废气再循环冷却器性能实验教学平台的开发

田 维，张 洵，韩志强

(西华大学 汽车与交通学院， 成都 610039)

废气再循环冷却器性能实验教学平台的开发

田 维，张 洵，韩志强

(西华大学 汽车与交通学院， 成都 610039)

废气再循环(EGR)冷却器的性能是影响发动机性能的关键因素之一。为了满足汽车发动机原理EGR部分实验教学的需求，基于现有发动机实验台架开发了一套EGR冷却器性能教学实验平台，利用LabVIEW软件进行数据采集、处理、显示和存储。该实验平台可实现冷却器进气温度、进水温度、气体流量和冷却水流量的主动控制，完成不同型号的EGR冷却器在不同条件下的换热效率和压降测试等实验项目。基于该平台的实际应用结果表明，平台所具备的功能达到了设计目标，不仅能够用于完成与理论教学环节相匹配的实验课程，还能用于本科生能力拓展实验和科学研究。通过EGR冷却器性能测试实验与理论教学环节相结合有利于培养学生的工程素养、实践动手能力和创新意识。

实验教学平台； 废气再循环； 冷却器； 性能测试

0 引 言

节能减排成为当今社会的主题，废气再循环(Exhaust Gas Recirculation，EGR)技术具有汽油机节能、柴油机减排的潜力而被广泛应用[1-6]。按EGR气体引入方式可分为内部EGR、外部EGR和气缸间EGR。由于电控式外部高压EGR控制灵活，对新鲜进气量影响较小和结构简单等因素而成为EGR技术的发展方向，其应用也更广泛[7-9]。外部高压EGR气体温度较高，为了提高充量系数和改善发动机性能，在实际使用中需要利用EGR冷却器对EGR气体进行冷却。EGR冷却器本质上是一个热交换器，实现高压EGR气体与冷却液的热交换过程，达到控制EGR气体温度的目的。EGR冷却器的性能是影响整个EGR系统性能的关键，国内外学者对其进行了相关的研究[10-12]。

由于发动机技术的不断革新，迫切需要将发动机上的新技术加入到教学工作当中来以满足未来学生的工作和发展需要。EGR技术作为发动机的关键技术之一是教学重点内容，因此亟需构建废气再循环冷却器性能测试实验并与理论教学环节相配合，更好地帮助学生掌握EGR冷却器结构、原理及其性能表现对发动机的影响[13-15]。EGR冷却器性能测试实验主要包括针对不同结构形式、不同使用条件下的冷却器进行换热效率和压降的测试和评价。EGR冷却器性能测试实验为学生探索EGR冷却器性能影响因素和改进EGR冷却器提供实践基础。

1 实验原理

EGR冷却器的性能实验主要涉及两个指标的测量，即传热效率和压力损失的测量，其测量原理图如图1所示。

图1 测量原理示意图

在冷却器的进气端和出气端均安装有温度传感器和压力传感器，分别测量进气和出气的温度和压力参数；在冷却器进、出水口均安装有温度传感器，用于测量冷却液进出冷却器时的温度。

1.1EGR冷却器换热效率测量原理

在充分换热的理想情况下，EGR气体的出口温度能达到与EGR冷却液进口温度相同的温度，此时换热效率达到最大，规定此条件下的换热效率为100%。定义EGR冷却器的换热效率η为实际进、出口气体的温度差与进口气体温度和冷却水进口温度差的比值，

(1)

式中：TEGR进为EGR气体进入冷却器之前温度，℃；TEGR出为EGR气体经过冷却器之后的温度，℃；Tcool进为冷却液进入冷却器时的温度，℃。

1.2压降的测量原理

EGR冷却器的压降指的是EGR气体在经过EGR冷却器时由于管路变化和壁面摩擦等因素导致的局部压力损失和沿程损失等压力损失的总和，定义EGR冷却器的压降损失为EGR冷却器进口处气体压力与EGR冷却器出口处气体压力的差值，即

Δp=p进-p出

(2)

式中：p进为EGR冷却器进口处气体压力，Pa；p出为EGR冷却器出口处气体压力，Pa。

2 EGR冷却器性能测试实验平台设计

2.1实验装置

根据上述实验原理所设计的实验装置主要由EGR冷却器、EGR流量控制部件、冷却液恒温系统、传感器等零部件组成，如图2所示。实验所需EGR气体由现有发动机台架提供，实验过程中EGR冷却器的进气端直接与发动机排气管取气口相连即可。

图2 EGR冷却器性能测试平台示意图

EGR流量控制部件由EGR阀和孔板式流量计组成，用于测量和调节流经EGR冷却器的气体流量。孔板式流量计根据气体温度和孔板前后的压差可测量出流经EGR冷却器的标态体积流量，基于所测得的气体流量手动调节EGR阀的开度，即可实现对EGR气体流量的控制。

冷却液恒温系统主要由冷却液恒温水槽(带加热功能)、散热器和可变流量水泵组成。冷却液恒温水槽可实现冷却液加热和保温；散热器安装于EGR冷却器出水口和恒温水槽之间，用于散失冷却液从EGR气体中所吸收的热量；可变流量水泵用于提供和调节流经EGR冷却器的冷却液流量。冷却液恒温水槽、散热器和可变流量水泵三者合理匹配即可实现冷却器入口处冷却液温度和流量的主动控制。主要设备及参数：孔板流量计流量0～60 m3/h，恒温水槽温度范围：～100 ℃，可调流量水泵流量范围0～27 L/min。

传感器主要包括温度传感器和压力传感器。温度传感器主要包括：冷却器进气温度传感器、冷却器出气温度传感器、冷却液进水温度传感器和冷却液出水温度传感器，基于上述温度传感器采集的数据和式(1)即可计算出冷却器的换热效率；压力传感器主要包括冷却器进气压力传感器和冷却器出气压力传感器，基于上述压力传感器采集的数据和式(2)即可计算出冷却器的压降。实验平台传感器及主要参数：EGR气体温度传感器量程0～600 ℃，EGR气体压力传感器量程0～0.4 MPa，冷却液温度传感器量程0～200 ℃。

2.2数据采集系统

本实验平台利用LabVIEW[16-17]软件编译的采集程序进行采集、处理、显示和存储实验数据。

整个采集系统主要采集EGR气体经过EGR冷却器前后的EGR气体温度、EGR气体压力和EGR冷却液进出口温度等参数，所有采集参数下：EGR冷却器前气体温度，℃；EGR冷却器前气体压力，kPa；EGR冷却器后气体温度，℃；EGR冷却器后气体压力，kPa；EGR冷却液进口温度，℃；EGR冷却液出口温度，℃。本采集系统主要由通讯模块、数据处理、数据显示和数据存储4部分组成。通信模块主要是利用通用串行总线(USB)和NI采集卡将温度传感器和压力传感器的电压信号转变成数字信号传给上位机进行相关数据处理；数据处理主要是将采集的相关信号进行一些滤波处理和数学运算以输出需要的数据结果；数据显示用于显示处理过的信号，可观察实验时整个EGR测试系统的状态；数据存储主要是为了保存原始数据，便于实验完成后可以分析、处理数据，得出相关实验结果和规律。

数据采集系统的操作界面如图3所示，主要包括温度显示控件、压力显示控件、压降实时显示曲线图、换热效率实时显示曲线图和控制控件，可直观地显示各采集点的温度、压力等原始参数以及经过相关计算后的换热效率和压降数据和波形图。

图3 数据采集界面

基于台架实验需求设计采集系统程序，程序框图如图4所示。采集程序主要包括采集模块、滤波模块、数值运算模块、显示模块、存储模块和控制模块。

3 EGR冷却器性能测试实验

3.1实验功能设计

(1) 了解和掌握EGR冷却器的工作原理及其结构；

图4 数据采集程序框图

(2) 熟悉换热效率和压降的定义，掌握换热效率和压降的测试原理及方法；

(3) 用于教学和科研实验中测量不同类型换热器在不同试验环境下的换热效率和压降，评价不同类型和不同边界条件下换热器的性能；

(4) 拓展性实验和研究性实验，如冷却器结构参数、冷却液温度等对换热效率和压降的影响规律研究，还可用于冷却器可靠性实验。

3.2实验步骤设计

(1) 按照发动机台架操作规程启动发动机并运行至实验所需工况；

(2) 打开EGR阀和冷却液流量控制阀，检查并确保整个实验平台无漏气、漏水现象；

(3) 检查并确保各传感器正常工作，采集系统工作正常；

(4) 所有仪器设备和采集系统正常工作后开始实验，待所有参数稳定后按照表3采集并记录相关实验数据；

(5) 根据实验方案完成所有实验后逐步调整发动机运行工况至怠速；

(6) 关闭EGR阀；

(7) 冷却液温度降至室温后关闭冷却液流量控制阀；

(8) 停止发动机；

(9) 若需要更换不同型号的冷却器则更换冷却器后重复步骤(1)～(8)可获得不同型号冷却器的实验数据；

(10) 整理实验数据并绘制相关图表。

3.3实验平台应用实例

利用设计的EGR冷却器性能测试实验平台根据实验步骤分别对4种不同型号EGR冷却器进行台架实验，实验条件：EGR进气温度260 ℃，EGR气体流量30 L/min，冷却液入口温度50 ℃。

根据采集的实验结果，利用式(1)和(2)分别求得4种不同型号EGR冷却器的换热效率和压降。由图5(a)可以看出，Ⅰ型EGR冷却器的换热效率与型号Ⅲ、Ⅳ接近，高于型号Ⅱ；但是它的压降与型号Ⅱ相同，低于型号Ⅲ、Ⅳ，如图5(b)所示。由此可以看出，Ⅰ型号EGR冷却器的性能优于其他3种型号的EGR冷却器。

(a) 不同型号EGR冷却器换热效率

(b) 不同型号EGR冷却器压降

4 结 语

根据EGR冷却器性能测试原理，基于现有发动机台架设计了相适应的废气再循环冷却器性能测试实验平台，并利用LabVIEW开发了相应的数据采集系统。根据实验功能设计了实验步骤，并基于所设计的实验步骤进行了不同类型的EGR冷却器的传热效率和压降实验。

EGR冷却器性能测试实验平台有利于实现实验教学与理论教学相结合，是前沿科研成果转化为实验教学内容的具体体现。此项实验教学的开展有助于本科学生的实践能力锻炼，可加深学生对EGR冷却器相关知识的理解，激发学生对课程学习的兴趣，提高学生理论联系实际的能力。EGR冷却器性能测试实验平台主要用于汽车发动机及相关专业大学本科生开展实验教学项目，同时也可用于课外拓展性研究和相关领域科研工作。

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Design of Experimental Platform for Exhaust Gas Recirculation Cooler Performance Test

TIANWei,ZHANGXun,HANZhiqiang

(School of Automobile & Transportation,Xihua University,Chengdu 610039,China)

The performance of EGR (Exhaust Gas Recirculation) cooler is one of the key factors that affect the engine performance.In order to satisfy the experimental teaching of testing the performance of EGR cooler an experimental platform was built.This experimental platform mainly based on existing engine test bench and the LabVIEW was used for data acquisition,data processing,data storage and data displaying.The inlet gas temperature,inlet cooling water temperature,gas flow rate and cooling water flow rate could be controlled,so it could be used for different type of EGR cooler performance test.The results of the examples based on this platform show that the performance of this platform achieves the experimental teaching requirement.This platform can be used not only for experimental teaching purpose,but also for undergraduate students’ ability development and scientific research.That the EGR performance test experimental teaching combines with theoretical teaching is propitious to cultivate the students’ engineering quality,practical ability and scientific innovative consciousness.

experimental teaching platform; exhaust gas recirculation(EGR); cooler; performance test

2016-11-03

国家级大学生创新创业训练计划项目(201410623001)；教育部春晖计划项目(Z2015083)

田 维(1981-)，男，四川成都人，博士，副教授，主要研究方向为内燃机工作过程优化及控制。

Tel.:028-87726799,13666290078; E-mail:tianviv@qq.com

TK 311

：A

：1006-7167(2017)07-0046-04