EGR冷卻器液側沸騰特性及流量參數優化研究

楊季旺 龐華廷 劉叢浩 杜憲峰 牛俊良 劉崇

摘 要：文章對某款柴油發動機的EGR冷卻器的沸騰現象進行了研究，EGR冷卻器的主要作用是對循環廢氣進行冷卻，文章基于Ansys Fluent軟件對EGR冷卻器進行流體熱力學有限元仿真，對比了不同的EGR冷卻水流量，沸騰區域的大小，并提出了合理的EGR冷卻水流量，有效防止了沸騰現象對EGR冷卻器的損害。

關鍵詞：EGR冷卻器;CFD軟件;水流量;沸騰

中圖分類號：U463.23+4.93 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）21-98-03

Abstract： In this paper， a model of diesel engine EGR cooler boiling phenomena are studied， the main purpose of the EGR cooler is to cooling circulation gas， based on Ansys Fluent software for EGR cooler fluid thermodynamic finite element simulation， compares the different EGR cooling water flow rate， boiling area size， and put forward the reasonable EGR cooling water flow rate， effectively prevent the phenomenon of boiling the damage to the EGR cooler.

Keywords： EGR cooler; CFD software; Water flow; Boiling

CLC NO.： U463.23+4.93 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）21-98-03

前言

隨著汽車保有量的逐年增長，環境污染問題愈發嚴重，柴油機排出的氮氧化物（NOX）嚴重威脅到了人們的健康，國VI低排放法規的出臺使內燃機排放問題受到更廣泛的關注[1]。EGR技術作為一種能有效減低NOX方法而被廣泛應用，廢氣再循環的EGR技術指把發動機排出的部分廢氣回送到進氣歧管，并與新鮮混合氣一起進入氣缸。由于廢氣中含有大量CO2等多原子氣體，而CO2等氣體不能燃燒卻由于比熱容高而吸收大量的熱，使氣缸中混合氣的最高燃燒溫度降低，從而減少NOX的生成[2]。EGR冷卻器是EGR系統中的重要組成部分，在工程上經常會因為沸騰現象導致冷卻器開裂[3]，因此探究不同水流量對EGR冷卻器沸騰的影響，對EGR冷卻器使用壽命有積極的作用。

本文對國六柴油發動機EGR冷卻器，應用三維熱力學仿真技術對EGR冷卻器建立數學模型[4-5]，分析不同水流量對沸騰的影響[6-8]。

1 冷卻器結構

本文研究的EGR冷卻器依托于某主機廠的翅片式EGR 冷卻器，其內部結構相比于國四，國五柴油機所使用的打坑管式EGR冷卻器和螺旋管式EGR冷卻器有更好的換熱性能。EGR冷卻器的功能是冷卻再循環氣體，其主要部分包括：進氣法蘭，排氣法蘭，冷卻管，進氣口，排氣口，冷卻水入口，冷卻水出口。

2 沸騰現象

如圖1沸騰曲線可以分為四個主要的區域。對流沸騰區（圖中的AB 線段），過渡沸騰區（圖中的CD 線段），膜態沸騰區（圖中DE 線段），核態沸騰區（圖中的BC 線段），經過C點之后，隨著過熱度的進一步增加而使汽化核心的數目增加到使其產生的汽泡很容易結合成汽膜，從而使換熱強度下降，汽膜可以使局部溫度很好對冷卻器造成損害。核態沸騰的轉折點DNB有重大意義，亦稱燒毀點，核態沸騰具有較好的換熱性能，但不能超過DNB點，否則會造成EGR冷卻器局部溫度過高從而燒毀冷卻器。

3 CFD分析計算

3.1 三維建模，網格劃分與求解

本文用CATIA軟件建立三維模型，模型所示，將模型導入ANSYS Workbench下，采用mesh進行網格劃分，網格類型為四面體，數量為14673800;使用ANSYS Fluent進行求解，本文采用氣—固—液耦合的方式進行仿真模擬，氣側材料為空氣，液側為水，金屬材料為不銹鋼，邊界條件如表1：

3.2 仿真結果分析

結合沸騰試驗實際測試結果，選取464 kg/h、880 kg/h、1500 kg/h三個工況進行CFD了仿真分析。仿真結果如表2：

3.2.1 溫度對比圖

液側整體溫度分布對比（溫度范圍84.4～120°C，高于120°C顯示紅色）如圖2：

3.2.2 沸騰區域分析

按試驗條件給定的水側絕對壓力215 kPa，查表得知，水在此壓力下的沸點為120℃，各水流量沸騰區域如表3：

3.2.2 結果分析

通過本次沸騰試驗以及對CFD仿真分析結果，可以得出結論：

1）在保持氣側試驗條件一定（入口溫度490℃，流量80kg/h）的條件下，水側流量1520kg/h的工況時，在氣側高溫的入口側（水側）為出現氣泡的臨界點（超出120℃的區域占比為0.0002%），此時水側出口端的溫度為90℃左右，不易出現沸騰現象;

2）在保持氣側試驗條件一定（入口溫度490℃，流量80kg/h）的條件下，水側流量880kg/h的工況時，在氣側高溫的入口側（水側）出現大量氣泡生成，但未出現擴散現象（超出120℃的區域占比為0.016%），此時水側出口端的溫度為92℃左右，有產生沸騰的趨勢;

3）在保持氣側試驗條件一定（入口溫度490℃，流量80kg/h）的條件下，水側流量464kg/h的工況時，在氣側高溫的入口側（水側）有大量密集氣泡生成并變大，同時向水側出口端溢出（超出120℃的區域占比為0.29%），此時水側出口端的溫度為100℃左右，已經開始出現沸騰。

4 結論

本文通過對某款柴油機EGR冷卻器，采用ANSYS Fluent軟件的仿真分析，得到在氣側流量為80kg/h，入口溫度為490℃及水側入口溫度85℃的條件下，當水側流量達到880kg/h時即采用措施防止沸騰現象的產生。

參考文獻

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