廢氣再循環（EGR）冷卻器的冷卻液進水溫度和流量對出氣溫度的影響

摘" 要：本文以商用車廢氣再循環（EGR）冷卻器為研究對象，通過分析廢氣再循環冷卻器的對流換熱原理，結合其物性參數，建立冷卻器的平壁導熱模型，并用臺架試驗驗證其出氣溫度的計算精度，以此探究冷卻液進水溫度和流量的變化對出氣溫度的影響。結果表明：廢氣再循環（EGR）冷卻器的冷卻液進水溫度和出氣溫度具有相對穩定的關系，即冷卻液進水溫度每升高1℃，出氣溫度也升高約1℃；對于冷卻液流量，當流量接近沸騰臨界值時，冷卻液流量對出氣溫度影響較大，冷卻液流量每升高20L/min，出氣溫度降低約4～7℃，當流量大于臨界值時，且隨著流量的增加，對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℃。

關鍵詞：廢氣再循環冷卻器；冷卻液進水溫度；冷卻液流量；出氣溫度

中圖分類號：U464" " " 文獻標志碼：A" " " 文章編號：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

畢業于武漢科技大學機械工程專業，碩士學歷，現就職于東風馬勒熱系統有限公司技術中心，任產品設計工程師，主要研究方向：廢氣再循環（EGR）冷卻系統及零部件的開發工作。

前" " 言

廢氣再循環（EGR）冷卻器是廢氣再循環系統中降低廢氣溫度的裝置，如圖1所示，廢氣經冷卻后，可以降低燃燒初期的壓力升高率和峰值壓力，新鮮空氣節流損失降低，進氣充量增加，預混合氣體的溫度會進一步降低，由此延長燃燒滯燃期，增大預混合燃燒的比例，縮短燃燒持續期，降低最高燃燒溫度，減少NOx的排放[1-2]。

廢氣再循環（EGR）冷卻器通過循環流動的冷卻液降低廢氣溫度，冷卻液的進水溫度和流量是影響換熱的關鍵因素，本文以商用車六缸發動機為研究對象，通過EGR冷卻器換熱性能臺架試驗得出其對流換熱特征數方程（Nu=f（Re， Pr） ），建立平壁換熱模型，探究當冷卻液進水溫度和流量以某種規律改變時，出氣溫度的變化趨勢，由此評估冷卻液的溫度和流量對氣側冷后溫度的影響程度，為現行的商用車EGR冷卻器能有效、精準的降低冷后溫度，并改善NOX排放的相關工作提供參考。

為便于闡述，以下均將廢氣再循環（EGR）冷卻器簡稱為EGR（Exhaust Gas Re-circulation）冷卻器，EGR冷卻器液側進口流量簡稱為進水流量，液側出口流量簡稱為出水流量，EGR冷卻器氣側進口溫度簡稱為進氣溫度，氣側出口溫度簡稱為出氣溫度。

1" " 廢氣再循環冷卻器結構

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

散熱管在殼體內以矩陣形式分布，如圖3所示，數量根據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，換熱面積更大，可提高冷卻器散熱能力和抗沸騰性。

2" " 對流換熱基本理論

EGR冷卻器多采用順流結構，即廢氣與冷卻液同向流動，如圖4所示，這種結構可以有效減小熱端散熱管壁面的沸騰區域，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、出氣溫度，t1、t2為液側的進、出水溫度。高溫廢氣和冷卻液在EGR冷卻器芯體內進行熱交換，廢氣在向前流動的過程中逐漸放熱，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）在換熱中釋放的熱量為：

冷流體（冷卻液側）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冷卻器的進氣溫度通常為600～ 750℃，出氣溫度為110～140℃（根據機型和性能要求而定），對于冷卻液側，進、出水口溫差通常為8～10℃，因此，?T gt;?t，結合式（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，其計算方式是：

式中φ為換熱效率，且對于順流結構的EGR冷卻器，換熱量Q用平均溫度差來計算則有如下：

廢氣的熱量通過散熱管管壁向冷卻液側進行傳遞，熱量傳遞的方向為廢氣→散熱管壁→冷卻液側，如圖6所示：

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

若不計熱輻射和其他熱量損失，EGR冷卻器的熱傳導可分為如下三個過程：

（1）高溫廢氣側的對流換熱：

（2）散熱管壁面的熱傳導：

（3）低溫液側的對流換熱：

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、冷流體的對流換熱系數，K為冷卻器總的換熱系數，F為換熱面積，δW為散熱管壁面厚度，λW為平壁導熱系數。其中是λ是物性參數，僅和材料屬性相關。

EGR冷卻器的傳熱數學模型最終可以用努塞爾模型來表達[4]，如下：

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

對于商用車EGR冷卻器，fwall=1，K3=0;

多數情況下，EGR冷卻器通道的流程長度遠遠大于水力直徑，所以作為僅和熱交換器尺寸相關的系數，可設置fstart =1；同時，Pr是完全由流體物性確定的準數，K4的取值僅和流體物性相關，經查取資料得出經驗值：對于空氣，K4=1/3。

綜上，EGR冷卻器的傳熱模型簡化后可得：

對于K1和K2的求解，可通過多組試驗臺架測試的數據，包括冷、熱流體兩側的出口溫度（T2 ，t2），冷、熱流體的換熱效率α1、α2，以及雷洛數（Re）和計算相應的努塞爾數（Nu），再利用最小二乘法擬合函數曲線得出K1和K2的值。本文所述EGR冷卻器計算得出K1=0.2653，K2=0.6601，故冷卻器傳熱模型關系式為：

擬合得到的函數曲線如圖7所示：

EGR冷卻器單體性能試驗的測試結果是建立其對流換熱模型的前提，需先根據氣、液兩側臺架試驗的輸入參數和輸出結果，結合其本身固有的物理特性，如熱交換流動方式、換熱面積、散熱管壁厚度、流體的導熱系數、平壁換熱系數等，得到適用于特定冷卻器的無量綱準數和Nu-Re關系曲線，據此便可計算在不同廢氣和冷卻液進口溫度、流量、壓力下的EGR冷卻器的出氣溫度。

3" " 傳熱計算與臺架試驗結果對比

本文擬采用基于EGR冷卻器對流換熱模型計算的出氣溫度值與臺架驗證結果進行對比，以檢驗其準確性。所用臺架為EGR冷卻器換熱性能試驗臺，EGR冷卻器的主要參數如表1所示：

試驗臺架包括氣側循環系統、液側循環系統、氣側進、出氣溫度和壓力傳感器，液側進、出口溫度和壓力傳感器，試驗接管等。試驗臺架布置如圖8所示：

臺架試驗的工況點應取自實車運行工況，且覆蓋范圍須盡可能寬廣。本文選取7個典型的工況點進行測試，如表2所示，來驗證傳熱計算的準確性。

熱傳導計算與臺架試驗的結果對比如圖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冷卻器的對流換熱模型計算的出氣溫度數值與臺架試驗結果的吻合度較高，對后續研究冷卻液的進水溫度、流量對出氣溫度的影響具有重要參考價值。

4" " 冷卻液溫度和流量對出氣溫度的影響

EGR冷卻器中的高溫廢氣是通過冷卻液的循環流動來降溫的，冷卻液的流量和溫度對換熱效率具有重要影響。本文通過改變冷卻液溫度和流量，保持其他參數不變，如氣側流量、壓力和溫度，液側壓力，結合對流換熱計算結果探究冷卻液對出氣溫度的影響。

試驗工況來源于發動機瞬態測點。傳統的內燃機主要集中在對穩態性能的研究，但實際上，整車在行駛的過程中多處于瞬態工況，內燃機的瞬態工況是一系列怠速，加速、減速、加載和減載工況的組合[5]，燃燒廢氣和發動機水泵流量的變化更為頻繁，選取瞬態工況可以更客觀的反映整車運行情況。

4.1" "冷卻液進水溫度對出氣溫度的影響

本文選取發動機轉速在1900rpm下的三組瞬態工況，如下表3所示。

商用車EGR冷卻器的進水溫度通常在90℃左右，此處進水溫范圍取80～90℃，變化梯度為1℃，氣側和液側的其余參數保持不變，通過熱傳導模型分別計算不同進氣溫度下EGR的出氣溫度，結果如圖10所示：

結果表明：不同工況下，進水溫度和出氣溫度都接近線性關系，說明兩者具有相對穩定的對應關系，即進水溫度每升高1℃，出氣溫度相應升高1℃。

4.2" "冷卻液進水流量對出氣溫度的影響

同樣地，利用表格3中的瞬態工況，僅改變冷卻液進水流量，其他參數保持不變，運用換熱模型計算出氣溫度。

進水流量的選取范圍可根據最小水流量值，冷卻液沸騰起始點對應的流量即為最小冷卻液流量，流量范圍應包含最小水流量，且保證多數點大于最小限值。

本文利用臺架測量表3中工況的最小水流量。基本原理是通過監測液側進、出水口的壓差進行測量，沸騰氣泡形成和破裂的過程會使冷卻液進、出壓差產生不規律的波動，當波動振幅高于初始值的20%時，判定沸騰發生，如圖11所示。

測試所得的最小水流量分別為：1-64L/min，2-65L/min，3-58L/min，故進水流量選取范圍為40～280L/min，計算結果如圖12所示。

為進一步闡明進水流量對出氣溫度的影響，本文列出了液側流量按照20L/min的梯度變化時對應的出氣溫度，如表4所示。

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

5" " 結論

（1）EGR冷卻器的對流換熱模型是根據單體換熱性能試驗建立的，結合平壁熱交換原理和冷卻器的固有物性計算廢氣出氣溫度，通過與單體性能試驗的結果對比，表明該熱傳導模型的計算精度高，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水溫度存在著較為穩定的關系，即：進水溫度每升高1℃，出氣溫度相應升高約1℃。

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

參考文獻：

[1]房克信，鄧康耀，鄔靜川. EGR溫度對渦輪增壓柴油機燃燒和排放的影響[J].農業機械學報，2004，35（6）：40-43.

[2]王建昕，帥石金. 汽車發動機原理[M].北京：清華大學出版社，2011.

[3]丁良，王堅鋼，韋錦順，商用車EGR冷卻器順逆結構對沸騰區域影響的研究[J].柴油機，2019，41（1）：27-29.

[4]楊世銘，陶文銓. 傳熱學（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]董天普，張付軍，劉波瀾等. EGR對渦輪增壓器柴油機瞬態特性的影響[J]. 內燃機學報，2017，32（2）：118-122.

專家推薦語

張桂林

東風馬勒熱系統有限公司技術中心

主任工程師" 高級工程師

本論文基于商用車廢氣再循環（EGR）冷卻器開發項目，根據EGR冷卻器的換熱原理、結構特性和性能試驗結果建立其導熱模型，并結合實際臺架試驗結果闡明導熱模型對出氣溫度計算的高精度性，實現準確探究冷卻液溫度和流量對廢氣出氣溫度的影響趨勢。通過分析換熱關鍵因素對廢氣冷卻溫度的影響，為后續精準、高效的降低循環廢氣溫度和NOX排放提供了理論依據，在整車熱管理標定和降低有害排放優化等方面具有指導和借鑒作用。