关于废气再循环（EGR）冷却器设计研究

高金铃 杨巍

摘 要：废气再循环冷却器的应用设计能够有效降低汽车尾气排放中氮氧化合物的含量，从而减少汽车行驶对空气的污染。本文在阐述废气再循环冷却器设计原理的基础上，针对废气再循环冷却器的性能要求和基本选型等设计问题进行探究。

关键词：废气再循环；冷却器；氮氧化合物；换热器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.043

当前随着汽车技术快速发展，汽车尾气排放对大气造成了更加严重的污染。柴油机作为汽车的主要动力，其在行驶过程中排放的氮氧化合物是危害大气环境的重要因素。柴油机具有高效率、低能耗并具有良好的动力性和经济型，从实际应用分析柴油机比汽油机能节省18%到28%的燃料，在未来动力的柴油化成为国际汽车领域的必然发展趋势，在资源节约型、环境友好型社会构建要求下怎样控制氮氧化合物的排放量成为技术人员需要思考和解决的问题。利用废弃再循环技术能够有效控制汽车发动机氮氧化合物的排放。本文结合实际项目针对废弃再循环冷却器的设计和应用问题展开探究，旨在能够进一步优化废弃再循环冷却器的性能及相关参数。

1 废气再循环（EGR）冷却器的设计原理

废弃再循环主要是指在确保内燃机动力性能不变的基础上，根据内燃气的温度和负荷大小将发动机排除的部分废气重新送回到进气管中，将废气和新空气混合重新进入气缸中燃烧，从而降低废气和污染物的排放。循环废气的量一般用EGR率进行表示进入废气管废气质量和进入气缸总气体质量的比值。废气再循环冷却器对氮氧化合物生成以及燃烧过程的影响具体表现在以下几个方面：第一，稀释效应，部分再循环废气会替代新鲜空气，使得新鲜空气的氧气浓度降低，汽车行驶燃烧焰前化学反应和燃烧速度会在一定程度上降低，从而延长燃烧时间。同时在EGR的作用下氮气和氧气的接触机会也会减少，在无形中减少了氮氧化合物的生成量。第二，热效应，再循环废气中的二氧化碳和水是三原子分子，具有较高的比热容，在流动过程中会比空气吸收更多的热量，工质总热容量的增加会使得同等数量燃烧放热的工质温度变化减少，从而减少冷却器应用过程中可能出现的压升率过高问题。第三，化学效应，在较高的温度作用下，废气中的一氧化碳、水蒸气会发生裂解，伴随裂解出现的是热量的吸收，由此降低缸内的峰值温度。

2 EGR率对发动机动力性、经济性影响

通过应用EGR能够有效降低汽油发动机的氮氧化合物排放，但是在EGR率过大的情况下会出现燃烧恶化的现象，增大了燃油消耗率，在负荷不稳定的情况下会加剧EGR燃烧的不稳定，增加HC的排放。EGR率对氮氧化合物排放浓度和燃油消耗率的影响具体如图2、图3所示，在图1中，空气燃烧被作为一种参变量，由此可见，在EGR率增大的情况下能够促进氮氧化合物的排放。为了能够有效提升氮氧化合物的净化率和排放率需要采取有效措施增加燃油的消耗率。

3 ECR冷却器的性能要求和类型

3.1 性能要求

ECR冷却器是一种微通道换热器、选型标准众多，在选型过程中主要涉及到流体类型、工作压力、温度变化、热负荷等需求。另外，EGR冷却器不仅要满足热交换器的要求，还需要确保其自身冷却温度条件。如果冷却温度低会使得排气中的水蒸气出现凝结，水蒸气和排气中的硫化合物作用形成酸，降低冷却器的寿命，由于EGR冷却器冷却对象是温度较高循环废气，为此冷却器在较小换热面积下来实现更大换热量。

3.2 类型

ECR冷却器类型众多，目前主要的冷却器类型对比如表1：

综合考虑制造工藝，使用便利性，及传热效率等方面因素，目前汽车行业内，主要是以板翅式EGR为主，下面将以板翅式EGR为研究对象开展仿真分析研究。

4 EGR冷却器性能仿真结果分析

4.1 不均匀度指数

气体在截面上的流动均匀，由此决定了气体在催化剂载体中的停留时间和催化效率，进而最终关系到发动机的排放性。从实际应用和操作情况来分析，流动均匀能够在一定程度上减少压力损失。为了便于定量分析比较，引入催化剂载体截面上流体速度不均匀的指数D评价催化剂界面上的均匀程度。

4.2 初始设计方案

初始设计方案汽车排气管各部件压力损失如表2所示，根据数据分析发现排气连接管段占据总体压力较大，原因如下：一种是管道弯折次数较多，另外一种是管路截面过于狭小。结合仿真分析，将连接管的直径大小从之前的22.5mm增加到25mm，并将催化剂的直径长度确定为定值，催化器的入口扩张管和出口收缩管呈现出锥型和喇叭型。

对于锥角类型的确定，连接管段和催化剂直径已确定，通过锥角的参数信息来调节器基本形状，锥角设计之后的截面速度矢量图如图4所示。喇叭口可以通过圆弧半径来定义其造型，经过设计优化之后的喇叭口截面速度矢量图如图5所示。

4.3 优化后的设计方案

初始方案优化后设计，横向对比催化器截面的速度矢量图，如图6、如图7所示，之后对比不同方案下的不均匀度和系统总背压。通过对图6、图7分析对比发现减小锥角及圆滑过渡集流部分通道能在一定程度上抑制扩张壁面流动分离和旋涡，从而增加了EGR冷却器的换热效率。

5 结束语

综上所述，ECR冷却器本质是换热器在冷却废气循环技术中的应用，基于ECR冷却器原理出现多种类型的冷却器。其中，光管式换热器具有结构简单、流动平稳性良好的优势；螺纹管冷却器具有传热效率高的优势；翅片管具备结构科学的优势；螺旋折流管换热器具有性能稳定的优势。相信伴随人们对ECR冷却器研究的深入发展，换热器的性能将会得到进一步的改善。

参考文献：

[1]高舒芳.柴油发动机废气再循环技术（EGR）的应用与工程优化设计研究[J].内燃机与配件，2017（02）：7-8.

[2]杨仕清.汽车发动机EGR废气冷却温度的稳定研究及改进设计[J].汽车工业研究，2017（05）：51-53.

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