冷卻方式未能廣泛應用,僅用于液氧-液氫發(fā)動機噴注器面板的冷卻。

燒蝕冷卻 　廣泛用于固體火箭發(fā)動機的噴管（見燒蝕防熱、燒蝕材料）。還有一種自冷卻方式，機理與燒蝕冷卻類似，用多孔鎢作基體，滲入銀、銅、鋅等熔點較低的材料，遇熱時熔點低的材料升華逸出而起冷卻作用?；w鎢難熔耐蝕，能保持外形，適用于制作固體火箭發(fā)動機噴管喉襯。

輻射冷卻 　利用熾熱物體的熱輻射向外散熱。輻射冷卻一般用于火箭發(fā)動機中熱流密度較小的噴管延伸段、燃氣溫度較低的燃氣發(fā)生器和單元推進劑分解的推力室?；钊桨l(fā)動機汽缸頭的黑色散熱片也起輻射散熱作用。提高輻射散熱效果主要靠選用耐高溫材料制造受熱零件；其次靠提高表面黑度，即在壁面上涂黑度0.85以上的高溫涂料。

隔熱層 　在受熱壁面上涂敷或粘貼導熱率低的耐高溫材料，減少燃氣向壁傳熱。常用的隔熱材料如氧化鋯、氧化鋁等適用于液體火箭發(fā)動機；石墨、碳化鎢、陶瓷等適用于固體火箭發(fā)動機；陶瓷、高溫隔熱漆、石棉等適用于渦輪噴氣發(fā)動機。

不同的冷卻方式可以分別使用，也可以同時使用。如液體火箭發(fā)動機的推力室同時采用對流冷卻和薄膜冷卻（見圖）；渦輪噴氣發(fā)動機的渦輪葉片同時采用噴射冷卻和氣膜冷卻。

對流冷卻 　冷卻劑流過受熱零件壁面，靠對流傳熱將熱量帶走，如對著受熱壁面噴射冷卻劑以提高對流冷卻的效果（稱為噴射冷卻）。對流冷卻廣泛用于發(fā)動機的各種受熱零、組件。航空發(fā)動機的渦輪葉片采用空氣對流冷卻，可使葉片溫度降低200～250°C，液體火箭發(fā)動機的推力室用推進劑的一種組元作為冷卻劑，使其流過冷卻套來冷卻室壁，然后進入燃燒室參加燃燒，這種冷卻方式稱為再生冷卻。如果流過冷卻套的推進劑由噴管末端一周小孔直接排出，則稱為排放冷卻。這種方法適用于以氫作冷卻劑的推力室，排放射流也能產生一部分推力。