智能化汽车尾气再循环（EGR）冷却器试验台研制

盛珣华（北京理工大学珠海学院，广东 珠海 519085）

废气再循环（EGR）冷却器技术是将发动机排出的定量废气回送到混流器与新鲜空气混合后进入气缸，由于废气再循环使得燃烧温度降低，氧的相对浓度降低，NOx有害排放得以减少。冷却器是废气再循环装置中的重要元件，它通过降低废气温度，使废气再循环更有效。

随着EGR冷却器制造技术的提高及国内外市场的巨大需求，面临的紧迫问题是冷却器性能测试平台短缺。 调查显示，很少有非换热器公司具有EGR换热器性能测试实验台，即使已有的试验台，其中多半的测试手段和方法已相对落后。设计一套自动化程度高、测量准确、操作简单、适用范围广的EGR换热器性能实验系统，对我国EGR产业的发展能够起到一定的推动作用。一方面能够为以后的EGR冷却器的性能参数提供可靠方便的测试平台；另一方面为以后我国制定EGR冷却器性能参数的行业标准提供有效数据及技术支持。

1 智能化ERG冷却器试验台总体结构

根据国家有关标准及换热器性能实验的实验原理，首先对实验系统的硬件进行了总体的设计，在此设计基础上搭建实验台并在建立过程中作出相应的改进和调整。通过实验能够确定废气再循环（EGR）冷却器的传热性能，给出不同定性温度下传热系数与流速之间的关系，建立努谢尔准则数与雷诺数之间的准则方程式；确定EGR冷却器的流体阻力性能，给出压力降与流速之间的关系。

1.1 试验台性能要求

（1） 有燃气发生器作为气源，其压力为0.1～0.3MPa，温度为200～600℃，流量为35～150kg/Hr可调。

（2） 有温度流量可调的水源。

（3） 同时记录进出气与进出水的温度和压力。

（4） 自动计算和打印出各试验点的热流和总传热系数。

1.2 试验台系统结构

实验台系统由实验台本体、高温燃气发生器、空气冷却器、热水源及可控硅温度控制器五大件组成。五大件各自独立，有较大灵活性。系统如图1所示。

图1 试验台系统结构图

实验台本体结构紧凑，实验用的换热器置于高温燃气发生器废气出口上。水箱、管路、水泵、涡轮流量计、调节阀、加热器及电阻温度计组合成一个独立的冷却热水源。三相可控硅温控装置温度控制精度为±0.1℃。为了防止水中有杂质与颗粒堵塞流量计并造成温度计与压力计的测量误差，管路中设计加装过滤器，过滤器可以定期取出冲洗除污。冷却水的散热系统除了水箱本身具有散热能力外，冷却水系统的管路中安装空气冷却器，空气冷却器主要利用空气来将热水传递给冷水的热量带走，冷却介质采用空气，一是尽管考虑到如果采用水冷，效果比空气冷却好，但是水资源的消耗较大；二是空气资源十分丰富，且实验过程中没污染。

换热器中流体流动形式可认作为二次叉流，水-气流向为逆流。需测参数共计11个：换热器进、出水温度和压力（4个），进、出废气温度和压力（4个），大气温度，水流量及废气流量。水侧和气侧进出口温度用铜-康铜热电偶测量。水侧进出口温度测点布置在换热器进出口水管内；进口空气温度测点布置在紧靠换热器的进口截面处，用3对热电偶并联进行测量；空气出口温度测点2布置在换热器出口截面后的均温段出口处，用9对热电偶并联进行测量。换热器内水流量用涡轮流量计测量，空气流量用风机进风口内的毕托管及微差压传感器进行测量。

实验设计中，传感器的选型与设计安装是十分重要的，它们是实验结果的精度与实验系统设计成功与否的关键。具体要求如下：

（1）流量计：涡轮流量计应安装在水平直管段上，其涡轮上游直管段长度应不小于20倍管径，下游直管段长度应不小于15倍管径。在仪表的上游直管段起始端应安装过滤器；测量废气流量的板孔式流量计可以安装在水平或垂直管道上，安装时必须注意流体流向与流量计箭头标示方向一致。测量管段内所有密封垫片，夹紧后不得突入管道内，否则会使流速紊乱，影响测量精度。流量计前后要有足够长的直管段。在新铺设的管路上安装流量计时，应在清扫管线之后再安装。

（2）温度测量：测温元件的感温点应位于管道中心，其保护管的插入深度L应按温度计使用说明书的规定；温度保温管的安装应符合规定。当管道公称直径大于Dg80mm时，垂直安装法进行安装；当管道公称直径小于或等于Dg80mm时，可以倾斜安装、在管道弯头处安装或在扩大管处安装；测温点的上、下游各处300mm范围内，保温层应尽可能加厚，换热器、混合器、测温点之间的全部管线应保温良好。

（3）压力（差压测量）：静压测孔应设置在距离任何扰动区（弯管、阀门等）下游至少5倍管径、上游至少2倍管径处。静压测孔应与测壁面垂直。

水侧和废气侧进出口温度用电热阻温度计测量，水侧和废气侧进出口压力用扩散硅压力传感器测量。换热器内水流量用涡轮流量计测量，废气流量用板孔式流量计进行测量。所用传感器都采用屏蔽线与控制柜及计算机进行连接，这是考虑到远距离传输中防止传输信号受到干扰。为了方便校验、观测与控制，实验系统采用了控制柜的仪表与计算机并行监测现场信号的处理方法。在系统调试运行正常后，将控制柜放置在现场，而核心部件计算机则放置在计算机房，进行远程控制，这样也可以实现手动与自动两种不同的控制方法。

2 测控系统

测控系统由温度、压力及流量传感器及变送器、控制柜内的二次显示仪表、I/V转换板、AD板卡、DA板卡、变频器、冷却水泵、高温燃烧器进气控制阀及控制计算机组成，如图2所示。

系统中使用的电热阻温度计输出电流信号，涡轮流量计输出脉冲信号，扩散硅压力计输出电流信号，温度与流量信号都送往控制柜中的二次显示仪表与计算机并联显示，所有的可远传信号最后都变成电流信号送往I/V转换板，经AD板卡变成数字信号后被计算机接收。

控制方法采用的反馈控制，主要对制冷剂（即水）流量和高温燃气发生器的负荷进行控制，由计算机传出的控制量经DA板卡变成模拟信号后送变频器来调节控制冷水泵的转速，和高温燃气发生器的进气阀门开度和燃油泵的转速，从而达到控制流量的目的。

图2 测控系统流程图

3 实验步骤与结果

3.1 实验步骤

（1）接通可控硅温控装置电源，开启温控装置，设定热水的加热温度；

（2）开启回水阀，开启水泵，改变调节阀开度调节水流量；

（3）开启风机，将风门开到最大开度；

（4）开启高温燃气发生器，最大负荷；

（5）待水温到达设定温度并稳定30分钟后，读取有关数据（注意水流量也应稳定）；

（6）逐次减小高温燃气发生器的负荷改变实验工况，改变一次工况稳定30分钟后再读数据。

3.2 实验结果

对不同的EGR冷却器型式，通过简单的安装，可以在本实验台系统上得到该冷却器的一系列性能参数，由此可对冷却器的传热性能进行评价和比较。

实验过程中，系统的温度、流量、加热功率可依靠计算机进行调节、切换等，当实验件的水进口温度稳定在某一工况且系统处于热平衡（大流量工况<,小流量工况<）状态时，进行数据的采集（采集有两种方式，一种是由计算机自动采集，另一种计算机键盘采集）、计算、整理，打印实验数据。

试验数据输出包括：（1）打印或抄录实验数据表；（2）标准传热量传热系数阻力压降与气侧雷诺数的关曲线等。

[1] 向飞等. 废气再循环（EGR）冷却器设计的现状与发展[J]. 中国水运.

[2] 李志强等. 国外废气再循环（EGR）冷却器制造技术及应用现状[J].汽车工艺与材料.