智能化汽車尾氣再循環（EGR）冷卻器試驗臺研制

盛珣華（北京理工大學珠海學院，廣東 珠海 519085）

廢氣再循環（EGR）冷卻器技術是將發動機排出的定量廢氣回送到混流器與新鮮空氣混合后進入氣缸，由于廢氣再循環使得燃燒溫度降低，氧的相對濃度降低，NOx有害排放得以減少。冷卻器是廢氣再循環裝置中的重要元件，它通過降低廢氣溫度，使廢氣再循環更有效。

隨著EGR冷卻器制造技術的提高及國內外市場的巨大需求，面臨的緊迫問題是冷卻器性能測試平臺短缺。 調查顯示，很少有非換熱器公司具有EGR換熱器性能測試實驗臺，即使已有的試驗臺，其中多半的測試手段和方法已相對落后。設計一套自動化程度高、測量準確、操作簡單、適用范圍廣的EGR換熱器性能實驗系統，對我國EGR產業的發展能夠起到一定的推動作用。一方面能夠為以后的EGR冷卻器的性能參數提供可靠方便的測試平臺；另一方面為以后我國制定EGR冷卻器性能參數的行業標準提供有效數據及技術支持。

1 智能化ERG冷卻器試驗臺總體結構

根據國家有關標準及換熱器性能實驗的實驗原理，首先對實驗系統的硬件進行了總體的設計，在此設計基礎上搭建實驗臺并在建立過程中作出相應的改進和調整。通過實驗能夠確定廢氣再循環（EGR）冷卻器的傳熱性能，給出不同定性溫度下傳熱系數與流速之間的關系，建立努謝爾準則數與雷諾數之間的準則方程式；確定EGR冷卻器的流體阻力性能，給出壓力降與流速之間的關系。

1.1 試驗臺性能要求

（1） 有燃氣發生器作為氣源，其壓力為0.1～0.3MPa，溫度為200～600℃，流量為35～150kg/Hr可調。

（2） 有溫度流量可調的水源。

（3） 同時記錄進出氣與進出水的溫度和壓力。

（4） 自動計算和打印出各試驗點的熱流和總傳熱系數。

1.2 試驗臺系統結構

實驗臺系統由實驗臺本體、高溫燃氣發生器、空氣冷卻器、熱水源及可控硅溫度控制器五大件組成。五大件各自獨立，有較大靈活性。系統如圖1所示。

圖1 試驗臺系統結構圖

實驗臺本體結構緊湊，實驗用的換熱器置于高溫燃氣發生器廢氣出口上。水箱、管路、水泵、渦輪流量計、調節閥、加熱器及電阻溫度計組合成一個獨立的冷卻熱水源。三相可控硅溫控裝置溫度控制精度為±0.1℃。為了防止水中有雜質與顆粒堵塞流量計并造成溫度計與壓力計的測量誤差，管路中設計加裝過濾器，過濾器可以定期取出沖洗除污。冷卻水的散熱系統除了水箱本身具有散熱能力外，冷卻水系統的管路中安裝空氣冷卻器，空氣冷卻器主要利用空氣來將熱水傳遞給冷水的熱量帶走，冷卻介質采用空氣，一是盡管考慮到如果采用水冷，效果比空氣冷卻好，但是水資源的消耗較大；二是空氣資源十分豐富，且實驗過程中沒污染。

換熱器中流體流動形式可認作為二次叉流，水-氣流向為逆流。需測參數共計11個：換熱器進、出水溫度和壓力（4個），進、出廢氣溫度和壓力（4個），大氣溫度，水流量及廢氣流量。水側和氣側進出口溫度用銅-康銅熱電偶測量。水側進出口溫度測點布置在換熱器進出口水管內；進口空氣溫度測點布置在緊靠換熱器的進口截面處，用3對熱電偶并聯進行測量；空氣出口溫度測點2布置在換熱器出口截面后的均溫段出口處，用9對熱電偶并聯進行測量。換熱器內水流量用渦輪流量計測量，空氣流量用風機進風口內的畢托管及微差壓傳感器進行測量。

實驗設計中，傳感器的選型與設計安裝是十分重要的，它們是實驗結果的精度與實驗系統設計成功與否的關鍵。具體要求如下：

（1）流量計：渦輪流量計應安裝在水平直管段上，其渦輪上游直管段長度應不小于20倍管徑，下游直管段長度應不小于15倍管徑。在儀表的上游直管段起始端應安裝過濾器；測量廢氣流量的板孔式流量計可以安裝在水平或垂直管道上，安裝時必須注意流體流向與流量計箭頭標示方向一致。測量管段內所有密封墊片，夾緊后不得突入管道內，否則會使流速紊亂，影響測量精度。流量計前后要有足夠長的直管段。在新鋪設的管路上安裝流量計時，應在清掃管線之后再安裝。

（2）溫度測量：測溫元件的感溫點應位于管道中心，其保護管的插入深度L應按溫度計使用說明書的規定；溫度保溫管的安裝應符合規定。當管道公稱直徑大于Dg80mm時，垂直安裝法進行安裝；當管道公稱直徑小于或等于Dg80mm時，可以傾斜安裝、在管道彎頭處安裝或在擴大管處安裝；測溫點的上、下游各處300mm范圍內，保溫層應盡可能加厚，換熱器、混合器、測溫點之間的全部管線應保溫良好。

（3）壓力（差壓測量）：靜壓測孔應設置在距離任何擾動區（彎管、閥門等）下游至少5倍管徑、上游至少2倍管徑處。靜壓測孔應與測壁面垂直。

水側和廢氣側進出口溫度用電熱阻溫度計測量，水側和廢氣側進出口壓力用擴散硅壓力傳感器測量。換熱器內水流量用渦輪流量計測量，廢氣流量用板孔式流量計進行測量。所用傳感器都采用屏蔽線與控制柜及計算機進行連接，這是考慮到遠距離傳輸中防止傳輸信號受到干擾。為了方便校驗、觀測與控制，實驗系統采用了控制柜的儀表與計算機并行監測現場信號的處理方法。在系統調試運行正常后，將控制柜放置在現場，而核心部件計算機則放置在計算機房，進行遠程控制，這樣也可以實現手動與自動兩種不同的控制方法。

2 測控系統

測控系統由溫度、壓力及流量傳感器及變送器、控制柜內的二次顯示儀表、I/V轉換板、AD板卡、DA板卡、變頻器、冷卻水泵、高溫燃燒器進氣控制閥及控制計算機組成，如圖2所示。

系統中使用的電熱阻溫度計輸出電流信號，渦輪流量計輸出脈沖信號，擴散硅壓力計輸出電流信號，溫度與流量信號都送往控制柜中的二次顯示儀表與計算機并聯顯示，所有的可遠傳信號最后都變成電流信號送往I/V轉換板，經AD板卡變成數字信號后被計算機接收。

控制方法采用的反饋控制，主要對制冷劑（即水）流量和高溫燃氣發生器的負荷進行控制，由計算機傳出的控制量經DA板卡變成模擬信號后送變頻器來調節控制冷水泵的轉速，和高溫燃氣發生器的進氣閥門開度和燃油泵的轉速，從而達到控制流量的目的。

圖2 測控系統流程圖

3 實驗步驟與結果

3.1 實驗步驟

（1）接通可控硅溫控裝置電源，開啟溫控裝置，設定熱水的加熱溫度；

（2）開啟回水閥，開啟水泵，改變調節閥開度調節水流量；

（3）開啟風機，將風門開到最大開度；

（4）開啟高溫燃氣發生器，最大負荷；

（5）待水溫到達設定溫度并穩定30分鐘后，讀取有關數據（注意水流量也應穩定）；

（6）逐次減小高溫燃氣發生器的負荷改變實驗工況，改變一次工況穩定30分鐘后再讀數據。

3.2 實驗結果

對不同的EGR冷卻器型式，通過簡單的安裝，可以在本實驗臺系統上得到該冷卻器的一系列性能參數，由此可對冷卻器的傳熱性能進行評價和比較。

實驗過程中，系統的溫度、流量、加熱功率可依靠計算機進行調節、切換等，當實驗件的水進口溫度穩定在某一工況且系統處于熱平衡（大流量工況<,小流量工況<）狀態時，進行數據的采集（采集有兩種方式，一種是由計算機自動采集，另一種計算機鍵盤采集）、計算、整理，打印實驗數據。

試驗數據輸出包括：（1）打印或抄錄實驗數據表；（2）標準傳熱量傳熱系數阻力壓降與氣側雷諾數的關曲線等。

[1] 向飛等. 廢氣再循環（EGR）冷卻器設計的現狀與發展[J]. 中國水運.

[2] 李志強等. 國外廢氣再循環（EGR）冷卻器制造技術及應用現狀[J].汽車工藝與材料.