废气再循环EGR冷却器设计的现状与发展

作者:365体育官网发布日期:2020-08-31 06:39

  废气再循环EGR冷却器设计的现状与发展_机械/仪表_工程科技_专业资料。发动机排放

  第09卷 2009年 第7期 7月 中国水运 Ch i na Water Transport VoI.9 JuIY No.7 2009 废气再循环(EGR)冷却器设计的现状与发展 向飞,罗马吉 (武汉理工大学汽车_T-程学院,湖北武汉430070) 摘要:作为降低汽车尾气排放中NOx的重要方法,废气再循环(EGR)技术的应用在满足高的排放标准策略中 起着举足轻重的作用。本文重点介绍了冷却的EGR技术中各种EGR冷却器的结构和性能特点及其现状,指出了 EGR冷却器设计的发展趋势。 关键词:废气再循环;EGR冷却器;换热器 中图分类号:TH702 文献标识码:A 文章编号:1006--7973(2009)07-0147-03 提出的冷却的EGR技术是将再循环废气经冷却器冷却后, 再送入进气端,进一步降低进气温度,更有利于降低NOx的 排放,同时也改善了燃油的经济性。研究表明:冷却的EGR 技术对于NOx,PM的排放以及燃油的消耗率都有积极的影 响(如图1所示)131。 一、引言 柴油机具有低油耗、高效率的特点,有着良好的经济性 和动力性,实验证明,柴油机比汽油机多节能18%~28%, 由于柴油价格低于汽油,所以柴油机比汽油机又可节约燃料 费33%~40%【1l。因此,现代技术的柴油机正逐渐成为欧 美发达国家的主要车用动力,而本世纪车用动力的柴油化趋 势也已经成为国际汽车界的共识。 但柴油机排放技术的研究落后于汽油机也是不争的事 实,高的NOx排放一直是阻碍车辆柴油化的瓶颈。为了解决 氮氧化物的排放问题,从机内净化的角度入手,国内外内燃 机工作者们做了大量的研究工作,并提出了多种控制措施, 如采用废气再循环(EGR)技术、推迟喷油提前角、使用多 次喷射、采用高压共轨喷射系统等。其中尤以废气再循环技 术的排放效果最为显著,且得益于它对原机改动小,设计自 由度大的优点,目前已被广大汽车厂商广泛采用。 近年来,由于人们对于环保问题日益重视,排放法规也 越来越严格。在我国,北京已于2008年3月1日已经率先 使用国四排放标准,全国其他地区也将于2010年迈入国四 标准。这些对于EGR技术提出了更高的要求,冷却的EGR 系统以其更优的排放质量已经成为了满足排放标准的必要机 内净化措施,并已成为国内外汽车发动机满足排放法规的必 备装备。 胁 I一艄醯l I...............J 嗣 姓,毗 图1冷热EfiR性能比较 冷却的废气再循环技术并不要求过低的冷却温度,因为 过低的EGR温度不仅会导致水蒸气和硫化物的凝结,造成 汽缸壁的腐蚀和磨损,而且会导致EGR冷却器尺寸增大, 成本增加t 41。另外,还有学者提出:当EGR率较小时,EGR 冷却与否对发动机的燃油经济性影响相当,但当EGR率超 过7%之后,冷却的EOR对发动机的燃油经济性带来不利影 响,而在此范围内,冷却与非冷却对于氮氧化物的排放浓度 的影响几乎一致,印没有明显降低氮氧化物的排放却牺牲了 燃油的经济性15J。于是,又有学者对于不同负荷下的EGR冷 却温度进行了研究,并设计了EGR冷却温度的控制装置, 根据不同的工况,自动控制EGR冷却温度,从而更进一步 的降低NOx的排放【6.7JO 三、EGR冷却器的性能要求和类型 =、冷却废气再循环技术的原理 研究表明,高温富氧是汽车尾气排放中NOx主要的产生 条件12l,废气再循环(EGR)技术的基本原理是将部分排气 引入进气管,以提高混合气中的废气成分,这样一来,废气 对新气的稀释作用意味着降低了氧浓度,破坏了富氧的条件; 另一方面,由于废气中含有的水蒸气和二氧化碳等三原子分 子,比热容大,可以有效地降低气缸内的最高燃烧温度,破 环高温的条件,从而达到降低NOx含量的目的。 然而,直接将废气送入进气管的EGR技术增加了进气 温度,降低了燃烧效率,因此也降低了燃油的经济性,同时 提高了最高燃烧温度,又使NOx的排放量增加。基于此缺点 收稿日期:2009—06-01 1.EG虱冷却器的性能要求 EGR冷却器是一种换热器,选型的标准很多,最基本的 涉及待处理流体的类型、操作压力、温度、热负荷和费用等。 另外,用于对废气进行冷却的EGR冷却器不仅要满足热交 换器的基本要求,还要满足它自身冷却温度不能过低的特殊 要求。过低的冷却温度将使排气中的水蒸气凝结,与排气中 的含硫化合物结合形成酸,造成对冷却器及连接管路的酸性 腐蚀,降低冷却器的寿命与可靠性。由于EGR冷却器的冷 却对象是温度较高的再循环废气,要求冷却器在较小的换热 作者简介:向飞(1987一),男,湖北武汉人,武汉理工大学汽车工程学院,主要研究方向为内燃机燃烧与排放控制。 万方数据 148 中国水运 第09卷 面积下实现大的热量传递,而且必须尽可能提高废气再循环 冷却器的冷却效率,同时还要适应发动机振动大的特点。此 种工作条件下对冷却器的要求是: (1)冷却器要耐高温、耐腐蚀; (2)体积小、散热效率高、压力损失小、能防堵塞。 2.EGR冷却器的类型 式有明显提高,而且经过内部结构的优化,可以较大程度的 减少沉积物【1州。 (3)翅片式EGR冷却器 在光管上增加翅片,利用翅片扩大换热管表面积和促进 介质的紊流,从而提高传热效率是翅片管式EGR冷却器的 设计初衷。有学者将翅片管EGR冷却器与光管冷却器的冷 却效果进行了对比研究,并通过优化过渡锥形管长度、废气 进口截面形状、翅片阅距等方式进一步提高了翅片式EGR 冷却器的冷却效率11¨。 (4)螺旋折流板式EGR冷却器 在管壳式换热器中增加折流板能够改变壳程流体流向, 促进流体湍流,从而增强传热效率,传统的管壳式换热器采 用弓形折流板,它的缺点在于:沿程压降较大;易出现崭E动 死区、旁流和漏流,且容易积垢;较高的质量流速易诱导换 热管的振动,缩短了寿命【12-l31。针对弓形折流板的以上缺点, 人们提出了螺旋折流板换热器的概念,它也取代了弓形折流 管而成为折流板式EGR冷却器的主要类型。螺旋折流板 EGR冷却器(如图3所示)是用连续螺旋状的支撑板支撑换 热管,使壳程介质从壳程入口进入时,沿螺旋板形成的螺旋 通道斜向前进,将传统的横向折流方式变成纵向螺旋折流方 式,在降低壳程阻力的同时,达到强化传热效果。有研究表 明:螺旋折流管这种纯粹通过改善流动形式增强换热的方式, 换热效率较单纯光管式换热器有着明显的提高fl刺。总的来说, 螺旋折流管换热器的最大特点是单位压降下的壳侧换热系数 高,这就意味着在获得相同的壳侧换热系数条件下,其壳侧 阻力将小于弓形折流板换热器的,同时其流量要大于弓形折 流板,因此,螺旋折流管换热器在壳侧压力降或污垢热阻限 制比较严格的场合,以及流体诱导比较严重的场合尤其显示 出其优越性【1 51。 综合考虑以上性能要求,目前应用到EGR冷却器的换 热器可以分为两种形式:管壳式换热器和板翅式换热器。管 壳式换热器是最传统的通过壁面进行换热的装置,它的研究 与发展也最健全,而且得益于管壳式换热器易于制造,生产 成本低,选材范围广,传热表面清洗较方便,适应性强,处 理量大,具有高度工作可靠性,能承受高温、高压等优点, 很好的满足了EGR冷却器的基本工作要求,成为了EGR冷 却器最常见的方式,目前可见的管壳式EGR冷却器有以下 四种形式:光管式EGR冷却器、螺纹管式EGR冷却器、翅 片式EGR冷却器、螺旋折流板式EGR冷却器。另外,板翅 式换热器作为高效换热器的一种形式,以其结构紧密,轻巧, 传热面积大,传热效率高的特点,亦被许多的EGR冷却器 所采用。 (1)光管式EGR冷却器 光管式EGR冷却器(如图2所示)利用管壁的热传导 进行废气和冷却水的热量交换。它的优点是:结构简单,易 于制造,成本较低,传热表面清洗方便壳程内流动阻力小, 能承受高温,高压;缺点是传热面积不大,传热效率较低。 在光管式EGR冷却器的设计中,需要综合考虑管径,管长 以及管子的排列方式,以期得到最佳的冷去效果,目前已有 学者对于光管式EGR冷却器的优化设计进行了理论和CFD 仿线.冷却水出口3.换热管4.锥形管5.废 气入口6.废气出口 . l、废气入口2、外壳3、冷却水入口4、废气出口 5、冷却水出口 (2)螺纹管式EGR冷却器 将光管壁滚压或扎制成凸凹螺旋形槽纹,即成为螺纹管, 6、隔板 7、管子 8、螺旋折流管 9、隔板 用螺纹管代替上述光管做成的EGR冷却器即为螺纹管式 EGR冷却器。它利用了表面粗糙化从而加强换热的原理,一 方面改变了边界层的结构,另一方面扩展了传热面积,从而 增强了换热,但是却使流动阻力增大,损失增加,沉积物增 多。有研究表明:螺纹管式EGR冷却器的冷却效率较光管 图3螺旋折流板EGR冷却器 (5)板翅式EGR冷却器 顾名思义,板翅式EGR冷却器(如图4所示)是以平 板和翅片作为传热元件的换热器。它的优点是传热效率高, 紧凑,轻巧,适应性强。有研究表明:板翅式EGR燃 万方数据 第7期 向飞等:废气再循环(EGR)冷却器设计的现状与发展 149 比螺纹式F.,GR换热器的效率要高出25%一50%t161;缺点是 制造工艺要求严格,工艺过程复杂,容易堵塞,不耐腐蚀, 清洗检修困难。尽管如此,板翅式E,GR冷却器还是以其高 的传热效率受到了国外研究者的青睐。对于板翅式EGR冷 却器,目前的研究工作大多数集中在真空钎焊技术和新型材 斟的开发研究上117l。 【4】房克信,邓康耀,邬静川.EGK温室对涡轮增压柴油机燃 烧和排放的影响田.农业机械学报,2004(6):40—43. 【5】姚春德,敬章超,傅晓光,等.冷却废气再循环对发动机 性能影响的实验研究D】.汽车工程,2003(6):537—540, 568. 【6】李爱娟,郭新民,刘刚,等.柴油机EGK电控冷却系统实 验研究IJ].内燃机学报,2009(1):55-61. 阴傅旭光,郭新民,刘永进,等.柴油机废气再循环冷却控 制系统设计与试验Ⅱ】.农业机械学报,2006(5):34—36, 44. 【8】傅旭光.汽车发动机EGK冷却控制系统的研究p】.山东: 山东农业大学。2006. 【9】古国栋,李远才.汽车发动机EGP,.系统换热器的CFD数 值模*alJ].中国水运。2006(8):47-49. 【10】H.一M.KIM,S.-K.PARK,K S-CHOI.Investigation On. the flow and heat nan《bf characteristics of diesel engine EGR. 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