廢氣再循環(huán)冷卻器性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的開發(fā)

田 維，張 洵，韓志強(qiáng)

(西華大學(xué) 汽車與交通學(xué)院， 成都 610039)

廢氣再循環(huán)冷卻器性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的開發(fā)

田 維，張 洵，韓志強(qiáng)

(西華大學(xué) 汽車與交通學(xué)院， 成都 610039)

廢氣再循環(huán)(EGR)冷卻器的性能是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵因素之一。為了滿足汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理EGR部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求，基于現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架開發(fā)了一套EGR冷卻器性能教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用LabVIEW軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、顯示和存儲(chǔ)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)冷卻器進(jìn)氣溫度、進(jìn)水溫度、氣體流量和冷卻水流量的主動(dòng)控制，完成不同型號(hào)的EGR冷卻器在不同條件下的換熱效率和壓降測(cè)試等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?；谠撈脚_(tái)的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，平臺(tái)所具備的功能達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，不僅能夠用于完成與理論教學(xué)環(huán)節(jié)相匹配的實(shí)驗(yàn)課程，還能用于本科生能力拓展實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究。通過(guò)EGR冷卻器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)環(huán)節(jié)相結(jié)合有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)、實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)； 廢氣再循環(huán)； 冷卻器； 性能測(cè)試

0 引 言

節(jié)能減排成為當(dāng)今社會(huì)的主題，廢氣再循環(huán)(Exhaust Gas Recirculation，EGR)技術(shù)具有汽油機(jī)節(jié)能、柴油機(jī)減排的潛力而被廣泛應(yīng)用[1-6]。按EGR氣體引入方式可分為內(nèi)部EGR、外部EGR和氣缸間EGR。由于電控式外部高壓EGR控制靈活，對(duì)新鮮進(jìn)氣量影響較小和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等因素而成為EGR技術(shù)的發(fā)展方向，其應(yīng)用也更廣泛[7-9]。外部高壓EGR氣體溫度較高，為了提高充量系數(shù)和改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能，在實(shí)際使用中需要利用EGR冷卻器對(duì)EGR氣體進(jìn)行冷卻。EGR冷卻器本質(zhì)上是一個(gè)熱交換器，實(shí)現(xiàn)高壓EGR氣體與冷卻液的熱交換過(guò)程，達(dá)到控制EGR氣體溫度的目的。EGR冷卻器的性能是影響整個(gè)EGR系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)的研究[10-12]。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷革新，迫切需要將發(fā)動(dòng)機(jī)上的新技術(shù)加入到教學(xué)工作當(dāng)中來(lái)以滿足未來(lái)學(xué)生的工作和發(fā)展需要。EGR技術(shù)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一是教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容，因此亟需構(gòu)建廢氣再循環(huán)冷卻器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)并與理論教學(xué)環(huán)節(jié)相配合，更好地幫助學(xué)生掌握EGR冷卻器結(jié)構(gòu)、原理及其性能表現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響[13-15]。EGR冷卻器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)主要包括針對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式、不同使用條件下的冷卻器進(jìn)行換熱效率和壓降的測(cè)試和評(píng)價(jià)。EGR冷卻器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)為學(xué)生探索EGR冷卻器性能影響因素和改進(jìn)EGR冷卻器提供實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

EGR冷卻器的性能實(shí)驗(yàn)主要涉及兩個(gè)指標(biāo)的測(cè)量，即傳熱效率和壓力損失的測(cè)量，其測(cè)量原理圖如圖1所示。

圖1 測(cè)量原理示意圖

在冷卻器的進(jìn)氣端和出氣端均安裝有溫度傳感器和壓力傳感器，分別測(cè)量進(jìn)氣和出氣的溫度和壓力參數(shù)；在冷卻器進(jìn)、出水口均安裝有溫度傳感器，用于測(cè)量冷卻液進(jìn)出冷卻器時(shí)的溫度。

1.1EGR冷卻器換熱效率測(cè)量原理

在充分換熱的理想情況下，EGR氣體的出口溫度能達(dá)到與EGR冷卻液進(jìn)口溫度相同的溫度，此時(shí)換熱效率達(dá)到最大，規(guī)定此條件下的換熱效率為100%。定義EGR冷卻器的換熱效率η為實(shí)際進(jìn)、出口氣體的溫度差與進(jìn)口氣體溫度和冷卻水進(jìn)口溫度差的比值，

(1)

式中：TEGR進(jìn)為EGR氣體進(jìn)入冷卻器之前溫度，℃；TEGR出為EGR氣體經(jīng)過(guò)冷卻器之后的溫度，℃；Tcool進(jìn)為冷卻液進(jìn)入冷卻器時(shí)的溫度，℃。

1.2壓降的測(cè)量原理

EGR冷卻器的壓降指的是EGR氣體在經(jīng)過(guò)EGR冷卻器時(shí)由于管路變化和壁面摩擦等因素導(dǎo)致的局部壓力損失和沿程損失等壓力損失的總和，定義EGR冷卻器的壓降損失為EGR冷卻器進(jìn)口處氣體壓力與EGR冷卻器出口處氣體壓力的差值，即

Δp=p進(jìn)-p出

(2)

式中：p進(jìn)為EGR冷卻器進(jìn)口處氣體壓力，Pa；p出為EGR冷卻器出口處氣體壓力，Pa。

2 EGR冷卻器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)原理所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置主要由EGR冷卻器、EGR流量控制部件、冷卻液恒溫系統(tǒng)、傳感器等零部件組成，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)所需EGR氣體由現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架提供，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中EGR冷卻器的進(jìn)氣端直接與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管取氣口相連即可。

圖2 EGR冷卻器性能測(cè)試平臺(tái)示意圖

EGR流量控制部件由EGR閥和孔板式流量計(jì)組成，用于測(cè)量和調(diào)節(jié)流經(jīng)EGR冷卻器的氣體流量?？装迨搅髁坑?jì)根據(jù)氣體溫度和孔板前后的壓差可測(cè)量出流經(jīng)EGR冷卻器的標(biāo)態(tài)體積流量，基于所測(cè)得的氣體流量手動(dòng)調(diào)節(jié)EGR閥的開度，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)EGR氣體流量的控制。

冷卻液恒溫系統(tǒng)主要由冷卻液恒溫水槽(帶加熱功能)、散熱器和可變流量水泵組成。冷卻液恒溫水槽可實(shí)現(xiàn)冷卻液加熱和保溫；散熱器安裝于EGR冷卻器出水口和恒溫水槽之間，用于散失冷卻液從EGR氣體中所吸收的熱量；可變流量水泵用于提供和調(diào)節(jié)流經(jīng)EGR冷卻器的冷卻液流量。冷卻液恒溫水槽、散熱器和可變流量水泵三者合理匹配即可實(shí)現(xiàn)冷卻器入口處冷卻液溫度和流量的主動(dòng)控制。主要設(shè)備及參數(shù)：孔板流量計(jì)流量0～60 m3/h，恒溫水槽溫度范圍：～100 ℃，可調(diào)流量水泵流量范圍0～27 L/min。

傳感器主要包括溫度傳感器和壓力傳感器。溫度傳感器主要包括：冷卻器進(jìn)氣溫度傳感器、冷卻器出氣溫度傳感器、冷卻液進(jìn)水溫度傳感器和冷卻液出水溫度傳感器，基于上述溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)和式(1)即可計(jì)算出冷卻器的換熱效率；壓力傳感器主要包括冷卻器進(jìn)氣壓力傳感器和冷卻器出氣壓力傳感器，基于上述壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)和式(2)即可計(jì)算出冷卻器的壓降。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)傳感器及主要參數(shù)：EGR氣體溫度傳感器量程0～600 ℃，EGR氣體壓力傳感器量程0～0.4 MPa，冷卻液溫度傳感器量程0～200 ℃。

2.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用LabVIEW[16-17]軟件編譯的采集程序進(jìn)行采集、處理、顯示和存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

整個(gè)采集系統(tǒng)主要采集EGR氣體經(jīng)過(guò)EGR冷卻器前后的EGR氣體溫度、EGR氣體壓力和EGR冷卻液進(jìn)出口溫度等參數(shù)，所有采集參數(shù)下：EGR冷卻器前氣體溫度，℃；EGR冷卻器前氣體壓力，kPa；EGR冷卻器后氣體溫度，℃；EGR冷卻器后氣體壓力，kPa；EGR冷卻液進(jìn)口溫度，℃；EGR冷卻液出口溫度，℃。本采集系統(tǒng)主要由通訊模塊、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)4部分組成。通信模塊主要是利用通用串行總線(USB)和NI采集卡將溫度傳感器和壓力傳感器的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)傳給上位機(jī)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理；數(shù)據(jù)處理主要是將采集的相關(guān)信號(hào)進(jìn)行一些濾波處理和數(shù)學(xué)運(yùn)算以輸出需要的數(shù)據(jù)結(jié)果；數(shù)據(jù)顯示用于顯示處理過(guò)的信號(hào)，可觀察實(shí)驗(yàn)時(shí)整個(gè)EGR測(cè)試系統(tǒng)的狀態(tài)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要是為了保存原始數(shù)據(jù)，便于實(shí)驗(yàn)完成后可以分析、處理數(shù)據(jù)，得出相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和規(guī)律。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的操作界面如圖3所示，主要包括溫度顯示控件、壓力顯示控件、壓降實(shí)時(shí)顯示曲線圖、換熱效率實(shí)時(shí)顯示曲線圖和控制控件，可直觀地顯示各采集點(diǎn)的溫度、壓力等原始參數(shù)以及經(jīng)過(guò)相關(guān)計(jì)算后的換熱效率和壓降數(shù)據(jù)和波形圖。

圖3 數(shù)據(jù)采集界面

基于臺(tái)架實(shí)驗(yàn)需求設(shè)計(jì)采集系統(tǒng)程序，程序框圖如圖4所示。采集程序主要包括采集模塊、濾波模塊、數(shù)值運(yùn)算模塊、顯示模塊、存儲(chǔ)模塊和控制模塊。

3 EGR冷卻器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

3.1實(shí)驗(yàn)功能設(shè)計(jì)

(1) 了解和掌握EGR冷卻器的工作原理及其結(jié)構(gòu)；

圖4 數(shù)據(jù)采集程序框圖

(2) 熟悉換熱效率和壓降的定義，掌握換熱效率和壓降的測(cè)試原理及方法；

(3) 用于教學(xué)和科研實(shí)驗(yàn)中測(cè)量不同類型換熱器在不同試驗(yàn)環(huán)境下的換熱效率和壓降，評(píng)價(jià)不同類型和不同邊界條件下?lián)Q熱器的性能；

(4) 拓展性實(shí)驗(yàn)和研究性實(shí)驗(yàn)，如冷卻器結(jié)構(gòu)參數(shù)、冷卻液溫度等對(duì)換熱效率和壓降的影響規(guī)律研究，還可用于冷卻器可靠性實(shí)驗(yàn)。

3.2實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)

(1) 按照發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架操作規(guī)程啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)并運(yùn)行至實(shí)驗(yàn)所需工況；

(2) 打開EGR閥和冷卻液流量控制閥，檢查并確保整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)無(wú)漏氣、漏水現(xiàn)象；

(3) 檢查并確保各傳感器正常工作，采集系統(tǒng)工作正常；

(4) 所有儀器設(shè)備和采集系統(tǒng)正常工作后開始實(shí)驗(yàn)，待所有參數(shù)穩(wěn)定后按照表3采集并記錄相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

(5) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案完成所有實(shí)驗(yàn)后逐步調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況至怠速；

(6) 關(guān)閉EGR閥；

(7) 冷卻液溫度降至室溫后關(guān)閉冷卻液流量控制閥；

(8) 停止發(fā)動(dòng)機(jī)；

(9) 若需要更換不同型號(hào)的冷卻器則更換冷卻器后重復(fù)步驟(1)～(8)可獲得不同型號(hào)冷卻器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

(10) 整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并繪制相關(guān)圖表。

3.3實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用實(shí)例

利用設(shè)計(jì)的EGR冷卻器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟分別對(duì)4種不同型號(hào)EGR冷卻器進(jìn)行臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件：EGR進(jìn)氣溫度260 ℃，EGR氣體流量30 L/min，冷卻液入口溫度50 ℃。

根據(jù)采集的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用式(1)和(2)分別求得4種不同型號(hào)EGR冷卻器的換熱效率和壓降。由圖5(a)可以看出，Ⅰ型EGR冷卻器的換熱效率與型號(hào)Ⅲ、Ⅳ接近，高于型號(hào)Ⅱ；但是它的壓降與型號(hào)Ⅱ相同，低于型號(hào)Ⅲ、Ⅳ，如圖5(b)所示。由此可以看出，Ⅰ型號(hào)EGR冷卻器的性能優(yōu)于其他3種型號(hào)的EGR冷卻器。

(a) 不同型號(hào)EGR冷卻器換熱效率

(b) 不同型號(hào)EGR冷卻器壓降

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)EGR冷卻器性能測(cè)試原理，基于現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架設(shè)計(jì)了相適應(yīng)的廢氣再循環(huán)冷卻器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并利用LabVIEW開發(fā)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)功能設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)步驟，并基于所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行了不同類型的EGR冷卻器的傳熱效率和壓降實(shí)驗(yàn)。

EGR冷卻器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有利于實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)相結(jié)合，是前沿科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的具體體現(xiàn)。此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展有助于本科學(xué)生的實(shí)踐能力鍛煉，可加深學(xué)生對(duì)EGR冷卻器相關(guān)知識(shí)的理解，激發(fā)學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。EGR冷卻器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)及相關(guān)專業(yè)大學(xué)本科生開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，同時(shí)也可用于課外拓展性研究和相關(guān)領(lǐng)域科研工作。

[1] 朱 濤.EGR對(duì)汽油機(jī)排放和性能影響的研究(D).天津:天津大學(xué),2004.

[2] 張 韋,舒歌群,沈穎剛,等.EGR與進(jìn)氣富氧對(duì)直噴柴油機(jī)NO和碳煙排放的影響[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2012,30(1): 16-21.

[3] 潘鎖柱,宋崇林,等.EGR對(duì) GDI 汽油機(jī)燃燒和排放特性的影響[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2012,30(5): 409-414.

[4] Ladommatos N,Abdelhalim S,Zhao H,etal.The dilution,chemical and thermal effects of exhaust gas recirculation on diesel engine emission (I)：Effect of reducing inlet charge oxygen [C]//SAE Technical Paper.Detroit,USA,1996,961165.

[5] Ladommatos N,Abdelhalim S,Zhao H,etal.The dilution,chemical and thermal effects of exhaust gas recirculation on diesel engine emissions (II) ：Effects of carbon dixide [C]// SAE Technical Paper.Detroit,USA,1996,961167.

[6] 田 徑.基于EGR 耦合多段噴射實(shí)現(xiàn)超低排放研究[D].吉林:吉林大學(xué),2010.

[7] 高 亮.柴油機(jī)廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2013(9):16-19.

[8] 王新超.EGR在甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用研究[D].吉林:吉林大學(xué),2013.

[9] 朱云堯,趙昌普.燃燒室形狀、廢氣再循環(huán)和噴油策略對(duì)柴油機(jī)性能及排放的影響[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車,2013,42(6): 68-75.

[10] 周 革.EGR技術(shù)對(duì)柴油機(jī)排放和性能影響的試驗(yàn)研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2007.

[11] Abarham M,Hoard J,Assanis D,etal.Numerical modeling and experimental investigations of EGR cooler fouling in a diesel engine[C]//SAE Technical Paper,Detroit,USA,2009,2009-01-1506.

[12] Zhan R,Eakle S,Miller J,etal.EGR system fouling control[J].SAE Int J Engines,2009(1):59-64.

[13] 吳敏華,李志平．實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)與實(shí)驗(yàn)課程體系構(gòu)建[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2011,28(10):105-108.

[14] 孫 英,邢慶國(guó),翁 玲．培養(yǎng)“90”后大學(xué)生創(chuàng)新能力的實(shí)踐與探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2016,33(4):172-175.

[15] 饒震紅,杜鳳沛.從提高科技競(jìng)爭(zhēng)力視角思考本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)涵建設(shè)[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2015,32(12):13-15，29.

[16] 劉玉鈴,張永波,楊冠軍,等.LabVIEW 在CRH380BL 高速動(dòng)車組調(diào)試中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2013(1): 176-179．

[17] 李 欣,謝 宏.虛擬儀器技術(shù)在通信原理教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2014,33(5): 155-159.

Design of Experimental Platform for Exhaust Gas Recirculation Cooler Performance Test

TIANWei,ZHANGXun,HANZhiqiang

(School of Automobile & Transportation,Xihua University,Chengdu 610039,China)

The performance of EGR (Exhaust Gas Recirculation) cooler is one of the key factors that affect the engine performance.In order to satisfy the experimental teaching of testing the performance of EGR cooler an experimental platform was built.This experimental platform mainly based on existing engine test bench and the LabVIEW was used for data acquisition,data processing,data storage and data displaying.The inlet gas temperature,inlet cooling water temperature,gas flow rate and cooling water flow rate could be controlled,so it could be used for different type of EGR cooler performance test.The results of the examples based on this platform show that the performance of this platform achieves the experimental teaching requirement.This platform can be used not only for experimental teaching purpose,but also for undergraduate students’ ability development and scientific research.That the EGR performance test experimental teaching combines with theoretical teaching is propitious to cultivate the students’ engineering quality,practical ability and scientific innovative consciousness.

experimental teaching platform; exhaust gas recirculation(EGR); cooler; performance test

2016-11-03

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201410623001)；教育部春暉計(jì)劃項(xiàng)目(Z2015083)

田 維(1981-)，男，四川成都人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)工作過(guò)程優(yōu)化及控制。

Tel.:028-87726799,13666290078; E-mail:tianviv@qq.com

TK 311

：A

：1006-7167(2017)07-0046-04