某國(guó)Ⅵ柴油機(jī)EGR 冷卻器換熱性能分析及優(yōu)化

劉叢浩 ，劉 崇 ，王廷劍 ，?？×?

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001；2.錦州聯(lián)升汽車零部件有限公司，遼寧 錦州 121000；3.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；4.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

1 引言

由于國(guó)Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)[1-2]的實(shí)施，各廠家均全力開發(fā)和推廣滿足新排放法規(guī)的產(chǎn)品。其中針對(duì)尾氣處理廣泛采用EGR+DOC+DPF+SCR 的技術(shù)路線，其中 DOC（Diesel Oxidation Catalyst，柴油機(jī)氧化催化劑），DPF（Diesel Particulate Filter，柴油顆粒過濾器）和SCR（Selective CatalyticReduction，選擇性催化還原）均為尾氣后處理技術(shù)[3]，即經(jīng)過處理后不再用于二次燃燒，而EGR 系統(tǒng)則是將尾氣經(jīng)過EGR 冷卻器、EGR 閥，進(jìn)入氣缸再次燃燒，如圖1所示[4，5]。是降低排出氣體中的氮氧化物（NOx）的重要措施之一[6-9]。因此，EGR 技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上[10]。

在國(guó)Ⅲ和國(guó)Ⅳ階段，波紋式或螺紋式換熱管廣泛被用作EGR 冷卻器的換熱管[11]，如圖 2 所示。但根據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)[4，12]，波紋或螺紋管式EGR 冷卻器換熱效率普遍在（60～70）%之間，較難超過到80%。因此，隨著國(guó)Ⅵ階段對(duì)NOx排放要求的進(jìn)一步提高，對(duì)于EGR 冷卻器內(nèi)部換熱結(jié)構(gòu)也需進(jìn)行重新設(shè)計(jì)以及優(yōu)化，以達(dá)到提升換熱效率的目的。有研究[13，14]選用翅片式換熱結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。提高散熱面積，換熱效率較高，但是關(guān)于翅片結(jié)構(gòu)優(yōu)化多用于其他類型換熱器，直接對(duì)EGR 冷卻器翅片的優(yōu)化研究則較少；另外部分產(chǎn)品還有采用打坑式換熱管結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。由于點(diǎn)坑的存在有效的增加了換熱面積，使得換熱增強(qiáng)，并且點(diǎn)坑導(dǎo)致了渦旋的產(chǎn)生，使得流體的局部湍流程度顯著增加，有效增強(qiáng)了換熱能力[15]，該結(jié)構(gòu)目前有少數(shù)歐洲廠商產(chǎn)品使用，國(guó)內(nèi)EGR 冷卻器采用該結(jié)構(gòu)的公開研究還較少。

根據(jù)以上分析，將針對(duì)某柴油機(jī)用EGR 冷卻器，利用Ansys Fluent 流體仿真軟件，重點(diǎn)對(duì)比板翅式和打坑管式換熱結(jié)構(gòu)的換熱效率和壓降趨勢(shì)，確定換熱結(jié)構(gòu)形式；進(jìn)而對(duì)換熱結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行局部參數(shù)優(yōu)化，進(jìn)一步提升換熱性能；還將對(duì)優(yōu)化后的樣件進(jìn)行換熱性能實(shí)驗(yàn)，與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，最終完成適用于國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的EGR 冷卻器的性能驗(yàn)證。

圖1 EGR 冷卻器工作原理圖Fig.1 EGR Cooler Schematic Diagram

圖2 EGR 冷卻器換熱結(jié)構(gòu)Fig.2 EGR Cooler Heat Exchange Structure

2 EGR 冷卻器換熱結(jié)構(gòu)方案對(duì)比

2.1 三維模型及網(wǎng)格劃分

在CATIA 中建立冷卻器三維模型，兩種不同換熱結(jié)構(gòu)的冷卻器具有相同的外部結(jié)構(gòu)尺寸，其中打坑管式（圖3）為管殼式結(jié)構(gòu)，高溫尾氣從打坑式換熱管中通過，如圖3 所示。與管外的流動(dòng)冷卻水進(jìn)行換熱；內(nèi)翅片式為管翅式結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。高溫氣體從圖4 中的具有內(nèi)翅片的扁管中通過，并經(jīng)翅片擾流進(jìn)而與管外冷卻水進(jìn)行充分換熱。處于對(duì)研發(fā)產(chǎn)品的保護(hù)，且由于出入水口處結(jié)構(gòu)對(duì)換熱性能沒有影響，因此對(duì)出入水口處的模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。

將CATIA 中的三維模型進(jìn)行局部簡(jiǎn)化，建立氣側(cè)和液側(cè)模型，導(dǎo)入到Ansys Workbench 中進(jìn)行CFD 流體有限元網(wǎng)格劃分，單元種類為四面體網(wǎng)格，為保證流體仿真的準(zhǔn)確性，設(shè)置網(wǎng)格劃分質(zhì)量為skewness≤0.9，最終打坑管模型單元數(shù)量為11576793；翅片式冷卻器模型單元數(shù)量為14335761。設(shè)定高溫尾氣為干空氣，冷卻液為液態(tài)飽和水，換熱管為316L 不銹鋼，不計(jì)重力影響。

2.2 換熱性能仿真分析

2.2.1 流體仿真分析設(shè)置

利用Ansys Fluent 軟件對(duì)冷卻器的換熱過程進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)選擇標(biāo)Realizable k-epsilon 模型；采用分離式求解器，其中壓力和速度耦合采用的是Simple 算法[16]，動(dòng)量方程和能量方程均采用二階迎風(fēng)差分方程。

圖3 打坑管式EGR 冷卻器三維模型Fig.3 Three-Dimensional Model of Pitted Tube EGR Cooler

圖4 內(nèi)翅片式EGR 冷卻器三維模型Fig.4 Three-Dimensional Model of Inner Fin-Tube EGR Cooler

根據(jù)客戶提供的該柴油機(jī)某一工況試驗(yàn)來確定進(jìn)出口的邊界條件，該工況設(shè)計(jì)要求為氣側(cè)出口溫度不高于140 ℃。進(jìn)行流體仿真計(jì)算時(shí)，氣側(cè)、液側(cè)入口采用質(zhì)量流量入口邊界條件，出口均采用壓力出口邊界條件，操作壓力為101325 Pa。具體邊界條件，如表1 所示（為區(qū)分實(shí)驗(yàn)中增加的工況，此處命名為工況1）。

表1 工況1 邊界條件Tab.1 Boundary Conditoins of Working Condition 1

2.2.2 仿真結(jié)果討論

通過仿真計(jì)算得到兩種不同換熱結(jié)構(gòu)冷卻器的換熱結(jié)果，打坑管式結(jié)構(gòu)和翅片式結(jié)構(gòu)的氣側(cè)和液側(cè)溫度場(chǎng)云圖，如圖7、圖8 所示。為方便對(duì)比，圖5（a）和6（a）選用相同的溫度顯示范圍，可以看出，在圖6（a）出氣一側(cè)的溫度明顯低于圖5（a），并且在氣側(cè)流程的前半段，圖5（a）的換熱效果也優(yōu)于圖6（a）；從圖5（b）和圖6（b）的液側(cè)溫度對(duì)比也可看出，液體的最高溫度均出現(xiàn)在與高溫氣體入口交界處，但打坑管式模型的液側(cè)最高溫度略高于內(nèi)翅片式。

表2 中對(duì)比了兩種不同換熱結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果，并通過式（1）[17]進(jìn)行換熱效率η 的計(jì)算，同樣將結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表2 所示。

圖5 打坑管式模型溫度云圖Fig.5 Pitted Tube Model Temprature Nephogram

式中：ti—冷卻器的氣側(cè)入口溫度；to—冷卻器的氣側(cè)出口溫度；tw—冷卻器的液側(cè)入口溫度。

通過以上對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，相對(duì)比與國(guó)Ⅳ階段廣泛使用的螺紋管式換熱結(jié)構(gòu)換熱效率普遍低于80%的情況[4，12]，選用的兩種方案換熱效率均較高，其中內(nèi)翅片式換熱結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到85.72%，優(yōu)于打坑管式換熱結(jié)構(gòu)5%以上，但二者氣側(cè)出口溫度均高于設(shè)計(jì)要求，均需對(duì)換熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以接近或低于設(shè)計(jì)要求；除換熱性能對(duì)比外，翅片式結(jié)構(gòu)的氣側(cè)壓降也顯著低于打坑管式換熱結(jié)構(gòu)，翅片式換熱結(jié)構(gòu)的氣側(cè)壓差僅為打坑管式結(jié)構(gòu)的17.5%，在國(guó)內(nèi)柴油品質(zhì)不穩(wěn)定的情況下，壓差的減少可有效防止柴油機(jī)高溫尾氣通過EGR 冷卻器時(shí)積碳的形成。因此，綜合換熱性能和壓差仿真分析的對(duì)比，EGR 冷卻器的內(nèi)部換熱結(jié)構(gòu)確定選用翅片式，但需要進(jìn)一步優(yōu)化換熱換性能。

圖6 內(nèi)翅片式模型溫度云圖Fig.6 Inner Fin-Tube Model Temprature Nephogram

表2 打坑式與內(nèi)翅片式模型仿真結(jié)果對(duì)比Tab.2 Pitted Tube and Inner Fin-Tube Models Results Comparision

3 EGR 冷卻器換熱性能優(yōu)化

3.1 翅片結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)確定

冷卻器選用的波紋型翅片屬于高性能翅片，其基本結(jié)構(gòu)，L為翅片的波長(zhǎng)，A 為幅值，H 為相鄰翅片間距，如圖7 所示。

圖7 翅片主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.7 Fin Structure Parameter

為提高換熱性能，可以通過減少波長(zhǎng)L 和波間距S 來實(shí)現(xiàn)，也可以通過增加幅值A(chǔ) 來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槔碚撋袭?dāng)A 減小時(shí)由于翅片波紋結(jié)構(gòu)趨近于平緩，不利于提高流體的傳熱性能，同時(shí)理論上壓力損失減小，也將降低換熱性能。原始翅片模型的參數(shù)為L(zhǎng)=10 mm，S=2 mm，A=0.6 mm，按照設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)研究，繼續(xù)減小L 和S 的尺寸進(jìn)行優(yōu)化的空間已經(jīng)很小，因此，主要優(yōu)化參數(shù)為翅片幅值A(chǔ)，在原始翅片結(jié)構(gòu)方案的基礎(chǔ)上，又建立了A=0.9 mm 和A=1.2 mm 兩種種不同翅片波紋幅值的EGR 冷卻器模型進(jìn)行對(duì)比分析。除以上參數(shù)外，翅片波紋頂部圓角半徑的大小對(duì)換熱器換熱性能的影響較小[18]，因此未對(duì)其進(jìn)行對(duì)比說明。

3.2 優(yōu)化結(jié)果討論

不同翅片波紋幅值A(chǔ) 冷卻器模型的建立、網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)定均與前期一致。氣側(cè)的出口溫度、壓差以及換熱效率結(jié)果對(duì)比，如圖8 所示。

圖8 不同幅值A(chǔ) 結(jié)果對(duì)比Fig.8 Results of Different A Values

隨著幅值增大，換熱性能也隨之提高，當(dāng)A=1.5 mm 時(shí)，換熱性能最好，達(dá)到88.33%，但氣側(cè)壓差也最大為3056Pa；當(dāng)A=0.9 mm 時(shí)，出氣140.22 ℃溫度接近設(shè)計(jì)要求，壓差為2121Pa，較A=1.5mm 方案低30.59%?？紤]到在同等條件下較大壓差會(huì)加速冷卻器老化，因此，在滿足出口溫度140 ℃設(shè)計(jì)條件下，應(yīng)盡量降低氣側(cè)壓差，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及類似研究，由于實(shí)驗(yàn)中存在外殼壁面換熱，通常仿真出口溫度通常高于實(shí)驗(yàn)值[11]，因此A=0.9mm 方案可以滿足設(shè)計(jì)要求。

4 換熱性能實(shí)驗(yàn)

4.1 換熱性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)

由于實(shí)際柴油機(jī)工作時(shí)，隨著工況的改變，活塞和氣門的運(yùn)動(dòng)呈周期性變化，進(jìn)而柴油機(jī)所排放的高溫氣體的流量、溫度也是周期性變化的，因此較難實(shí)現(xiàn)直接測(cè)量和評(píng)價(jià)。為了測(cè)試EGR冷卻器的換熱性能，一般是采用換熱性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)作為評(píng)價(jià)冷卻器性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)。

換熱性能實(shí)驗(yàn)的原理，如圖9 所示。測(cè)試系統(tǒng)具有如下功能：實(shí)時(shí)模擬流經(jīng)EGR 冷卻器的高溫氣體和冷卻液體的溫度、流量；通過流量、溫度和壓力傳感器實(shí)時(shí)對(duì)氣側(cè)和液側(cè)的流量、溫度和壓力值進(jìn)行監(jiān)測(cè)與采集；系統(tǒng)還具有數(shù)控面板，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的監(jiān)控，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)。按照仿真分析得出的幅值A(chǔ)=0.9mm 翅片式換熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行樣件制造，并在液側(cè)入口和出口出匹配并焊接與換熱性能試驗(yàn)臺(tái)相匹配的轉(zhuǎn)接頭，實(shí)現(xiàn)與換熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)的連接，如圖10 所示。

圖9 換熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)基本構(gòu)成Fig.9 Basic Structure of Heat Transfer Test Bed

圖10 樣件與試驗(yàn)臺(tái)連接Fig.10 Connection of Product and Test Bed

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

為更好對(duì)比仿真分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，除表1 中的工況（工況1），又增加了一組工況（工況2）進(jìn)行對(duì)比，如表3 所示。

表3 工況2 邊界條件Tab.3 Boundary Conditoins of Working Condition 2

由于實(shí)驗(yàn)中壓力傳感器位置距實(shí)際出口位置較遠(yuǎn)，而且液側(cè)出口為方便進(jìn)行試驗(yàn)進(jìn)行了彎頭焊接，產(chǎn)生二次壓力損失，會(huì)造成實(shí)測(cè)壓力與仿真數(shù)據(jù)有一定差別，因此只對(duì)實(shí)驗(yàn)與仿真的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。表4 和表5 分別列出氣側(cè)和液側(cè)出口溫度的實(shí)驗(yàn)和仿真對(duì)比，其中氣側(cè)出口溫度的仿真數(shù)據(jù)比實(shí)際實(shí)驗(yàn)偏高（5～6）%，計(jì)算精度較好，符合類似仿真研究的精度范圍[4，19]；液側(cè)出口溫度的仿真值與實(shí)驗(yàn)值由于溫度變化幅值較小，偏差也較小，規(guī)律為仿真數(shù)據(jù)值低于實(shí)驗(yàn)值，同樣可理解與液側(cè)仿真換熱量小于實(shí)際實(shí)驗(yàn)的液側(cè)換熱量，也符合氣側(cè)仿真數(shù)據(jù)值高于實(shí)驗(yàn)值的規(guī)律。

表4 仿真與實(shí)驗(yàn)氣側(cè)出口溫度對(duì)比Tab.4 Comparision of Simulation and Experiment Air Outlet

表5 仿真與實(shí)驗(yàn)液側(cè)出口溫度對(duì)比Tab.5 Comparision of Simulation and Experiment Liquid Outlet

對(duì)比了兩種工況下EGR 冷卻器仿真與實(shí)驗(yàn)的換熱效率，如表6 所示。從對(duì)比可以看出，實(shí)際實(shí)驗(yàn)換熱效率高于仿真值，偏差值均小于3%，仿真準(zhǔn)確性較好。

表6 仿真與實(shí)驗(yàn)換熱效率對(duì)比Tab.6 Comparision of Simulation and Experiment Transfer Efficiency

從以上結(jié)果對(duì)比可知，仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較高，所設(shè)計(jì)的EGR 冷卻器滿足設(shè)計(jì)要求，從實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果顯示該方案還具有一定設(shè)計(jì)余量，可以有效補(bǔ)償實(shí)際使用過程中冷卻器老化帶來的換熱性能下降。

5 結(jié)論

面向國(guó)Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)的高要求，設(shè)計(jì)并制造了一款適用于某柴油機(jī)的EGR 冷卻器。首先利用Ansys Fluent 流體仿真分析，對(duì)比了內(nèi)翅片式與國(guó)內(nèi)目前使用較少的打坑管式換熱結(jié)構(gòu)的EGR冷卻器，再對(duì)選定結(jié)構(gòu)進(jìn)行換熱性能優(yōu)化，最后對(duì)優(yōu)化后模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：（1）打坑管式和內(nèi)翅片式冷卻器換熱性能均高于傳統(tǒng)螺紋管式換熱器，但內(nèi)翅片式冷卻器氣側(cè)壓差僅為打坑管式結(jié)構(gòu)的17.5%，考慮到應(yīng)在保證換熱性能的前提下，盡量降低壓差，則內(nèi)翅片換熱結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)明顯；（2）通過調(diào)整翅片波紋幅值A(chǔ) 進(jìn)行對(duì)比分析，優(yōu)化后A=0.9mm 的冷卻器經(jīng)過通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真和實(shí)驗(yàn)換熱效率分別為86.43%和88.55%，性能符合設(shè)計(jì)要求，并具有一定設(shè)計(jì)余量；（3）最終產(chǎn)品達(dá)到了提升EGR 冷卻器換熱效率目的，且仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比準(zhǔn)確度較高，對(duì)于類似EGR 冷卻器設(shè)計(jì)開發(fā)具有一定參考價(jià)值。