關(guān)于廢氣再循環(huán)（EGR）冷卻器設(shè)計研究

高金鈴 楊巍

摘 要：廢氣再循環(huán)冷卻器的應(yīng)用設(shè)計能夠有效降低汽車尾氣排放中氮氧化合物的含量，從而減少汽車行駛對空氣的污染。本文在闡述廢氣再循環(huán)冷卻器設(shè)計原理的基礎(chǔ)上，針對廢氣再循環(huán)冷卻器的性能要求和基本選型等設(shè)計問題進(jìn)行探究。

關(guān)鍵詞：廢氣再循環(huán)；冷卻器；氮氧化合物；換熱器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.043

當(dāng)前隨著汽車技術(shù)快速發(fā)展，汽車尾氣排放對大氣造成了更加嚴(yán)重的污染。柴油機(jī)作為汽車的主要動力，其在行駛過程中排放的氮氧化合物是危害大氣環(huán)境的重要因素。柴油機(jī)具有高效率、低能耗并具有良好的動力性和經(jīng)濟(jì)型，從實際應(yīng)用分析柴油機(jī)比汽油機(jī)能節(jié)省18%到28%的燃料，在未來動力的柴油化成為國際汽車領(lǐng)域的必然發(fā)展趨勢，在資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會構(gòu)建要求下怎樣控制氮氧化合物的排放量成為技術(shù)人員需要思考和解決的問題。利用廢棄再循環(huán)技術(shù)能夠有效控制汽車發(fā)動機(jī)氮氧化合物的排放。本文結(jié)合實際項目針對廢棄再循環(huán)冷卻器的設(shè)計和應(yīng)用問題展開探究，旨在能夠進(jìn)一步優(yōu)化廢棄再循環(huán)冷卻器的性能及相關(guān)參數(shù)。

1 廢氣再循環(huán)（EGR）冷卻器的設(shè)計原理

廢棄再循環(huán)主要是指在確保內(nèi)燃機(jī)動力性能不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)內(nèi)燃?xì)獾臏囟群拓?fù)荷大小將發(fā)動機(jī)排除的部分廢氣重新送回到進(jìn)氣管中，將廢氣和新空氣混合重新進(jìn)入氣缸中燃燒，從而降低廢氣和污染物的排放。循環(huán)廢氣的量一般用EGR率進(jìn)行表示進(jìn)入廢氣管廢氣質(zhì)量和進(jìn)入氣缸總氣體質(zhì)量的比值。廢氣再循環(huán)冷卻器對氮氧化合物生成以及燃燒過程的影響具體表現(xiàn)在以下幾個方面：第一，稀釋效應(yīng)，部分再循環(huán)廢氣會替代新鮮空氣，使得新鮮空氣的氧氣濃度降低，汽車行駛?cè)紵媲盎瘜W(xué)反應(yīng)和燃燒速度會在一定程度上降低，從而延長燃燒時間。同時在EGR的作用下氮氣和氧氣的接觸機(jī)會也會減少，在無形中減少了氮氧化合物的生成量。第二，熱效應(yīng)，再循環(huán)廢氣中的二氧化碳和水是三原子分子，具有較高的比熱容，在流動過程中會比空氣吸收更多的熱量，工質(zhì)總熱容量的增加會使得同等數(shù)量燃燒放熱的工質(zhì)溫度變化減少，從而減少冷卻器應(yīng)用過程中可能出現(xiàn)的壓升率過高問題。第三，化學(xué)效應(yīng)，在較高的溫度作用下，廢氣中的一氧化碳、水蒸氣會發(fā)生裂解，伴隨裂解出現(xiàn)的是熱量的吸收，由此降低缸內(nèi)的峰值溫度。

2 EGR率對發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性影響

通過應(yīng)用EGR能夠有效降低汽油發(fā)動機(jī)的氮氧化合物排放，但是在EGR率過大的情況下會出現(xiàn)燃燒惡化的現(xiàn)象，增大了燃油消耗率，在負(fù)荷不穩(wěn)定的情況下會加劇EGR燃燒的不穩(wěn)定，增加HC的排放。EGR率對氮氧化合物排放濃度和燃油消耗率的影響具體如圖2、圖3所示，在圖1中，空氣燃燒被作為一種參變量，由此可見，在EGR率增大的情況下能夠促進(jìn)氮氧化合物的排放。為了能夠有效提升氮氧化合物的凈化率和排放率需要采取有效措施增加燃油的消耗率。

3 ECR冷卻器的性能要求和類型

3.1 性能要求

ECR冷卻器是一種微通道換熱器、選型標(biāo)準(zhǔn)眾多，在選型過程中主要涉及到流體類型、工作壓力、溫度變化、熱負(fù)荷等需求。另外，EGR冷卻器不僅要滿足熱交換器的要求，還需要確保其自身冷卻溫度條件。如果冷卻溫度低會使得排氣中的水蒸氣出現(xiàn)凝結(jié)，水蒸氣和排氣中的硫化合物作用形成酸，降低冷卻器的壽命，由于EGR冷卻器冷卻對象是溫度較高循環(huán)廢氣，為此冷卻器在較小換熱面積下來實現(xiàn)更大換熱量。

3.2 類型

ECR冷卻器類型眾多，目前主要的冷卻器類型對比如表1：

綜合考慮制造工藝，使用便利性，及傳熱效率等方面因素，目前汽車行業(yè)內(nèi)，主要是以板翅式EGR為主，下面將以板翅式EGR為研究對象開展仿真分析研究。

4 EGR冷卻器性能仿真結(jié)果分析

4.1 不均勻度指數(shù)

氣體在截面上的流動均勻，由此決定了氣體在催化劑載體中的停留時間和催化效率，進(jìn)而最終關(guān)系到發(fā)動機(jī)的排放性。從實際應(yīng)用和操作情況來分析，流動均勻能夠在一定程度上減少壓力損失。為了便于定量分析比較，引入催化劑載體截面上流體速度不均勻的指數(shù)D評價催化劑界面上的均勻程度。

4.2 初始設(shè)計方案

初始設(shè)計方案汽車排氣管各部件壓力損失如表2所示，根據(jù)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)排氣連接管段占據(jù)總體壓力較大，原因如下：一種是管道彎折次數(shù)較多，另外一種是管路截面過于狹小。結(jié)合仿真分析，將連接管的直徑大小從之前的22.5mm增加到25mm，并將催化劑的直徑長度確定為定值，催化器的入口擴(kuò)張管和出口收縮管呈現(xiàn)出錐型和喇叭型。

對于錐角類型的確定，連接管段和催化劑直徑已確定，通過錐角的參數(shù)信息來調(diào)節(jié)器基本形狀，錐角設(shè)計之后的截面速度矢量圖如圖4所示。喇叭口可以通過圓弧半徑來定義其造型，經(jīng)過設(shè)計優(yōu)化之后的喇叭口截面速度矢量圖如圖5所示。

4.3 優(yōu)化后的設(shè)計方案

初始方案優(yōu)化后設(shè)計，橫向?qū)Ρ却呋鹘孛娴乃俣仁噶繄D，如圖6、如圖7所示，之后對比不同方案下的不均勻度和系統(tǒng)總背壓。通過對圖6、圖7分析對比發(fā)現(xiàn)減小錐角及圓滑過渡集流部分通道能在一定程度上抑制擴(kuò)張壁面流動分離和旋渦，從而增加了EGR冷卻器的換熱效率。

5 結(jié)束語

綜上所述，ECR冷卻器本質(zhì)是換熱器在冷卻廢氣循環(huán)技術(shù)中的應(yīng)用，基于ECR冷卻器原理出現(xiàn)多種類型的冷卻器。其中，光管式換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、流動平穩(wěn)性良好的優(yōu)勢；螺紋管冷卻器具有傳熱效率高的優(yōu)勢；翅片管具備結(jié)構(gòu)科學(xué)的優(yōu)勢；螺旋折流管換熱器具有性能穩(wěn)定的優(yōu)勢。相信伴隨人們對ECR冷卻器研究的深入發(fā)展，換熱器的性能將會得到進(jìn)一步的改善。

參考文獻(xiàn)：

[1]高舒芳.柴油發(fā)動機(jī)廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR）的應(yīng)用與工程優(yōu)化設(shè)計研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2017（02）：7-8.

[2]楊仕清.汽車發(fā)動機(jī)EGR廢氣冷卻溫度的穩(wěn)定研究及改進(jìn)設(shè)計[J].汽車工業(yè)研究，2017（05）：51-53.

[3]齊連生.廢氣再循環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計與研究[D].2016.