EGR冷卻器技術及制造工藝分析

王建東

摘要：文章簡單介紹了廢氣再循環（EGR）冷卻器技術以及幾種常見的冷卻器類型，分析了選擇冷卻器型號的標準以及換熱管尺寸規格、冷卻器流動方式、管子排列等設計方法，探討了其制造工藝，主要包括一期的裝配、激光焊接、裝配與二期的真空釬焊。

關鍵詞：廢氣再循環；冷卻器類型；尺寸規格；制造工藝

隨著人們生活水平的提高，許多居民，特別是城市居民都擁有了私家車，尾氣污染問題得到了廣泛重視。EGR雖然能夠使NOx的排放得到降低，但是會在一定程度上影響碳煙排放，降低燃油經濟性與發動機動力性，冷EGR技術可以冷卻高溫廢氣，使進氣溫度降低，從而全面提升發動機性能。冷EGR系統中最重要的部件就是冷卻器，所以其設計與制造是十分重要的。

1.EGR冷卻器技術簡介

發動機的排氣溫度較高，通常在650℃左右，若直接向氣管中引入廢氣，那么高溫廢氣會加熱進氣，從而大大增加缸內壓力和溫度，使EGR減少NOx的作用降低，在碳煙排放、燃油經濟性、發動機動力性等方面都會產生不良影響，所以目前大部分廠商在應用EGR技術時都選擇EGR冷卻器技術。指以熱EGR技術為基礎，將EGR冷卻器加入系統內，并當作核心設備，經過冷卻器的高溫再循環廢氣混合至新鮮進氣中，能夠減少碳煙與NOx排放，降低燃油經濟性。EGR冷卻器的性能好壞在很大程度上影響著冷EGR的技術效果，其不僅要具有壓力損失小、換熱效率高等普通換熱器的特點，還應具有不易積碳、抗震、耐腐蝕和耐高溫等優勢。

2.EGR冷卻器的常見類型

2.1板翅式換熱器

這種換熱器的傳熱元件包括翅片與板，其翅片在擾動流體時會導致邊界層破裂，因此傳熱效率很高。相關報道顯示，相比于管殼式換熱器，板翅式換熱器具有更高的傳熱效率。與此同時，板翅式換熱器的制造材料通常是鋁合金，產品緊湊且輕巧、然而在制造板翅式換熱器時，有較高的工藝要求，流程繁瑣，遇冷后的高溫廢氣會積痰，從而造成堵塞，難以清理和檢修。

2.2管殼式換熱器

構成管殼式換熱器的元件包括管束（含有許多管子）與一個殼體，管壁就是冷、熱流體完成換熱的換熱器。這種換熱器具有清洗方便、操作可靠、結構簡單等優勢，能夠使EGR冷卻器的制作要求得到滿足，在EGR冷卻器中得到了廣泛應用。其常見形式有以下五種：①光管形式。在眾多管殼式換熱器中，這種形式最為基本和簡單，而且制造時無需較高的成本，方便清洗與檢修。但其具有傳熱面積小的缺點，光管無法擾動流體，光管表面很容易沉積和附著EGR廢氣，降低傳熱效率。為滿足時代需求，這種冷卻器已經逐漸被取代。②弓形折流板形式。其前身就是光管式EGR冷卻器，但多了弓形折流板，使殼程流體流速得到提高，傳熱系數增加。但這種冷卻器的殼程流體經常會發生傳熱并出現流動死角，難以充分利用傳熱面積，容易結垢，具有較大的流體阻力。如果管束被流體橫掠，很可能發生振動，使冷卻器壽命縮短。③波紋管形式。其主要是采用滾壓設備處理光管，使之形成外凹內凸的槽紋。變成波紋管后光管的換熱面積顯著增加，能夠擾動內外流體，使其邊界層受到破壞，強化內外流體的傳熱，但是會增大流動阻力，增加積碳。如今技術的進步逐漸改善了該形式冷卻器的缺點，使其得到了廣泛應用。④翅片形式。指將厚度、片距、高度均一定的翅片增設在光管上，使單位體積具有更大的有效傳熱面積，并且擾動流體，使其邊界層受到破壞，傳熱系統提高。其布置形式包括套裝翅片與螺旋翅片兩種。⑤螺旋折流板形式。該種形式需要加工傳統弓形折流板，使之成為類似螺旋狀或螺旋狀折流板，促使流體沿殼程的運動同樣呈螺旋狀。這樣就不會遇到“死區”的情況，而且管束表面和旋轉運動形成的渦流能通過相互作用提高傳熱系數，該過程中的高速旋轉介質流可將沉積物與顆粒物沖走，以免發生殼側積炭。

3.EGR冷卻器的選型標準

EGR冷卻器目前有許多選型標準，最常見和基本的就是費用、熱負荷、溫度、操作壓力、待處理流體類型等。EGR冷卻器除了要符合普通熱交換器的要求，還應當蠻子自身的特殊要求，如冷卻溫度不可過低。當冷卻溫度過低時，排氣中凝結的水蒸氣會結合含硫化合物變成酸，酸性腐蝕聯接管路與冷卻器，使其可靠性降低、壽命縮短。EGR冷卻器以高溫的再循環廢氣為冷卻對象，所以其應當在換熱面積較小的情況下傳遞較多熱量，同時要盡量將其冷卻效率提高。具體而言，需要具備以下兩方面特點，其一是耐腐蝕、耐高溫；其二是可防堵塞、壓力損失小、散熱效率高、體積小。

4.EGR冷卻器的設計要點

4.1換熱管的尺寸規格

EGR冷卻器中應用的換熱管通常是薄壁、小直徑、橫截面呈圓形的管道，而且數量較多。在傳熱方面，管子的直徑小可以提高傳熱系數，使換熱器更加緊湊，然而這種情況會增大換熱器壓降，換熱器的管子外徑基本上均在6.35mm～50.8mm的范圍內。在管長方面，在無相變換熱的情況下，增大管子的長度則會減小流動截面積，增大流速，減小管程，同時在應用長管時還會降低單位平方米的傳熱面比價，因此當換熱面積一定時，為了提高換熱器的經濟性，應盡量縮小殼體直徑，采用較長的管子，在制造時遵循“符合使用與制造現場”的原則。

4.2管子的排列方式

管板上的管子能夠排列為同心圓、三角形與正方形等。其中同心圓可以緊湊排列，可以對于直徑小的換熱器比較適用，由于換熱直徑小，能夠安排較多的換熱管，同時在與殼體靠近處均勻布管，避免介質發生短路。這種方法優勢較多，比較常用。采用任何排列方法時都要控制殼體內壁與最外圈換熱管外壁之間至少留有換熱管外徑1/4的距離，同時應至少為8～10mm。

4.3冷卻器流動方式

其流動方式為冷熱流體逆流，也就是兩股流體在換熱器中平行且沿相反方向流動。當參數相同時，單流道換熱器采取這種流動方式可達到最高效率；當冷流體初溫相同與熱流體狀態相同時，與順流相比，逆流加熱的終溫更高；交換的熱量相同時，這種逆流換熱器只需要很小的換熱面積，可以制造出更加輕便、緊湊的換熱器。

5.EGR冷卻器的制造工藝

為了使冷卻器的強度、密封性、耐腐蝕與耐高溫等要求得到滿足，應結合真空釬焊與激光焊接兩種工藝來制造芯子。采用的新型釬料與傳統鎳基釬料相比，耐腐蝕、耐高溫性能以及工藝性能均更強，而且與之配套的真空釬焊工藝能夠使EGR冷卻器具有更高的可靠性，達到設計要求。加工生產冷卻器時，主要分兩期實施工藝。將激光焊接方法作為一期工藝，主要流程包括三點：首先是裝配，在第一主片上裝配管束，連接管束和冷卻器殼體；其次是激光焊接，將管束和主片、主片和殼體依次焊接在一起，接著進行試漏；第三步是裝配，將支架等裝配好，檢查外觀與尺寸，認真包裝后運輸。將真空釬焊作為二期工藝，流程主要是加工零部件、組裝芯子、芯子填充焊料、點焊工件（如支架等）填充焊接其他部位、真空釬焊、檢測密封性與包裝產品等。

6.結束語

目前我國公認的能夠使汽車NOx排放得到有效減少的措施就是冷卻EGR技術，操作方法簡單，受到了許多發動機和汽車生產廠家的青睞。最近幾年，為了滿足歐Ⅲ、歐Ⅳ標準，EGR技術成為了必不可少的技術。而EGR冷卻器技術除了能達到精確控制與智能控制的目的，還可以使汽車尾氣中的NOx含量減少，從而達到國家排放法規的要求，避免汽車尾氣嚴重污染生活環境。