發(fā)動機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻器性能計算仿真

（浙江銀輪股份有限公司研究院，浙江天臺317200）

發(fā)動機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻器性能計算仿真

胡永明，陳啟安，許維武，董軍啟，郭對田

（浙江銀輪股份有限公司研究院，浙江天臺317200）

發(fā)動機(jī)廢氣再循環(huán)是有效降低Nox的重要方法，廢氣再循環(huán)冷卻器的設(shè)計開發(fā)顯得尤其重要。本文，結(jié)合現(xiàn)有EGR冷卻器結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用DOE的設(shè)計方法，通過對三種不同結(jié)構(gòu)形式的EGR冷卻器進(jìn)行傳熱和阻力性能測試。同時通過多元回歸分析，建立EGR冷卻器熱側(cè)傳熱和流動實(shí)驗關(guān)聯(lián)式，并進(jìn)一步利用Visual Baisc開發(fā)工具，建立EGR冷卻器性能計算仿真平臺。該仿真平臺的開發(fā)，有效的提高了EGR冷卻器設(shè)計計算精度和產(chǎn)品開發(fā)速度。

EGR冷卻器 傳熱性能 回歸分析 仿真平臺

1 前言

近年來，隨著排放法規(guī)也越來越嚴(yán)格，對發(fā)動機(jī)排放要求越來越高，而發(fā)動機(jī)廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)是一種有效降低NOx的重要機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)[1,2]。冷卻EGR系統(tǒng)以其更優(yōu)的排放水平已經(jīng)成為了滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的必要機(jī)內(nèi)凈化措施，并已成為國內(nèi)外汽車發(fā)動機(jī)滿足排放法規(guī)的重要裝備。在發(fā)動機(jī)燃燒過程中，高溫富氧是NOx生產(chǎn)的重要外部條件，實(shí)踐證明利用發(fā)動機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻技術(shù)，在降低氧氣比例的同時，降低了發(fā)動機(jī)燃燒溫度，能有效減少NOx的生成。在此過程中，廢氣再循環(huán)冷卻器成為一個關(guān)鍵的設(shè)備。隨著越來越高排放法規(guī)的逐步實(shí)施，這些EGR技術(shù)提出了更高的要求，對EGR冷卻器的設(shè)計也提出了更加高效緊湊的設(shè)計要求。因此開展對EGR冷卻器傳熱和阻力性能的研究，成為EGR冷卻器產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計的重要基礎(chǔ)。大部分的研究是以研究EGR冷卻器對發(fā)動工作性能的影響[3,4]，以及冷卻器的結(jié)垢對其性能的影響[5]。然而，因各種原因，從國內(nèi)外的文獻(xiàn)中很難獲得有關(guān)EGR冷卻器的相關(guān)性能計算的資料。本文從EGR冷卻器最基本的傳熱元件入手，研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和不同類型的EGR冷卻器的傳熱和阻力性能，并開發(fā)EGR冷卻器傳熱和阻力性能的計算仿真平臺。

2 試驗設(shè)計及其過程

結(jié)合現(xiàn)有的工藝和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用DOE的設(shè)計原理，對包括螺旋圓管和螺旋扁管的12種管式EGR冷卻器和9種板翅式EGR冷卻器進(jìn)行了不同工況下的傳熱和阻力性能試驗。

圖1 管殼式EGR冷卻器結(jié)構(gòu)示意圖

試驗原理，考慮到發(fā)動機(jī)燃燒過程中會生成硫化物，其與水蒸氣的凝結(jié)后，會在EGR冷卻器壁面生成污垢，導(dǎo)致EGR冷卻器傳熱和阻力性能下降。在本文中，采用工業(yè)酒精作為燃料，在燃燒室里進(jìn)行燃燒，獲得高溫高壓的廢氣（其主要成為，N2、O2、NOx、CH和H2O。）

酒精理論燃燒方程式：

酒精完全燃燒的理論空燃比為8.54，在本實(shí)驗過程中，壓縮空氣與酒精的質(zhì)量比例遠(yuǎn)大于8.54，屬于完全理論完全燃燒狀態(tài)。

圖2 試驗原理系統(tǒng)圖

圖3 板翅EGR冷卻器試驗照片

但是，由于酒精的噴射霧化非理想狀態(tài)的存在，導(dǎo)致酒精局部非完全燃燒，廢氣的會包含極其少量的NOx、CH和C顆粒等。但這與發(fā)動機(jī)廢氣積碳形式和積碳已經(jīng)完全不同。

整個試驗過程，首先是來自儲氣罐的壓縮空氣經(jīng)過空氣流量計，與經(jīng)過計量的高純度酒精在特殊的燃燒器進(jìn)行燃燒。然后后高溫高壓廢氣進(jìn)入EGR冷卻器實(shí)驗樣件與冷卻液進(jìn)行熱交換，最后經(jīng)排氣閥排出。冷卻液系統(tǒng)是帶獨(dú)立加熱和冷卻的循環(huán)回路。整個實(shí)驗過程的各種變量和控制參數(shù)是由計算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)。

本文研究所用的酒精燃燒主要是獲得高溫高壓的廢氣，用來模擬發(fā)動機(jī)EGR冷卻器在相對潔凈狀態(tài)下的傳熱和阻力性能。這與發(fā)動機(jī)臺架上EGR冷卻器的廢氣積碳、結(jié)垢的形式有著巨大差異。在發(fā)動機(jī)臺架上，當(dāng)EGR工作時間達(dá)到100 h以后，EGR冷卻器上會形成一層海綿體的積碳，嚴(yán)重降低EGR傳熱和阻力性能，一般認(rèn)為降低20%以上[6]。而本文研究的目的是模擬EGR冷卻器潔凈狀態(tài)下的傳熱和阻力性能。

3 數(shù)據(jù)分析與推導(dǎo)

數(shù)據(jù)推導(dǎo)過程，采用無量綱進(jìn)行處理，分別獲得不同工況條件下的傳熱性能Nu和內(nèi)外側(cè)阻力性能f。

廢氣側(cè)的雷諾數(shù)為

本實(shí)驗樣件采用順流方式，管內(nèi)側(cè)為燃燒的廢氣，管外側(cè)采用冷卻液。其利用熱阻分離方法和效能單元法進(jìn)行。順流形式效能計算公式[7]：

利用熱阻分離的方法求解廢氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，其總熱阻表達(dá)式為：

實(shí)驗過程中，冷卻液流量設(shè)定為一固定值，并冷側(cè)有足夠大的表面散熱系數(shù)。其表面換熱系數(shù)采用格林公式進(jìn)行計算：

EGR冷卻器廢氣側(cè)壓力降主要是有三部分組成，如圖4所示。其中，芯子進(jìn)出口部分的漸縮、漸擴(kuò)以及直管段的壓力損失的計算在文獻(xiàn)[8]中已經(jīng)給出。進(jìn)而計算出芯子的壓力降Δp2，并根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)計算出各對應(yīng)工況的摩擦系數(shù)f，其定義式為方程（7）。

圖4 EGR冷卻器氣側(cè)壓力降組成

4 試驗結(jié)果和試驗關(guān)聯(lián)式的擬合

圖5和圖6分別了兩種EGR冷卻器的傳熱系數(shù)、阻力和雷諾數(shù)Re之間的關(guān)系。這兩個EGR冷卻器樣件均為管殼式結(jié)構(gòu)，但二者的長度不同。從圖中看出，EGR冷卻器的內(nèi)部冷卻管的長度對散熱性能有顯著影響，而對摩擦系數(shù)幾乎無明顯影響。因文章篇幅的限制，本文僅給出了兩種EGR冷卻器性能特性。

為定量的描述各結(jié)構(gòu)參數(shù)對其傳熱和阻力性能的影響，本文對各兩種類型EGR冷卻器分別建立回歸方程。回歸方程是通過非線性變量轉(zhuǎn)換線性變量后，進(jìn)行線性回歸。并通過對回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗，獲得不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的EGR冷卻器內(nèi)側(cè)傳熱和阻力性能的實(shí)驗關(guān)聯(lián)式。形如：

其中，A、B、a、b分別為擬合公式的系數(shù)。

圖5 管長對EGR冷卻器傳熱系數(shù)的影響

圖6 管長對EGR冷卻器摩擦系數(shù)的影響

5 EGR冷卻器性能仿真平臺開發(fā)

為方便工程師對EGR冷卻器傳熱性能和阻力性能快速計算和設(shè)計開發(fā)。本文在對EGR冷卻器建立回歸方程的基礎(chǔ)上，開發(fā)EGR冷卻器性能計算程序。其性能仿真計算過程如下：

（1）產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入，主要包括EGR冷卻器類型，翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)、芯子尺寸大小。

（2）工況條件的輸入，包括冷側(cè)所用冷卻介質(zhì)、冷熱側(cè)流量、進(jìn)口溫度。

（3）仿真計算，計算結(jié)果包括該設(shè)計產(chǎn)品在給定工況條件下散熱量、氣側(cè)、冷卻液側(cè)壓力降、冷熱側(cè)換熱系數(shù)等。

（4）計算結(jié)果顯示、保存、輸出，可進(jìn)行多種工況條件的計算和聯(lián)系數(shù)據(jù)保存。

整個計算程序是在Visual Basic 6.0平臺上進(jìn)行開發(fā)，參見圖7和圖8。利用該程序可以計算任意不同芯子大小和不同工況條件的EGR冷卻器的傳熱和阻力性能，并且該程序可快速的進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。

圖7 管式EGR冷卻計算界面

圖8 板式EGR冷卻計算界面

該計算程序可以對不同冷卻介質(zhì)和不同流程的EGR冷卻器進(jìn)行性能計算，大大提高了EGR冷卻器性能計算效率和產(chǎn)品的開發(fā)速度。

圖9和圖10給出了某板翅式EGR冷卻器散量以及熱側(cè)壓力降的試驗結(jié)果和計算結(jié)果的對比。從對比結(jié)果看，傳熱性能的計算最大誤差在5.7%，算術(shù)平均誤差-1.8%；而廢氣熱側(cè)阻力計算最大誤差在9%，算術(shù)平均誤差-1.4%。從計算誤差看，該仿真結(jié)果比較好，可以滿足工程開發(fā)的需要。

圖9 冷卻器散熱量的對比曲線

6 結(jié)束語

（1）豐富了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的EGR冷卻器在潔凈廢氣狀態(tài)下的傳熱性能和阻力性能數(shù)據(jù)庫。

（2）獲得了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)EGR冷卻器的傳熱元件傳熱和阻力性能試驗關(guān)聯(lián)式。

（3）開發(fā)EGR冷卻器傳熱和阻力性能計算的仿真平臺，有效的提高產(chǎn)品的開發(fā)效率，降低開發(fā)成本。

圖10 壓力降的對比曲線

1 Youngbok Lee,Kwang Seok Hong,Evaluation of SOF Effects on Deposit Characteristics of the EGR Cooler Using a PM Generator[C].SAE 2011-01-1156.

2 Abd-Elhady M S,Zornek T.Infiuence of Gas Velocity on Particulate Fouling of Exhaust Gas Recirculation Coolers[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2011(54):838-846.

3 Bravo Y,Moreno G,Longo O.Improved Characterization of Fouling in Cooled EGR Systems [C].SAE 2007-01-1257.

4 Doug K.Chang,Ahmed Jawdat Sobh.Diesel EGR Cooler Fouling with Ni-Fe-Cr-Al DPF at Freeway Cruise[C].SAE 2011-01-1995.

5 Park S K,Choi K S.Heat Exchange Efficiency Characteristics of EGR Cooler with Stack-Type or Shell&Tube-Type[C].SAE 2007-01-3446.

6 Ho Teng,Gerhard Regner.Particulate Fouling in EGR Coolers[C].SAE 2009-01-2887.

7霍爾曼J P．傳熱學(xué)（英文版，原書第9版）[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

8史美中，王中錚．熱交換器原理與設(shè)計[M]．南京：東南大學(xué)出版社，2003：69-74．

Simulation for EGR Cooler Performance of Heat Transfer and Pressure Drop

Hu Yongan,Chen Qi'an,Xu Weiwu,Dong Junqi,Guo Duitian
（Yinlun Institute,Zhejiang Yinlun Machine,Lo.CT,Zhejiang 317200,China）

Engine exhaust gas(EGR)recirculation is one of effective methods to reduce the Noxand the EGR cooler has very important role in this.Based on the EGR cooler structure geometry and DOE method, experiment study the three types EGR cooler,including the tube-shell and plat fin structure.The experiment correlation equations about the heat transfer and pressure drop were set up.And the performance simulation platform was set up according to the correlation equation using the Visual Basic program.

EGR cooler,heat transfer performance,regression analysis,simulation platform

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.01.007

來稿日期：2011-11-17

胡永明（1972-），男，工程師，主要研究方向為車用熱交換器研發(fā)。