廢氣再循環(huán)（EGR）冷卻器的冷卻液進(jìn)水溫度和流量對(duì)出氣溫度的影響

摘" 要：本文以商用車廢氣再循環(huán)（EGR）冷卻器為研究對(duì)象，通過分析廢氣再循環(huán)冷卻器的對(duì)流換熱原理，結(jié)合其物性參數(shù)，建立冷卻器的平壁導(dǎo)熱模型，并用臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證其出氣溫度的計(jì)算精度，以此探究冷卻液進(jìn)水溫度和流量的變化對(duì)出氣溫度的影響。結(jié)果表明：廢氣再循環(huán)（EGR）冷卻器的冷卻液進(jìn)水溫度和出氣溫度具有相對(duì)穩(wěn)定的關(guān)系，即冷卻液進(jìn)水溫度每升高1℃，出氣溫度也升高約1℃；對(duì)于冷卻液流量，當(dāng)流量接近沸騰臨界值時(shí)，冷卻液流量對(duì)出氣溫度影響較大，冷卻液流量每升高20L/min，出氣溫度降低約4～7℃，當(dāng)流量大于臨界值時(shí)，且隨著流量的增加，對(duì)出氣溫度影響逐漸變小，冷卻液流量每升高20L/min，出氣溫度僅降低0.4～0.9℃。

關(guān)鍵詞：廢氣再循環(huán)冷卻器；冷卻液進(jìn)水溫度；冷卻液流量；出氣溫度

中圖分類號(hào)：U464" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " 文章編號(hào)：1005-2550（2023）01-0087-07

The Effect of the Coolant Inlet Temperature and Flow of EGR Cooler on Gas Outlet Temperature

WU Bin-bin， CUI Qi-cheng， BAO Ze-yi

（ Dongfeng Mahle Thermal System Co.， LTD， Wuhan 430056， China ）

Abstract： This paper take commercial vehicle EGR cooler as the research object， establish the cooler's flat wall heat transfer model through the analysis of the convection heat exchange principle of EGR cooler， and combined with its physical parameters， then verify the calculation accuracy of gas outlet temperature by bench test， aiming to explore the effect of changes in coolant inlet temperature and flow rate on gas outlet temperature. The results show that the coolant inlet temperature and outlet temperature of the EGR cooler have a relatively stable relationship， when coolant inlet temperature increases by 1℃， the gas outlet temperature also increases by about 1℃; for coolant flow， when coolant flow rate close to the critical boiling value， then coolant flow has a significant influence on gas outlet temperature， e.g. when the coolant flow rate increases by 20L/min， the gas outlet temperature decreases by about 4 ～ 7℃; but when coolant flow is greater than the critical boiling value， then， with the increase of the flow rate， the influence on the gas outlet temperature gradually decreases， e.g. when the coolant flow rate increases by 20L/min， the gas outlet temperature only decreases by 0.4 ～ 0.9℃.

Key Words： EGR Cooler; Coolant Inlet Temperature; Coolant Flow Rate; Gas Outlet Temperature

吳彬彬

畢業(yè)于武漢科技大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，碩士學(xué)歷，現(xiàn)就職于東風(fēng)馬勒熱系統(tǒng)有限公司技術(shù)中心，任產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師，主要研究方向：廢氣再循環(huán)（EGR）冷卻系統(tǒng)及零部件的開發(fā)工作。

前" " 言

廢氣再循環(huán)（EGR）冷卻器是廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中降低廢氣溫度的裝置，如圖1所示，廢氣經(jīng)冷卻后，可以降低燃燒初期的壓力升高率和峰值壓力，新鮮空氣節(jié)流損失降低，進(jìn)氣充量增加，預(yù)混合氣體的溫度會(huì)進(jìn)一步降低，由此延長(zhǎng)燃燒滯燃期，增大預(yù)混合燃燒的比例，縮短燃燒持續(xù)期，降低最高燃燒溫度，減少NOx的排放[1-2]。

廢氣再循環(huán)（EGR）冷卻器通過循環(huán)流動(dòng)的冷卻液降低廢氣溫度，冷卻液的進(jìn)水溫度和流量是影響換熱的關(guān)鍵因素，本文以商用車六缸發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，通過EGR冷卻器換熱性能臺(tái)架試驗(yàn)得出其對(duì)流換熱特征數(shù)方程（Nu=f（Re， Pr） ），建立平壁換熱模型，探究當(dāng)冷卻液進(jìn)水溫度和流量以某種規(guī)律改變時(shí)，出氣溫度的變化趨勢(shì)，由此評(píng)估冷卻液的溫度和流量對(duì)氣側(cè)冷后溫度的影響程度，為現(xiàn)行的商用車EGR冷卻器能有效、精準(zhǔn)的降低冷后溫度，并改善NOX排放的相關(guān)工作提供參考。

為便于闡述，以下均將廢氣再循環(huán)（EGR）冷卻器簡(jiǎn)稱為EGR（Exhaust Gas Re-circulation）冷卻器，EGR冷卻器液側(cè)進(jìn)口流量簡(jiǎn)稱為進(jìn)水流量，液側(cè)出口流量簡(jiǎn)稱為出水流量，EGR冷卻器氣側(cè)進(jìn)口溫度簡(jiǎn)稱為進(jìn)氣溫度，氣側(cè)出口溫度簡(jiǎn)稱為出氣溫度。

1" " 廢氣再循環(huán)冷卻器結(jié)構(gòu)

本文所述為商用車用EGR冷卻器，該冷卻器運(yùn)用多管式散熱管結(jié)構(gòu)，廢氣通道選用麻點(diǎn)散熱管。EGR冷卻器的進(jìn)氣室與殼體、殼體與出氣室之間通過螺栓連接，液側(cè)為“S”型流道，即冷卻液從殼體進(jìn)氣端下方流入，從出氣端上方流出，如圖2所示：

散熱管在殼體內(nèi)以矩陣形式分布，如圖3所示，數(shù)量根據(jù)換熱量要求和壓降限值來定，這種排列方式使冷卻液能更好的交叉流動(dòng)，換熱面積更大，可提高冷卻器散熱能力和抗沸騰性。

2" " 對(duì)流換熱基本理論

EGR冷卻器多采用順流結(jié)構(gòu)，即廢氣與冷卻液同向流動(dòng)，如圖4所示，這種結(jié)構(gòu)可以有效減小熱端散熱管壁面的沸騰區(qū)域，提高冷卻器的可靠性和熱耐久性[3]。圖5中，T1、T2分別為廢氣的進(jìn)、出氣溫度，t1、t2為液側(cè)的進(jìn)、出水溫度。高溫廢氣和冷卻液在EGR冷卻器芯體內(nèi)進(jìn)行熱交換，廢氣在向前流動(dòng)的過程中逐漸放熱，溫度降低，冷卻液吸收熱量，溫度升高，故T1gt;T2，且t1lt;t2。

熱流體（廢氣側(cè)）在換熱中釋放的熱量為：

冷流體（冷卻液側(cè)）在換熱中吸收的熱量為：

式中?T=T1-T2，?t=t2-t1，mh、mc分別為熱、冷流體的質(zhì)量流量，kg/s；Ch、Cc別為熱、冷流體的比熱容，J/（kg·℃）。忽略熱量損失有：

商用車EGR冷卻器的進(jìn)氣溫度通常為600～ 750℃，出氣溫度為110～140℃（根據(jù)機(jī)型和性能要求而定），對(duì)于冷卻液側(cè)，進(jìn)、出水口溫差通常為8～10℃，因此，?T gt;?t，結(jié)合式（3）有：

Wh、Wc分別為熱、冷流體的熱容量流率，kg/s ·kJ/（kg ·℃），Wmin表示流體中熱容量流率較小者，稱為最小值流體，理想EGR冷卻器的最大可能換熱量為Qmax，其計(jì)算方式是：

式中φ為換熱效率，且對(duì)于順流結(jié)構(gòu)的EGR冷卻器，換熱量Q用平均溫度差來計(jì)算則有如下：

廢氣的熱量通過散熱管管壁向冷卻液側(cè)進(jìn)行傳遞，熱量傳遞的方向?yàn)閺U氣→散熱管壁→冷卻液側(cè)，如圖6所示：

上圖6中，T1為廢氣溫度，tw1為靠近氣側(cè)散熱管壁的壁面溫度，tw2為靠近液側(cè)散熱管壁的壁面溫度，T2為冷卻液溫度。

若不計(jì)熱輻射和其他熱量損失，EGR冷卻器的熱傳導(dǎo)可分為如下三個(gè)過程：

（1）高溫廢氣側(cè)的對(duì)流換熱：

（2）散熱管壁面的熱傳導(dǎo)：

（3）低溫液側(cè)的對(duì)流換熱：

忽略熱輻射和其他熱量損失，則Q1=QW=Q2，將式（13）、（14）、（15）相加整理可得：

根據(jù)換熱器換熱量平衡公式：

將式（17）代入式（16）中，整理得到：

上式中α1和α2分別為熱、冷流體的對(duì)流換熱系數(shù)，K為冷卻器總的換熱系數(shù)，F(xiàn)為換熱面積，δW為散熱管壁面厚度，λW為平壁導(dǎo)熱系數(shù)。其中是λ是物性參數(shù)，僅和材料屬性相關(guān)。

EGR冷卻器的傳熱數(shù)學(xué)模型最終可以用努塞爾模型來表達(dá)[4]，如下：

式中Nu-努賽爾數(shù)，Re-雷洛數(shù)，Pr-普朗特?cái)?shù)，fstart-傳熱入口段系數(shù)，fwall -壁面粘度系數(shù)。

對(duì)于商用車EGR冷卻器，fwall=1，K3=0;

多數(shù)情況下，EGR冷卻器通道的流程長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水力直徑，所以作為僅和熱交換器尺寸相關(guān)的系數(shù)，可設(shè)置fstart =1；同時(shí)，Pr是完全由流體物性確定的準(zhǔn)數(shù)，K4的取值僅和流體物性相關(guān)，經(jīng)查取資料得出經(jīng)驗(yàn)值：對(duì)于空氣，K4=1/3。

綜上，EGR冷卻器的傳熱模型簡(jiǎn)化后可得：

對(duì)于K1和K2的求解，可通過多組試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)試的數(shù)據(jù)，包括冷、熱流體兩側(cè)的出口溫度（T2 ，t2），冷、熱流體的換熱效率α1、α2，以及雷洛數(shù)（Re）和計(jì)算相應(yīng)的努塞爾數(shù)（Nu），再利用最小二乘法擬合函數(shù)曲線得出K1和K2的值。本文所述EGR冷卻器計(jì)算得出K1=0.2653，K2=0.6601，故冷卻器傳熱模型關(guān)系式為：

擬合得到的函數(shù)曲線如圖7所示：

EGR冷卻器單體性能試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果是建立其對(duì)流換熱模型的前提，需先根據(jù)氣、液兩側(cè)臺(tái)架試驗(yàn)的輸入?yún)?shù)和輸出結(jié)果，結(jié)合其本身固有的物理特性，如熱交換流動(dòng)方式、換熱面積、散熱管壁厚度、流體的導(dǎo)熱系數(shù)、平壁換熱系數(shù)等，得到適用于特定冷卻器的無量綱準(zhǔn)數(shù)和Nu-Re關(guān)系曲線，據(jù)此便可計(jì)算在不同廢氣和冷卻液進(jìn)口溫度、流量、壓力下的EGR冷卻器的出氣溫度。

3" " 傳熱計(jì)算與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

本文擬采用基于EGR冷卻器對(duì)流換熱模型計(jì)算的出氣溫度值與臺(tái)架驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以檢驗(yàn)其準(zhǔn)確性。所用臺(tái)架為EGR冷卻器換熱性能試驗(yàn)臺(tái)，EGR冷卻器的主要參數(shù)如表1所示：

試驗(yàn)臺(tái)架包括氣側(cè)循環(huán)系統(tǒng)、液側(cè)循環(huán)系統(tǒng)、氣側(cè)進(jìn)、出氣溫度和壓力傳感器，液側(cè)進(jìn)、出口溫度和壓力傳感器，試驗(yàn)接管等。試驗(yàn)臺(tái)架布置如圖8所示：

臺(tái)架試驗(yàn)的工況點(diǎn)應(yīng)取自實(shí)車運(yùn)行工況，且覆蓋范圍須盡可能寬廣。本文選取7個(gè)典型的工況點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，如表2所示，來驗(yàn)證傳熱計(jì)算的準(zhǔn)確性。

熱傳導(dǎo)計(jì)算與臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比如圖9所示，出氣溫度最大差異為1.5℃，占比1.3%，最小的差異為0.31℃，占比0.3%，可見，利用EGR冷卻器的對(duì)流換熱模型計(jì)算的出氣溫度數(shù)值與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的吻合度較高，對(duì)后續(xù)研究冷卻液的進(jìn)水溫度、流量對(duì)出氣溫度的影響具有重要參考價(jià)值。

4" " 冷卻液溫度和流量對(duì)出氣溫度的影響

EGR冷卻器中的高溫廢氣是通過冷卻液的循環(huán)流動(dòng)來降溫的，冷卻液的流量和溫度對(duì)換熱效率具有重要影響。本文通過改變冷卻液溫度和流量，保持其他參數(shù)不變，如氣側(cè)流量、壓力和溫度，液側(cè)壓力，結(jié)合對(duì)流換熱計(jì)算結(jié)果探究冷卻液對(duì)出氣溫度的影響。

試驗(yàn)工況來源于發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)測(cè)點(diǎn)。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)主要集中在對(duì)穩(wěn)態(tài)性能的研究，但實(shí)際上，整車在行駛的過程中多處于瞬態(tài)工況，內(nèi)燃機(jī)的瞬態(tài)工況是一系列怠速，加速、減速、加載和減載工況的組合[5]，燃燒廢氣和發(fā)動(dòng)機(jī)水泵流量的變化更為頻繁，選取瞬態(tài)工況可以更客觀的反映整車運(yùn)行情況。

4.1" "冷卻液進(jìn)水溫度對(duì)出氣溫度的影響

本文選取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1900rpm下的三組瞬態(tài)工況，如下表3所示。

商用車EGR冷卻器的進(jìn)水溫度通常在90℃左右，此處進(jìn)水溫范圍取80～90℃，變化梯度為1℃，氣側(cè)和液側(cè)的其余參數(shù)保持不變，通過熱傳導(dǎo)模型分別計(jì)算不同進(jìn)氣溫度下EGR的出氣溫度，結(jié)果如圖10所示：

結(jié)果表明：不同工況下，進(jìn)水溫度和出氣溫度都接近線性關(guān)系，說明兩者具有相對(duì)穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即進(jìn)水溫度每升高1℃，出氣溫度相應(yīng)升高1℃。

4.2" "冷卻液進(jìn)水流量對(duì)出氣溫度的影響

同樣地，利用表格3中的瞬態(tài)工況，僅改變冷卻液進(jìn)水流量，其他參數(shù)保持不變，運(yùn)用換熱模型計(jì)算出氣溫度。

進(jìn)水流量的選取范圍可根據(jù)最小水流量值，冷卻液沸騰起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量即為最小冷卻液流量，流量范圍應(yīng)包含最小水流量，且保證多數(shù)點(diǎn)大于最小限值。

本文利用臺(tái)架測(cè)量表3中工況的最小水流量?；驹硎峭ㄟ^監(jiān)測(cè)液側(cè)進(jìn)、出水口的壓差進(jìn)行測(cè)量，沸騰氣泡形成和破裂的過程會(huì)使冷卻液進(jìn)、出壓差產(chǎn)生不規(guī)律的波動(dòng)，當(dāng)波動(dòng)振幅高于初始值的20%時(shí)，判定沸騰發(fā)生，如圖11所示。

測(cè)試所得的最小水流量分別為：1-64L/min，2-65L/min，3-58L/min，故進(jìn)水流量選取范圍為40～280L/min，計(jì)算結(jié)果如圖12所示。

為進(jìn)一步闡明進(jìn)水流量對(duì)出氣溫度的影響，本文列出了液側(cè)流量按照20L/min的梯度變化時(shí)對(duì)應(yīng)的出氣溫度，如表4所示。

結(jié)果表明：當(dāng)進(jìn)水流量接近沸騰臨界值時(shí)，增大冷卻液流量可以顯著降低廢氣溫度，如：當(dāng)流量從40L/min增大到60L/min時(shí)，出氣溫度降低約7.4℃；當(dāng)流量從60L/min增大到80L/min時(shí)，出氣溫度降低約3.9℃；當(dāng)流量大于臨界值時(shí)，隨著流量的增加，出氣溫度對(duì)冷卻液流量的敏感度逐漸降低，此時(shí)進(jìn)水流量對(duì)出氣溫度的影響相對(duì)較小，如：當(dāng)流量從160L/min增大到180L/min時(shí)，出氣溫度僅降低約0.7℃；當(dāng)流量從220L/min增大到240L/min時(shí)，出氣溫度僅降低約0.4℃。

5" " 結(jié)論

（1）EGR冷卻器的對(duì)流換熱模型是根據(jù)單體換熱性能試驗(yàn)建立的，結(jié)合平壁熱交換原理和冷卻器的固有物性計(jì)算廢氣出氣溫度，通過與單體性能試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比，表明該熱傳導(dǎo)模型的計(jì)算精度高，是獲取多種工況下出氣溫度的可靠途徑。

（2）EGR冷卻器的出氣溫度和冷卻液進(jìn)水溫度存在著較為穩(wěn)定的關(guān)系，即：進(jìn)水溫度每升高1℃，出氣溫度相應(yīng)升高約1℃。

（3）當(dāng)進(jìn)水流量接近沸騰臨界值時(shí)，出氣溫度對(duì)冷卻液流量的變化最為敏感，增大進(jìn)水流量可以顯著降低出氣溫度，如：當(dāng)流量從40L/min增大到60L/min時(shí)，廢氣出口溫度降低約7℃；當(dāng)進(jìn)水流量大于沸騰臨界值時(shí)，隨著冷卻液流量的增大，對(duì)出氣溫度的影響程度逐漸變小，如：當(dāng)流量從220L/min增大到240L/min時(shí)，出氣溫度僅降低約0.4℃。

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專家推薦語

張桂林

東風(fēng)馬勒熱系統(tǒng)有限公司技術(shù)中心

主任工程師" 高級(jí)工程師

本論文基于商用車廢氣再循環(huán)（EGR）冷卻器開發(fā)項(xiàng)目，根據(jù)EGR冷卻器的換熱原理、結(jié)構(gòu)特性和性能試驗(yàn)結(jié)果建立其導(dǎo)熱模型，并結(jié)合實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果闡明導(dǎo)熱模型對(duì)出氣溫度計(jì)算的高精度性，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確探究冷卻液溫度和流量對(duì)廢氣出氣溫度的影響趨勢(shì)。通過分析換熱關(guān)鍵因素對(duì)廢氣冷卻溫度的影響，為后續(xù)精準(zhǔn)、高效的降低循環(huán)廢氣溫度和NOX排放提供了理論依據(jù)，在整車熱管理標(biāo)定和降低有害排放優(yōu)化等方面具有指導(dǎo)和借鑒作用。