发动机废气再循环冷却器性能计算仿真

（浙江银轮股份有限公司研究院，浙江天台317200）

发动机废气再循环冷却器性能计算仿真

胡永明，陈启安，许维武，董军启，郭对田

（浙江银轮股份有限公司研究院，浙江天台317200）

发动机废气再循环是有效降低Nox的重要方法，废气再循环冷却器的设计开发显得尤其重要。本文，结合现有EGR冷却器结构参数，利用DOE的设计方法，通过对三种不同结构形式的EGR冷却器进行传热和阻力性能测试。同时通过多元回归分析，建立EGR冷却器热侧传热和流动实验关联式，并进一步利用Visual Baisc开发工具，建立EGR冷却器性能计算仿真平台。该仿真平台的开发，有效的提高了EGR冷却器设计计算精度和产品开发速度。

EGR冷却器 传热性能 回归分析 仿真平台

1 前言

近年来，随着排放法规也越来越严格，对发动机排放要求越来越高，而发动机废气再循环（EGR）技术是一种有效降低NOx的重要机内净化技术[1,2]。冷却EGR系统以其更优的排放水平已经成为了满足排放标准的必要机内净化措施，并已成为国内外汽车发动机满足排放法规的重要装备。在发动机燃烧过程中，高温富氧是NOx生产的重要外部条件，实践证明利用发动机废气再循环冷却技术，在降低氧气比例的同时，降低了发动机燃烧温度，能有效减少NOx的生成。在此过程中，废气再循环冷却器成为一个关键的设备。随着越来越高排放法规的逐步实施，这些EGR技术提出了更高的要求，对EGR冷却器的设计也提出了更加高效紧凑的设计要求。因此开展对EGR冷却器传热和阻力性能的研究，成为EGR冷却器产品优化设计的重要基础。大部分的研究是以研究EGR冷却器对发动工作性能的影响[3,4]，以及冷却器的结垢对其性能的影响[5]。然而，因各种原因，从国内外的文献中很难获得有关EGR冷却器的相关性能计算的资料。本文从EGR冷却器最基本的传热元件入手，研究不同结构参数和不同类型的EGR冷却器的传热和阻力性能，并开发EGR冷却器传热和阻力性能的计算仿真平台。

2 试验设计及其过程

结合现有的工艺和产品结构特点，利用DOE的设计原理，对包括螺旋圆管和螺旋扁管的12种管式EGR冷却器和9种板翅式EGR冷却器进行了不同工况下的传热和阻力性能试验。

图1 管壳式EGR冷却器结构示意图

试验原理，考虑到发动机燃烧过程中会生成硫化物，其与水蒸气的凝结后，会在EGR冷却器壁面生成污垢，导致EGR冷却器传热和阻力性能下降。在本文中，采用工业酒精作为燃料，在燃烧室里进行燃烧，获得高温高压的废气（其主要成为，N2、O2、NOx、CH和H2O。）

酒精理论燃烧方程式：

酒精完全燃烧的理论空燃比为8.54，在本实验过程中，压缩空气与酒精的质量比例远大于8.54，属于完全理论完全燃烧状态。

图2 试验原理系统图

图3 板翅EGR冷却器试验照片

但是，由于酒精的喷射雾化非理想状态的存在，导致酒精局部非完全燃烧，废气的会包含极其少量的NOx、CH和C颗粒等。但这与发动机废气积碳形式和积碳已经完全不同。

整个试验过程，首先是来自储气罐的压缩空气经过空气流量计，与经过计量的高纯度酒精在特殊的燃烧器进行燃烧。然后后高温高压废气进入EGR冷却器实验样件与冷却液进行热交换，最后经排气阀排出。冷却液系统是带独立加热和冷却的循环回路。整个实验过程的各种变量和控制参数是由计算机控制实现。

本文研究所用的酒精燃烧主要是获得高温高压的废气，用来模拟发动机EGR冷却器在相对洁净状态下的传热和阻力性能。这与发动机台架上EGR冷却器的废气积碳、结垢的形式有着巨大差异。在发动机台架上，当EGR工作时间达到100 h以后，EGR冷却器上会形成一层海绵体的积碳，严重降低EGR传热和阻力性能，一般认为降低20%以上[6]。而本文研究的目的是模拟EGR冷却器洁净状态下的传热和阻力性能。

3 数据分析与推导

数据推导过程，采用无量纲进行处理，分别获得不同工况条件下的传热性能Nu和内外侧阻力性能f。

废气侧的雷诺数为

本实验样件采用顺流方式，管内侧为燃烧的废气，管外侧采用冷却液。其利用热阻分离方法和效能单元法进行。顺流形式效能计算公式[7]：

利用热阻分离的方法求解废气侧表面传热系数，其总热阻表达式为：

实验过程中，冷却液流量设定为一固定值，并冷侧有足够大的表面散热系数。其表面换热系数采用格林公式进行计算：

EGR冷却器废气侧压力降主要是有三部分组成，如图4所示。其中，芯子进出口部分的渐缩、渐扩以及直管段的压力损失的计算在文献[8]中已经给出。进而计算出芯子的压力降Δp2，并根据结构参数计算出各对应工况的摩擦系数f，其定义式为方程（7）。

图4 EGR冷却器气侧压力降组成

4 试验结果和试验关联式的拟合

图5和图6分别了两种EGR冷却器的传热系数、阻力和雷诺数Re之间的关系。这两个EGR冷却器样件均为管壳式结构，但二者的长度不同。从图中看出，EGR冷却器的内部冷却管的长度对散热性能有显著影响，而对摩擦系数几乎无明显影响。因文章篇幅的限制，本文仅给出了两种EGR冷却器性能特性。

为定量的描述各结构参数对其传热和阻力性能的影响，本文对各两种类型EGR冷却器分别建立回归方程。回归方程是通过非线性变量转换线性变量后，进行线性回归。并通过对回归方程进行显著性检验，获得不同结构特点的EGR冷却器内侧传热和阻力性能的实验关联式。形如：

其中，A、B、a、b分别为拟合公式的系数。

图5 管长对EGR冷却器传热系数的影响

图6 管长对EGR冷却器摩擦系数的影响

5 EGR冷却器性能仿真平台开发

为方便工程师对EGR冷却器传热性能和阻力性能快速计算和设计开发。本文在对EGR冷却器建立回归方程的基础上，开发EGR冷却器性能计算程序。其性能仿真计算过程如下：

（1）产品设计结构参数输入，主要包括EGR冷却器类型，翅片结构参数、芯子尺寸大小。

（2）工况条件的输入，包括冷侧所用冷却介质、冷热侧流量、进口温度。

（3）仿真计算，计算结果包括该设计产品在给定工况条件下散热量、气侧、冷却液侧压力降、冷热侧换热系数等。

（4）计算结果显示、保存、输出，可进行多种工况条件的计算和联系数据保存。

整个计算程序是在Visual Basic 6.0平台上进行开发，参见图7和图8。利用该程序可以计算任意不同芯子大小和不同工况条件的EGR冷却器的传热和阻力性能，并且该程序可快速的进行数据存储。

图7 管式EGR冷却计算界面

图8 板式EGR冷却计算界面

该计算程序可以对不同冷却介质和不同流程的EGR冷却器进行性能计算，大大提高了EGR冷却器性能计算效率和产品的开发速度。

图9和图10给出了某板翅式EGR冷却器散量以及热侧压力降的试验结果和计算结果的对比。从对比结果看，传热性能的计算最大误差在5.7%，算术平均误差-1.8%；而废气热侧阻力计算最大误差在9%，算术平均误差-1.4%。从计算误差看，该仿真结果比较好，可以满足工程开发的需要。

图9 冷却器散热量的对比曲线

6 结束语

（1）丰富了不同结构参数的EGR冷却器在洁净废气状态下的传热性能和阻力性能数据库。

（2）获得了不同结构参数EGR冷却器的传热元件传热和阻力性能试验关联式。

（3）开发EGR冷却器传热和阻力性能计算的仿真平台，有效的提高产品的开发效率，降低开发成本。

图10 压力降的对比曲线

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霍尔曼J P．传热学（英文版，原书第9版）[M]．北京：机械工业出版社，2005．

8史美中，王中铮．热交换器原理与设计[M]．南京：东南大学出版社，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

来稿日期：2011-11-17

胡永明（1972-），男，工程师，主要研究方向为车用热交换器研发。