關于廢氣再循環（EGR）冷卻器設計研究

高金鈴 楊巍

摘 要：廢氣再循環冷卻器的應用設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冷卻器設計原理的基礎上，針對廢氣再循環冷卻器的性能要求和基本選型等設計問題進行探究。

關鍵詞：廢氣再循環；冷卻器；氮氧化合物；換熱器

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

當前隨著汽車技術快速發展，汽車尾氣排放對大氣造成了更加嚴重的污染。柴油機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境的重要因素。柴油機具有高效率、低能耗并具有良好的動力性和經濟型，從實際應用分析柴油機比汽油機能節省18%到28%的燃料，在未來動力的柴油化成為國際汽車領域的必然發展趨勢，在資源節約型、環境友好型社會構建要求下怎樣控制氮氧化合物的排放量成為技術人員需要思考和解決的問題。利用廢棄再循環技術能夠有效控制汽車發動機氮氧化合物的排放。本文結合實際項目針對廢棄再循環冷卻器的設計和應用問題展開探究，旨在能夠進一步優化廢棄再循環冷卻器的性能及相關參數。

1 廢氣再循環（EGR）冷卻器的設計原理

廢棄再循環主要是指在確保內燃機動力性能不變的基礎上，根據內燃氣的溫度和負荷大小將發動機排除的部分廢氣重新送回到進氣管中，將廢氣和新空氣混合重新進入氣缸中燃燒，從而降低廢氣和污染物的排放。循環廢氣的量一般用EGR率進行表示進入廢氣管廢氣質量和進入氣缸總氣體質量的比值。廢氣再循環冷卻器對氮氧化合物生成以及燃燒過程的影響具體表現在以下幾個方面：第一，稀釋效應，部分再循環廢氣會替代新鮮空氣，使得新鮮空氣的氧氣濃度降低，汽車行駛燃燒焰前化學反應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，再循環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，工質總熱容量的增加會使得同等數量燃燒放熱的工質溫度變化減少，從而減少冷卻器應用過程中可能出現的壓升率過高問題。第三，化學效應，在較高的溫度作用下，廢氣中的一氧化碳、水蒸氣會發生裂解，伴隨裂解出現的是熱量的吸收，由此降低缸內的峰值溫度。

2 EGR率對發動機動力性、經濟性影響

通過應用EGR能夠有效降低汽油發動機的氮氧化合物排放，但是在EGR率過大的情況下會出現燃燒惡化的現象，增大了燃油消耗率，在負荷不穩定的情況下會加劇EGR燃燒的不穩定，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、選型標準眾多，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凝結，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廢氣，為此冷卻器在較小換熱面積下來實現更大換熱量。

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，目前汽車行業內，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冷卻器性能仿真結果分析

4.1 不均勻度指數

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，進而最終關系到發動機的排放性。從實際應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D評價催化劑界面上的均勻程度。

4.2 初始設計方案

初始設計方案汽車排氣管各部件壓力損失如表2所示，根據數據分析發現排氣連接管段占據總體壓力較大，原因如下：一種是管道彎折次數較多，另外一種是管路截面過于狹小。結合仿真分析，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，催化器的入口擴張管和出口收縮管呈現出錐型和喇叭型。

對于錐角類型的確定，連接管段和催化劑直徑已確定，通過錐角的參數信息來調節器基本形狀，錐角設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，經過設計優化之后的喇叭口截面速度矢量圖如圖5所示。

4.3 優化后的設計方案

初始方案優化后設計，橫向對比催化器截面的速度矢量圖，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總背壓。通過對圖6、圖7分析對比發現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 結束語

綜上所述，ECR冷卻器本質是換熱器在冷卻廢氣循環技術中的應用，基于ECR冷卻器原理出現多種類型的冷卻器。其中，光管式換熱器具有結構簡單、流動平穩性良好的優勢；螺紋管冷卻器具有傳熱效率高的優勢；翅片管具備結構科學的優勢；螺旋折流管換熱器具有性能穩定的優勢。相信伴隨人們對ECR冷卻器研究的深入發展，換熱器的性能將會得到進一步的改善。

參考文獻：

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