EGR冷卻器技術(shù)及制造工藝分析

王建東

摘要：文章簡單介紹了廢氣再循環(huán)（EGR）冷卻器技術(shù)以及幾種常見的冷卻器類型，分析了選擇冷卻器型號的標(biāo)準(zhǔn)以及換熱管尺寸規(guī)格、冷卻器流動(dòng)方式、管子排列等設(shè)計(jì)方法，探討了其制造工藝，主要包括一期的裝配、激光焊接、裝配與二期的真空釬焊。

關(guān)鍵詞：廢氣再循環(huán)；冷卻器類型；尺寸規(guī)格；制造工藝

隨著人們生活水平的提高，許多居民，特別是城市居民都擁有了私家車，尾氣污染問題得到了廣泛重視。EGR雖然能夠使NOx的排放得到降低，但是會在一定程度上影響碳煙排放，降低燃油經(jīng)濟(jì)性與發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性，冷EGR技術(shù)可以冷卻高溫廢氣，使進(jìn)氣溫度降低，從而全面提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能。冷EGR系統(tǒng)中最重要的部件就是冷卻器，所以其設(shè)計(jì)與制造是十分重要的。

1.EGR冷卻器技術(shù)簡介

發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度較高，通常在650℃左右，若直接向氣管中引入廢氣，那么高溫廢氣會加熱進(jìn)氣，從而大大增加缸內(nèi)壓力和溫度，使EGR減少NOx的作用降低，在碳煙排放、燃油經(jīng)濟(jì)性、發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性等方面都會產(chǎn)生不良影響，所以目前大部分廠商在應(yīng)用EGR技術(shù)時(shí)都選擇EGR冷卻器技術(shù)。指以熱EGR技術(shù)為基礎(chǔ)，將EGR冷卻器加入系統(tǒng)內(nèi)，并當(dāng)作核心設(shè)備，經(jīng)過冷卻器的高溫再循環(huán)廢氣混合至新鮮進(jìn)氣中，能夠減少碳煙與NOx排放，降低燃油經(jīng)濟(jì)性。EGR冷卻器的性能好壞在很大程度上影響著冷EGR的技術(shù)效果，其不僅要具有壓力損失小、換熱效率高等普通換熱器的特點(diǎn)，還應(yīng)具有不易積碳、抗震、耐腐蝕和耐高溫等優(yōu)勢。

2.EGR冷卻器的常見類型

2.1板翅式換熱器

這種換熱器的傳熱元件包括翅片與板，其翅片在擾動(dòng)流體時(shí)會導(dǎo)致邊界層破裂，因此傳熱效率很高。相關(guān)報(bào)道顯示，相比于管殼式換熱器，板翅式換熱器具有更高的傳熱效率。與此同時(shí)，板翅式換熱器的制造材料通常是鋁合金，產(chǎn)品緊湊且輕巧、然而在制造板翅式換熱器時(shí)，有較高的工藝要求，流程繁瑣，遇冷后的高溫廢氣會積痰，從而造成堵塞，難以清理和檢修。

2.2管殼式換熱器

構(gòu)成管殼式換熱器的元件包括管束（含有許多管子）與一個(gè)殼體，管壁就是冷、熱流體完成換熱的換熱器。這種換熱器具有清洗方便、操作可靠、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，能夠使EGR冷卻器的制作要求得到滿足，在EGR冷卻器中得到了廣泛應(yīng)用。其常見形式有以下五種：①光管形式。在眾多管殼式換熱器中，這種形式最為基本和簡單，而且制造時(shí)無需較高的成本，方便清洗與檢修。但其具有傳熱面積小的缺點(diǎn)，光管無法擾動(dòng)流體，光管表面很容易沉積和附著EGR廢氣，降低傳熱效率。為滿足時(shí)代需求，這種冷卻器已經(jīng)逐漸被取代。②弓形折流板形式。其前身就是光管式EGR冷卻器，但多了弓形折流板，使殼程流體流速得到提高，傳熱系數(shù)增加。但這種冷卻器的殼程流體經(jīng)常會發(fā)生傳熱并出現(xiàn)流動(dòng)死角，難以充分利用傳熱面積，容易結(jié)垢，具有較大的流體阻力。如果管束被流體橫掠，很可能發(fā)生振動(dòng)，使冷卻器壽命縮短。③波紋管形式。其主要是采用滾壓設(shè)備處理光管，使之形成外凹內(nèi)凸的槽紋。變成波紋管后光管的換熱面積顯著增加，能夠擾動(dòng)內(nèi)外流體，使其邊界層受到破壞，強(qiáng)化內(nèi)外流體的傳熱，但是會增大流動(dòng)阻力，增加積碳。如今技術(shù)的進(jìn)步逐漸改善了該形式冷卻器的缺點(diǎn)，使其得到了廣泛應(yīng)用。④翅片形式。指將厚度、片距、高度均一定的翅片增設(shè)在光管上，使單位體積具有更大的有效傳熱面積，并且擾動(dòng)流體，使其邊界層受到破壞，傳熱系統(tǒng)提高。其布置形式包括套裝翅片與螺旋翅片兩種。⑤螺旋折流板形式。該種形式需要加工傳統(tǒng)弓形折流板，使之成為類似螺旋狀或螺旋狀折流板，促使流體沿殼程的運(yùn)動(dòng)同樣呈螺旋狀。這樣就不會遇到“死區(qū)”的情況，而且管束表面和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形成的渦流能通過相互作用提高傳熱系數(shù)，該過程中的高速旋轉(zhuǎn)介質(zhì)流可將沉積物與顆粒物沖走，以免發(fā)生殼側(cè)積炭。

3.EGR冷卻器的選型標(biāo)準(zhǔn)

EGR冷卻器目前有許多選型標(biāo)準(zhǔn)，最常見和基本的就是費(fèi)用、熱負(fù)荷、溫度、操作壓力、待處理流體類型等。EGR冷卻器除了要符合普通熱交換器的要求，還應(yīng)當(dāng)蠻子自身的特殊要求，如冷卻溫度不可過低。當(dāng)冷卻溫度過低時(shí)，排氣中凝結(jié)的水蒸氣會結(jié)合含硫化合物變成酸，酸性腐蝕聯(lián)接管路與冷卻器，使其可靠性降低、壽命縮短。EGR冷卻器以高溫的再循環(huán)廢氣為冷卻對象，所以其應(yīng)當(dāng)在換熱面積較小的情況下傳遞較多熱量，同時(shí)要盡量將其冷卻效率提高。具體而言，需要具備以下兩方面特點(diǎn)，其一是耐腐蝕、耐高溫；其二是可防堵塞、壓力損失小、散熱效率高、體積小。

4.EGR冷卻器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1換熱管的尺寸規(guī)格

EGR冷卻器中應(yīng)用的換熱管通常是薄壁、小直徑、橫截面呈圓形的管道，而且數(shù)量較多。在傳熱方面，管子的直徑小可以提高傳熱系數(shù)，使換熱器更加緊湊，然而這種情況會增大換熱器壓降，換熱器的管子外徑基本上均在6.35mm～50.8mm的范圍內(nèi)。在管長方面，在無相變換熱的情況下，增大管子的長度則會減小流動(dòng)截面積，增大流速，減小管程，同時(shí)在應(yīng)用長管時(shí)還會降低單位平方米的傳熱面比價(jià)，因此當(dāng)換熱面積一定時(shí)，為了提高換熱器的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)盡量縮小殼體直徑，采用較長的管子，在制造時(shí)遵循“符合使用與制造現(xiàn)場”的原則。

4.2管子的排列方式

管板上的管子能夠排列為同心圓、三角形與正方形等。其中同心圓可以緊湊排列，可以對于直徑小的換熱器比較適用，由于換熱直徑小，能夠安排較多的換熱管，同時(shí)在與殼體靠近處均勻布管，避免介質(zhì)發(fā)生短路。這種方法優(yōu)勢較多，比較常用。采用任何排列方法時(shí)都要控制殼體內(nèi)壁與最外圈換熱管外壁之間至少留有換熱管外徑1/4的距離，同時(shí)應(yīng)至少為8～10mm。

4.3冷卻器流動(dòng)方式

其流動(dòng)方式為冷熱流體逆流，也就是兩股流體在換熱器中平行且沿相反方向流動(dòng)。當(dāng)參數(shù)相同時(shí)，單流道換熱器采取這種流動(dòng)方式可達(dá)到最高效率；當(dāng)冷流體初溫相同與熱流體狀態(tài)相同時(shí)，與順流相比，逆流加熱的終溫更高；交換的熱量相同時(shí)，這種逆流換熱器只需要很小的換熱面積，可以制造出更加輕便、緊湊的換熱器。

5.EGR冷卻器的制造工藝

為了使冷卻器的強(qiáng)度、密封性、耐腐蝕與耐高溫等要求得到滿足，應(yīng)結(jié)合真空釬焊與激光焊接兩種工藝來制造芯子。采用的新型釬料與傳統(tǒng)鎳基釬料相比，耐腐蝕、耐高溫性能以及工藝性能均更強(qiáng)，而且與之配套的真空釬焊工藝能夠使EGR冷卻器具有更高的可靠性，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。加工生產(chǎn)冷卻器時(shí)，主要分兩期實(shí)施工藝。將激光焊接方法作為一期工藝，主要流程包括三點(diǎn)：首先是裝配，在第一主片上裝配管束，連接管束和冷卻器殼體；其次是激光焊接，將管束和主片、主片和殼體依次焊接在一起，接著進(jìn)行試漏；第三步是裝配，將支架等裝配好，檢查外觀與尺寸，認(rèn)真包裝后運(yùn)輸。將真空釬焊作為二期工藝，流程主要是加工零部件、組裝芯子、芯子填充焊料、點(diǎn)焊工件（如支架等）填充焊接其他部位、真空釬焊、檢測密封性與包裝產(chǎn)品等。

6.結(jié)束語

目前我國公認(rèn)的能夠使汽車NOx排放得到有效減少的措施就是冷卻EGR技術(shù)，操作方法簡單，受到了許多發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車生產(chǎn)廠家的青睞。最近幾年，為了滿足歐Ⅲ、歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)，EGR技術(shù)成為了必不可少的技術(shù)。而EGR冷卻器技術(shù)除了能達(dá)到精確控制與智能控制的目的，還可以使汽車尾氣中的NOx含量減少，從而達(dá)到國家排放法規(guī)的要求，避免汽車尾氣嚴(yán)重污染生活環(huán)境。