EGR冷却器液侧沸腾特性及流量参数优化研究

杨季旺 庞华廷 刘丛浩 杜宪峰 牛俊良 刘崇

摘 要：文章对某款柴油发动机的EGR冷却器的沸腾现象进行了研究，EGR冷却器的主要作用是对循环废气进行冷却，文章基于Ansys Fluent软件对EGR冷却器进行流体热力学有限元仿真，对比了不同的EGR冷却水流量，沸腾区域的大小，并提出了合理的EGR冷却水流量，有效防止了沸腾现象对EGR冷却器的损害。

关键词：EGR冷却器;CFD软件;水流量;沸腾

中图分类号：U463.23+4.93  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）21-98-03

Abstract： In this paper， a model of diesel engine EGR cooler boiling phenomena are studied， the main purpose of the EGR cooler is to cooling circulation gas， based on Ansys Fluent software for EGR cooler fluid thermodynamic finite element simulation， compares the different EGR cooling water flow rate， boiling area size， and put forward the reasonable EGR cooling water flow rate， effectively prevent the phenomenon of boiling the damage to the EGR cooler.

Keywords： EGR cooler; CFD software; Water flow; Boiling

CLC NO.： U463.23+4.93  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）21-98-03

前言

随着汽车保有量的逐年增长，环境污染问题愈发严重，柴油机排出的氮氧化物（NOX）严重威胁到了人们的健康，国VI低排放法规的出台使内燃机排放问题受到更广泛的关注[1]。EGR技术作为一种能有效减低NOX方法而被广泛应用，废气再循环的EGR技术指把发动机排出的部分废气回送到进气歧管，并与新鲜混合气一起进入气缸。由于废气中含有大量CO2等多原子气体，而CO2等气体不能燃烧却由于比热容高而吸收大量的热，使气缸中混合氣的最高燃烧温度降低，从而减少NOX的生成[2]。EGR冷却器是EGR系统中的重要组成部分，在工程上经常会因为沸腾现象导致冷却器开裂[3]，因此探究不同水流量对EGR冷却器沸腾的影响，对EGR冷却器使用寿命有积极的作用。

本文对国六柴油发动机EGR冷却器，应用三维热力学仿真技术对EGR冷却器建立数学模型[4-5]，分析不同水流量对沸腾的影响[6-8]。

1 冷却器结构

本文研究的EGR冷却器依托于某主机厂的翅片式EGR 冷却器，其内部结构相比于国四，国五柴油机所使用的打坑管式EGR冷却器和螺旋管式EGR冷却器有更好的换热性能。EGR冷却器的功能是冷却再循环气体，其主要部分包括：进气法兰，排气法兰，冷却管，进气口，排气口，冷却水入口，冷却水出口。

2 沸腾现象

如图1沸腾曲线可以分为四个主要的区域。对流沸腾区（图中的AB 线段），过渡沸腾区（图中的CD 线段），膜态沸腾区（图中DE 线段），核态沸腾区（图中的BC 线段），经过C点之后，随着过热度的进一步增加而使汽化核心的数目增加到使其产生的汽泡很容易结合成汽膜，从而使换热强度下降，汽膜可以使局部温度很好对冷却器造成损害。核态沸腾的转折点DNB有重大意义，亦称烧毁点，核态沸腾具有较好的换热性能，但不能超过DNB点，否则会造成EGR冷却器局部温度过高从而烧毁冷却器。

3 CFD分析计算

3.1 三维建模，网格划分与求解

本文用CATIA软件建立三维模型，模型所示，将模型导入ANSYS Workbench下，采用mesh进行网格划分，网格类型为四面体，数量为14673800;使用ANSYS Fluent进行求解，本文采用气—固—液耦合的方式进行仿真模拟，气侧材料为空气，液侧为水，金属材料为不锈钢，边界条件如表1：

3.2 仿真结果分析

结合沸腾试验实际测试结果，选取464 kg/h、880 kg/h、1500 kg/h三个工况进行CFD了仿真分析。仿真结果如表2：

3.2.1 温度对比图

液侧整体温度分布对比（温度范围84.4～120°C，高于120°C显示红色）如图2：

3.2.2 沸腾区域分析

按试验条件给定的水侧绝对压力215 kPa，查表得知，水在此压力下的沸点为120℃，各水流量沸腾区域如表3：

3.2.2 结果分析

通过本次沸腾试验以及对CFD仿真分析结果，可以得出结论：

1）在保持气侧试验条件一定（入口温度490℃，流量80kg/h）的条件下，水侧流量1520kg/h的工况时，在气侧高温的入口侧（水侧）为出现气泡的临界点（超出120℃的区域占比为0.0002%），此时水侧出口端的温度为90℃左右，不易出现沸腾现象;

2）在保持气侧试验条件一定（入口温度490℃，流量80kg/h）的条件下，水侧流量880kg/h的工况时，在气侧高温的入口侧（水侧）出现大量气泡生成，但未出现扩散现象（超出120℃的区域占比为0.016%），此时水侧出口端的温度为92℃左右，有产生沸腾的趋势;

3）在保持气侧试验条件一定（入口温度490℃，流量80kg/h）的条件下，水侧流量464kg/h的工况时，在气侧高温的入口侧（水侧）有大量密集气泡生成并变大，同时向水侧出口端溢出（超出120℃的区域占比为0.29%），此时水侧出口端的温度为100℃左右，已经开始出现沸腾。

4 结论

本文通过对某款柴油机EGR冷却器，采用ANSYS Fluent软件的仿真分析，得到在气侧流量为80kg/h，入口温度为490℃及水侧入口温度85℃的条件下，当水侧流量达到880kg/h时即采用措施防止沸腾现象的产生。

参考文献

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