EGR冷却器结构特性及测试系统开发研究

摘要

随着汽车排放法规的日益严格，作为降低发动机NOx排放重要措施的废气再循环(EGR)技术已成为汽车行业的研究热点之一。国内外各大企业都投入大量人力物力对EGR冷却器进行研究。本文基于某国产SUV车型用柴油机和轻卡用柴油机分别开发了管壳式EGR冷却器和板翅式EGR冷却器，对其进行了全面的仿真分析，深入研究了不同螺纹管参数和波纹翅片结构参数对冷却器换热和压降特性的影响，设计开发了EGR冷却器集成测试系统。
　　本文的管壳式EGR冷却器选用螺纹管，板翅式EGR冷却器选用正弦型波纹翅片。首先基于两款发动机的技术参数等因素分别建立了管壳式和板翅式EGR冷却器的具体结构模型，以这两个原始模型为基础，对螺纹管的螺距、槽宽、槽深和正弦波纹翅片的波距、波幅、数量这几个关键结构参数进行了变化，并分析了这种变化对换热面积的影响。其次建立了冷却器的有限元模型并在FLUENT中进行模型求解的设置并进行了仿真计算，比较了螺纹管和光管式冷却器的温度场、速度场、壁面温度、壁面换热系数和气水路流线的异同，探究了螺纹管优于光管传热的原因;分析了螺距、槽宽和槽深等结构参数对冷却器整体换热和压降特性的影响。同时比较了波纹翅片和直翅片式冷却器温度场、速度场、翅片隔板壁面温度、翅片隔板壁面换热系数和气水路流线的异同，探究了波纹翅片优于直翅片传热的原因;分析了波距、波幅和数量等结构参数对冷却器整体换热和压降特性的影响，以及对翅片隔板换热贡献量的影响。接着简单比较了板翅式优于管壳式EGR冷却器的几个因素。再次，从EGR冷却器的实际工作条件着手，设计了针对性的集成测试系统，该测试系统可以真实地模拟EGR冷却器实际运行时的各项条件，不仅可完成普通试验台的热性能测试，还能完成高温气路的冷热冲击试验，特别是采用了接近于发动机实际排气成分的燃烧器尾气，可用于积炭试验。最后用该测试系统对EGR冷却器进行了试验，并比较了热性能试验结果与仿真计算结果是否吻合，校核了冷却器的实际工作性能。
　　本文的研究内容可为工程应用中衡量换热和压降之间的关系，选用合适的螺纹管和波纹翅片提供一定参考价值，其仿真计算的方法也适用于其它形式的EGR冷却器，建立的测试系统可验证仿真结果的正确性并校核EGR冷却器的实际工作性能。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 发动机的有害排放物和产生机理

1．1．2 降低车用发动机NOx排放的技术措施

1．2 EGR系统简介

1．2．1 EGR技术的机理

1．2．2 EGR系统的实现

1．2．3 EGR冷却器种类

1．3 国内外研究现状

1．4 本文主要研究内容

2 EGR冷却器参数计算及结构设计

2．1 冷却器理论基础

2．1．1 传热方程式

2．1．2 热平衡方程式

2．1．3 对流传热表面传热系数

2．2 冷却器参数计算

2．2．1 确定冷却液出口温度

2．2．2 平均温差的计算

2．2．3 表面传热系数

2．2．4 总传热系数和换热面积

2．3 冷却器结构设计

2．3．1 管壳式EGR冷却器

2．3．2 板翅式EGR冷却器

2．4 本章小结

3 EGR冷却器有限元模型的建立

3．1 流体流动及换热的数学模型

3．1．1 流体流动的基本控制方程

3．1．2 传热过程的能量方程

3．1．3 湍流模型

3．1．4 理想气体定律

3．1．5 由温度场计算表面传热系数

3．2 有限元前处理及求解设置

3．2．1 有限元模型的建立

3．2．2 求解设置

3．3 不同结构参数模型的建立

3．3．1 管壳式EGR冷却器

3．3．2 板翅式EGR冷却器

3．4 本章小结

4 EGR冷却器流场及结构特性分析

4．1 管壳式EGR冷却器分析

4．1．1 冷却器流场分析

4．1．2 螺纹管螺距对换热和压降特性的影响

4．1．3 螺纹管槽宽对换热和压降特性的影响

4．1．4 螺纹管槽深对换热和压降特性的影响

4．2 板翅式EGR冷却器分析

4．2．1 冷却器流场分析

4．2．2 翅片波距对换热和压降特性的影响

4．2．3 翅片波幅对换热和压降特性的影响

4．2．4 翅片数量对换热和压降特性的影响

4．3 两种冷却器的比较

4．4 本章小结

5 EGR冷却器测试系统开发及试验研究

5．1 试验方案概述

5．2 系统设计与开发

5．2．1 燃烧系统

5．2．2 加热系统

5．2．3 冷却器安装及测试台

5．2．4 气路连接系统

5．2．5 冷却液循环系统

5．2．6 控制柜和上位机

5．3 测试过程及结果分析

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 研究工作总结

6．2 研究展望

参考文献

作者简历