天然气发动机EGR冷却器性能研究试验

鲁成 潘永传 赵红兵 段继翔

摘要：基于发动机实际工况的EGR冷却器性能评估，探究水流量和EGR冷却器进水温度对EGR冷却器性能指标和可靠性指标的影响;探究不同结构EGR冷却器的性能差别。

Abstract： Based on the performance evaluation of EGR cooler under the actual working conditions of the engine， the influence of water flow rate and EGR cooler inlet temperature on the performance and reliability indexes of EGR cooler was explored. The performance differences of EGR coolers with different structures were investigated.

关键词：EGR冷却器;天然气发动机;水温升;出气温度

Key words： EGR cooler;natural gas engine;water temperature rise;gas temperature

中图分类号：TK437                                   文獻标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）04-0023-04

0  引言

近几年，石油能源危机和环境污染日益严峻，对传统内燃机产业提出了更加严苛的要求及挑战，为了改善能源分配和环境形势，发展新型或替代能源势在必行。天然气作为一种替代能源，具有世界范围内储量高，价格低廉，燃烧清洁性好等优势[1]，因此天然气作为燃料在发动机上开始普及，特别是在商用车领域，重型天然气发动机得到了广泛应用，并且在重型车占比中逐年增加。

天然气发动机采用的技术路线有两种，一种是稀薄燃烧路线，另一种是当量燃烧路线，其中当量燃烧路线中，发动机存在缸内燃烧温度高、排温高的现象，对于发动机零部件的要求更加严苛，所以当量燃烧技术路线的发动机一般会采用EGR技术[2]，EGR技术是从排气管引出一部分废气，通过进气管与燃空混合气混合后进入缸内，掺入冷却废气的混合气，比热容相对较高，会吸收燃烧温度，这样就能达到降低缸内燃烧温度、降低排温的效果。并且天然气发动机普遍采用火花塞点燃的燃烧方式，要求进入缸内的气体温度不能过高，否则会产生爆震现象[3-4]。EGR技术中的废气温度由EGR冷却器性能决定，所以采用EGR技术的发动机中最重要零部件之一是EGR冷却器，其性能好坏会严重影响发动机的性能及可靠性。

EGR冷却器主要有管壳式和板翅式两类。管壳式是比较传统的通过壁面进行换热的装置，管壳式换热器易于制造，生产成本低，传热表面清洗较方便，具有较好的可靠性，还有承受高温、高压等优点。板翅式是高效换热器的一种形式，具有结构尺寸紧凑，传热面积大，传热效率高的特点[1]，发动机本身结构就很紧凑，因此板翅式冷却器在发动机领域开始得到大量应用。天然气发动机普遍采用的EGR冷却器结构为板翅式。EGR冷却器的性能评估一般都是由EGR冷却器生产厂家进行零部件台架试验，但生产厂家台架试验用的高温气体难以模拟真实的发动机燃烧后气体，因此经常会出现发动机实际运行的EGR冷却器性能与生产厂家台架测试性能存在差异的情况[5-6]。

本文通过一台中重型天然气发动机和冷热冲击温控设备，在实际发动机废气边界下，通过调整EGR冷却器的不同的水流量及进水温度，进行了EGR冷却器性能参数及对比研究，旨在摸索天然气发动机EGR冷却器的性能规律，为后续开发提供意见和经验。

1  试验设备及方法

1.1 试验对象

此次试验研究用发动机为某款8L天然气发动机，采用当量燃烧、EGR、TWC技术路线[7]，满足国六排放标准[8];其他主要技术参数如表1。

本文选取了同一生产厂家提供的两款天然气发动机用EGR冷却器进行研究对比试验，这两款EGR冷却器的主要技术参数如表2所示。

1.2 试验设备

发动机与台架的测功机相连，测功机台架为交流电力试验台，EGR冷却器布置在发动机上，EGR冷却器的气路还是由发动机提供，并且EGR冷却器的废气进、出气管路仍然布置在发动机上，但EGR冷却器的水路由冷热冲击温控设备单独提供，EGR冷却器的进、出水的管路连接在冷热冲击温控设备上，冷热冲击温控设备可以控制EGR冷却器的进水温度及水流量，台架上记录EGR冷却器进气温度、EGR冷却器出气温度、EGR冷却器进水温度、EGR冷却器出水温度、水流量等参数值，试验台架布置示意如图1。

1.3 试验方法

试验中发动机一直运行在额定工况，目的是保证流经EGR冷却器的废气流量及废气进气温度不变，这样确保EGR冷却器试验中废气输入边界条件不变，参数见表3。

EGR冷却器的进水温度、水流量可以由冷却冲击温控设备进行调节，冷却冲击温控设备分别不断调整EGR冷却器的进水温度（80℃、85℃、90℃）及水流量（4m3/h、5m3/h、6m3/h），记录EGR冷却器A、EGR冷却器B的出水温度、出气温度。

2  试验结果及分析

在EGR冷却器的评估试验中，有两项比较关键的指标：一是EGR冷却器的水温升，二是EGR冷却器的出气温度。

EGR冷却器的水温升是EGR冷却器的出水温度减去EGR冷却器进水温度的差值，水温升一般认为是水流量的一种表征，它不受进水温度的高低影响。并且通常情况下，EGR冷却器的水温升越大的话，EGR冷却器内的换热较差，EGR冷却器内部可能会產生沸腾现象，EGR冷却器中主要由金属翅片焊接组成，在沸腾情况下，会因为受热不均匀产生热应力，在热应力的作用下，金属翅片会发生变形，甚至产生裂纹，产生裂纹后EGR冷却器内部水腔与气腔相通，这样发动机会出现水箱返水、冷却液缺失等现象，会造成很坏的影响。因此EGR冷却器内的水温升是评价EGR冷却器可靠性的关键参数之一[9]，通常在发动机开发中都要将此参数作为评估项，EGR冷却器生产厂家也比较关注此参数，经常作为EGR冷却器设计之初及设计定型的评价边界。

EGR冷却器的出气温度是废气冷却后的温度值，EGR技术是将废气与空气、燃气混合，然后进入缸内，若进入缸内的气体温度过高，会造成发动机缸内异常燃烧，动力弱，气耗差，严重的话可能会因为天然气发动机爆震而造成发动机拉缸、活塞融顶等现象。因此EGR冷却器的出气温度作为最重要的性能指标。EGR冷却器出气温度能够表征EGR冷却器的冷却能力，相同尺寸下EGR冷却器的出气温度越低，说明EGR冷却器的技术能力越高，冷却效率越高，所以EGR冷却器生产厂家经常将此参数作为技术能力的评估标准。在天然气发动机开发中，都会将此EGR冷却器出气温度这项参数作为发动机的开发指标，出气温度的高低严重影响天然气发动机的匹配[10-11]。

因此在本次研究方案中，重点分析EGR冷却器的这两项关键参数。

2.1 EGR冷却器水温升与进水温度变化关系分析

通过图2、图3中数据可以看出，水流量一定的情况下，不同的进水温度对EGR冷却器的水温升影响很小，这个可以通过公式（1）[12]来解释，EGR冷却器结构不变的情况下，效率几乎不变，带走的热量Q几乎相同，水的比热容c不变，水流量一定的情况下，质量流量一样m，因此温升？驻T几乎相同，变化很小。EGR冷却器A和EGR冷却器B规律相同。

Q=c×m×？驻T（1）

其中：Q为热量;c为比热容;m为质量流量;？驻T为温度梯度。

2.2 EGR冷却器出气温度与进水温度变化关系分析

通过图4、图5曲线可以看出，水流量一定的情况下，EGR冷却器的出气温度随着EGR冷却器的进水温度的升高而升高，呈现直线相关性关系。通过EGR冷却器A和B的数据对比可以看出，两者的温度斜率几乎一致，这说明水气热交换中已经达到了平衡，热量交换达到了平衡，此现象不会受到结构的影响。

2.3 EGR冷却器水温升与水流量变化关系分析

通过图6、图7数据分析，可以发现相同的进水温度下，EGR冷却器的水温升随着水流量的增加呈现下降趋势，水流量每增加1m3/h，EGR冷却器的水温升下降大约2℃， EGR冷却器A和B的趋势相同。EGR冷却器水温升与水流量关系很大，通常认为水温升是水流量的一种表征，且EGR冷却器水温升作为可靠性评估的很重要的一项指标，因此在EGR冷却器的设计匹配前期，需要将水流量作为输入指标，用于EGR冷却器的前期仿真计算。

2.4 EGR冷却器出气温度与水流量变化关系分析

通过图8、图9可以看出，在EGR冷却器进水温度一致的情况下，随着EGR冷却器水流量的增加，EGR冷却器出气温度逐渐降低，EGR冷却器A和B趋势相同。

通过分析单独每条曲线，可以发现EGR冷却器出气温度下降的幅度很小，说明水流量对出气温度影响很小;但通过EGR冷却器A和B相同进水温度下的曲线对比，可以发现结构对出气温度影响比较大，EGR冷却器B比A尺寸长，热交换面积大带走热量多，冷却能力好，EGR出气温度相差近25℃。因此EGR冷却器的结构对于EGR出气温度影响很大，在结构尺寸定型后，通过加大水流量很难降低EGR冷却器出气温度。此条可以作为后续匹配经验。

3  结论

①通过发动机台架及温控设备配合的测试方法，可以很好的、比较真实的进行EGR冷却器的性能匹配试验;②EGR冷却器的气体冷却性能由结构决定，水流量影响较小;③EGR冷却器的可靠性参数（水温升）受水流量影响较大;④发现了EGR冷却器匹配中呈现线性关系的条件：水流量一定情况下，EGR冷却器出气温度与进水温度呈现线性关系;EGR冷却器进水温度一定情况下，水泵流量与水温升呈现线性关系;⑤通过试验研究，能够了解EGR冷却器在天然气发动机上的性能状况，对于后续的开发提供指导。

参考文献：

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