智能化汽車尾氣再循環(huán)（EGR）冷卻器試驗臺研制

盛珣華（北京理工大學珠海學院，廣東 珠海 519085）

廢氣再循環(huán)（EGR）冷卻器技術(shù)是將發(fā)動機排出的定量廢氣回送到混流器與新鮮空氣混合后進入氣缸，由于廢氣再循環(huán)使得燃燒溫度降低，氧的相對濃度降低，NOx有害排放得以減少。冷卻器是廢氣再循環(huán)裝置中的重要元件，它通過降低廢氣溫度，使廢氣再循環(huán)更有效。

隨著EGR冷卻器制造技術(shù)的提高及國內(nèi)外市場的巨大需求，面臨的緊迫問題是冷卻器性能測試平臺短缺。 調(diào)查顯示，很少有非換熱器公司具有EGR換熱器性能測試實驗臺，即使已有的試驗臺，其中多半的測試手段和方法已相對落后。設(shè)計一套自動化程度高、測量準確、操作簡單、適用范圍廣的EGR換熱器性能實驗系統(tǒng)，對我國EGR產(chǎn)業(yè)的發(fā)展能夠起到一定的推動作用。一方面能夠為以后的EGR冷卻器的性能參數(shù)提供可靠方便的測試平臺；另一方面為以后我國制定EGR冷卻器性能參數(shù)的行業(yè)標準提供有效數(shù)據(jù)及技術(shù)支持。

1 智能化ERG冷卻器試驗臺總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)國家有關(guān)標準及換熱器性能實驗的實驗原理，首先對實驗系統(tǒng)的硬件進行了總體的設(shè)計，在此設(shè)計基礎(chǔ)上搭建實驗臺并在建立過程中作出相應(yīng)的改進和調(diào)整。通過實驗?zāi)軌虼_定廢氣再循環(huán)（EGR）冷卻器的傳熱性能，給出不同定性溫度下傳熱系數(shù)與流速之間的關(guān)系，建立努謝爾準則數(shù)與雷諾數(shù)之間的準則方程式；確定EGR冷卻器的流體阻力性能，給出壓力降與流速之間的關(guān)系。

1.1 試驗臺性能要求

（1） 有燃氣發(fā)生器作為氣源，其壓力為0.1～0.3MPa，溫度為200～600℃，流量為35～150kg/Hr可調(diào)。

（2） 有溫度流量可調(diào)的水源。

（3） 同時記錄進出氣與進出水的溫度和壓力。

（4） 自動計算和打印出各試驗點的熱流和總傳熱系數(shù)。

1.2 試驗臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

實驗臺系統(tǒng)由實驗臺本體、高溫燃氣發(fā)生器、空氣冷卻器、熱水源及可控硅溫度控制器五大件組成。五大件各自獨立，有較大靈活性。系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 試驗臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

實驗臺本體結(jié)構(gòu)緊湊，實驗用的換熱器置于高溫燃氣發(fā)生器廢氣出口上。水箱、管路、水泵、渦輪流量計、調(diào)節(jié)閥、加熱器及電阻溫度計組合成一個獨立的冷卻熱水源。三相可控硅溫控裝置溫度控制精度為±0.1℃。為了防止水中有雜質(zhì)與顆粒堵塞流量計并造成溫度計與壓力計的測量誤差，管路中設(shè)計加裝過濾器，過濾器可以定期取出沖洗除污。冷卻水的散熱系統(tǒng)除了水箱本身具有散熱能力外，冷卻水系統(tǒng)的管路中安裝空氣冷卻器，空氣冷卻器主要利用空氣來將熱水傳遞給冷水的熱量帶走，冷卻介質(zhì)采用空氣，一是盡管考慮到如果采用水冷，效果比空氣冷卻好，但是水資源的消耗較大；二是空氣資源十分豐富，且實驗過程中沒污染。

換熱器中流體流動形式可認作為二次叉流，水-氣流向為逆流。需測參數(shù)共計11個：換熱器進、出水溫度和壓力（4個），進、出廢氣溫度和壓力（4個），大氣溫度，水流量及廢氣流量。水側(cè)和氣側(cè)進出口溫度用銅-康銅熱電偶測量。水側(cè)進出口溫度測點布置在換熱器進出口水管內(nèi)；進口空氣溫度測點布置在緊靠換熱器的進口截面處，用3對熱電偶并聯(lián)進行測量；空氣出口溫度測點2布置在換熱器出口截面后的均溫段出口處，用9對熱電偶并聯(lián)進行測量。換熱器內(nèi)水流量用渦輪流量計測量，空氣流量用風機進風口內(nèi)的畢托管及微差壓傳感器進行測量。

實驗設(shè)計中，傳感器的選型與設(shè)計安裝是十分重要的，它們是實驗結(jié)果的精度與實驗系統(tǒng)設(shè)計成功與否的關(guān)鍵。具體要求如下：

（1）流量計：渦輪流量計應(yīng)安裝在水平直管段上，其渦輪上游直管段長度應(yīng)不小于20倍管徑，下游直管段長度應(yīng)不小于15倍管徑。在儀表的上游直管段起始端應(yīng)安裝過濾器；測量廢氣流量的板孔式流量計可以安裝在水平或垂直管道上，安裝時必須注意流體流向與流量計箭頭標示方向一致。測量管段內(nèi)所有密封墊片，夾緊后不得突入管道內(nèi)，否則會使流速紊亂，影響測量精度。流量計前后要有足夠長的直管段。在新鋪設(shè)的管路上安裝流量計時，應(yīng)在清掃管線之后再安裝。

（2）溫度測量：測溫元件的感溫點應(yīng)位于管道中心，其保護管的插入深度L應(yīng)按溫度計使用說明書的規(guī)定；溫度保溫管的安裝應(yīng)符合規(guī)定。當管道公稱直徑大于Dg80mm時，垂直安裝法進行安裝；當管道公稱直徑小于或等于Dg80mm時，可以傾斜安裝、在管道彎頭處安裝或在擴大管處安裝；測溫點的上、下游各處300mm范圍內(nèi)，保溫層應(yīng)盡可能加厚，換熱器、混合器、測溫點之間的全部管線應(yīng)保溫良好。

（3）壓力（差壓測量）：靜壓測孔應(yīng)設(shè)置在距離任何擾動區(qū)（彎管、閥門等）下游至少5倍管徑、上游至少2倍管徑處。靜壓測孔應(yīng)與測壁面垂直。

水側(cè)和廢氣側(cè)進出口溫度用電熱阻溫度計測量，水側(cè)和廢氣側(cè)進出口壓力用擴散硅壓力傳感器測量。換熱器內(nèi)水流量用渦輪流量計測量，廢氣流量用板孔式流量計進行測量。所用傳感器都采用屏蔽線與控制柜及計算機進行連接，這是考慮到遠距離傳輸中防止傳輸信號受到干擾。為了方便校驗、觀測與控制，實驗系統(tǒng)采用了控制柜的儀表與計算機并行監(jiān)測現(xiàn)場信號的處理方法。在系統(tǒng)調(diào)試運行正常后，將控制柜放置在現(xiàn)場，而核心部件計算機則放置在計算機房，進行遠程控制，這樣也可以實現(xiàn)手動與自動兩種不同的控制方法。

2 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)由溫度、壓力及流量傳感器及變送器、控制柜內(nèi)的二次顯示儀表、I/V轉(zhuǎn)換板、AD板卡、DA板卡、變頻器、冷卻水泵、高溫燃燒器進氣控制閥及控制計算機組成，如圖2所示。

系統(tǒng)中使用的電熱阻溫度計輸出電流信號，渦輪流量計輸出脈沖信號，擴散硅壓力計輸出電流信號，溫度與流量信號都送往控制柜中的二次顯示儀表與計算機并聯(lián)顯示，所有的可遠傳信號最后都變成電流信號送往I/V轉(zhuǎn)換板，經(jīng)AD板卡變成數(shù)字信號后被計算機接收。

控制方法采用的反饋控制，主要對制冷劑（即水）流量和高溫燃氣發(fā)生器的負荷進行控制，由計算機傳出的控制量經(jīng)DA板卡變成模擬信號后送變頻器來調(diào)節(jié)控制冷水泵的轉(zhuǎn)速，和高溫燃氣發(fā)生器的進氣閥門開度和燃油泵的轉(zhuǎn)速，從而達到控制流量的目的。

圖2 測控系統(tǒng)流程圖

3 實驗步驟與結(jié)果

3.1 實驗步驟

（1）接通可控硅溫控裝置電源，開啟溫控裝置，設(shè)定熱水的加熱溫度；

（2）開啟回水閥，開啟水泵，改變調(diào)節(jié)閥開度調(diào)節(jié)水流量；

（3）開啟風機，將風門開到最大開度；

（4）開啟高溫燃氣發(fā)生器，最大負荷；

（5）待水溫到達設(shè)定溫度并穩(wěn)定30分鐘后，讀取有關(guān)數(shù)據(jù)（注意水流量也應(yīng)穩(wěn)定）；

（6）逐次減小高溫燃氣發(fā)生器的負荷改變實驗工況，改變一次工況穩(wěn)定30分鐘后再讀數(shù)據(jù)。

3.2 實驗結(jié)果

對不同的EGR冷卻器型式，通過簡單的安裝，可以在本實驗臺系統(tǒng)上得到該冷卻器的一系列性能參數(shù)，由此可對冷卻器的傳熱性能進行評價和比較。

實驗過程中，系統(tǒng)的溫度、流量、加熱功率可依靠計算機進行調(diào)節(jié)、切換等，當實驗件的水進口溫度穩(wěn)定在某一工況且系統(tǒng)處于熱平衡（大流量工況<,小流量工況<）狀態(tài)時，進行數(shù)據(jù)的采集（采集有兩種方式，一種是由計算機自動采集，另一種計算機鍵盤采集）、計算、整理，打印實驗數(shù)據(jù)。

試驗數(shù)據(jù)輸出包括：（1）打印或抄錄實驗數(shù)據(jù)表；（2）標準傳熱量傳熱系數(shù)阻力壓降與氣側(cè)雷諾數(shù)的關(guān)曲線等。

[1] 向飛等. 廢氣再循環(huán)（EGR）冷卻器設(shè)計的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 中國水運.

[2] 李志強等. 國外廢氣再循環(huán)（EGR）冷卻器制造技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].汽車工藝與材料.