EGR冷却器技术及制造工艺分析

王建东

摘要：文章简单介绍了废气再循环（EGR）冷却器技术以及几种常见的冷却器类型，分析了选择冷却器型号的标准以及换热管尺寸规格、冷却器流动方式、管子排列等设计方法，探讨了其制造工艺，主要包括一期的装配、激光焊接、装配与二期的真空钎焊。

关键词：废气再循环；冷却器类型；尺寸规格；制造工艺

随着人们生活水平的提高，许多居民，特别是城市居民都拥有了私家车，尾气污染问题得到了广泛重视。EGR虽然能够使NOx的排放得到降低，但是会在一定程度上影响碳烟排放，降低燃油经济性与发动机动力性，冷EGR技术可以冷却高温废气，使进气温度降低，从而全面提升发动机性能。冷EGR系统中最重要的部件就是冷却器，所以其设计与制造是十分重要的。

1.EGR冷却器技术简介

发动机的排气温度较高，通常在650℃左右，若直接向气管中引入废气，那么高温废气会加热进气，从而大大增加缸内压力和温度，使EGR减少NOx的作用降低，在碳烟排放、燃油经济性、发动机动力性等方面都会产生不良影响，所以目前大部分厂商在应用EGR技术时都选择EGR冷却器技术。指以热EGR技术为基础，将EGR冷却器加入系统内，并当作核心设备，经过冷却器的高温再循环废气混合至新鲜进气中，能够减少碳烟与NOx排放，降低燃油经济性。EGR冷却器的性能好坏在很大程度上影响着冷EGR的技术效果，其不仅要具有压力损失小、换热效率高等普通换热器的特点，还应具有不易积碳、抗震、耐腐蚀和耐高温等优势。

2.EGR冷却器的常见类型

2.1板翅式换热器

这种换热器的传热元件包括翅片与板，其翅片在扰动流体时会导致边界层破裂，因此传热效率很高。相关报道显示，相比于管殼式换热器，板翅式换热器具有更高的传热效率。与此同时，板翅式换热器的制造材料通常是铝合金，产品紧凑且轻巧、然而在制造板翅式换热器时，有较高的工艺要求，流程繁琐，遇冷后的高温废气会积痰，从而造成堵塞，难以清理和检修。

2.2管壳式换热器

构成管壳式换热器的元件包括管束（含有许多管子）与一个壳体，管壁就是冷、热流体完成换热的换热器。这种换热器具有清洗方便、操作可靠、结构简单等优势，能够使EGR冷却器的制作要求得到满足，在EGR冷却器中得到了广泛应用。其常见形式有以下五种：①光管形式。在众多管壳式换热器中，这种形式最为基本和简单，而且制造时无需较高的成本，方便清洗与检修。但其具有传热面积小的缺点，光管无法扰动流体，光管表面很容易沉积和附着EGR废气，降低传热效率。为满足时代需求，这种冷却器已经逐渐被取代。②弓形折流板形式。其前身就是光管式EGR冷却器，但多了弓形折流板，使壳程流体流速得到提高，传热系数增加。但这种冷却器的壳程流体经常会发生传热并出现流动死角，难以充分利用传热面积，容易结垢，具有较大的流体阻力。如果管束被流体横掠，很可能发生振动，使冷却器寿命缩短。③波纹管形式。其主要是采用滚压设备处理光管，使之形成外凹内凸的槽纹。变成波纹管后光管的换热面积显著增加，能够扰动内外流体，使其边界层受到破坏，强化内外流体的传热，但是会增大流动阻力，增加积碳。如今技术的进步逐渐改善了该形式冷却器的缺点，使其得到了广泛应用。④翅片形式。指将厚度、片距、高度均一定的翅片增设在光管上，使单位体积具有更大的有效传热面积，并且扰动流体，使其边界层受到破坏，传热系统提高。其布置形式包括套装翅片与螺旋翅片两种。⑤螺旋折流板形式。该种形式需要加工传统弓形折流板，使之成为类似螺旋状或螺旋状折流板，促使流体沿壳程的运动同样呈螺旋状。这样就不会遇到“死区”的情况，而且管束表面和旋转运动形成的涡流能通过相互作用提高传热系数，该过程中的高速旋转介质流可将沉积物与颗粒物冲走，以免发生壳侧积炭。

3.EGR冷却器的选型标准

EGR冷却器目前有许多选型标准，最常见和基本的就是费用、热负荷、温度、操作压力、待处理流体类型等。EGR冷却器除了要符合普通热交换器的要求，还应当蛮子自身的特殊要求，如冷却温度不可过低。当冷却温度过低时，排气中凝结的水蒸气会结合含硫化合物变成酸，酸性腐蚀联接管路与冷却器，使其可靠性降低、寿命缩短。EGR冷却器以高温的再循环废气为冷却对象，所以其应当在换热面积较小的情况下传递较多热量，同时要尽量将其冷却效率提高。具体而言，需要具备以下两方面特点，其一是耐腐蚀、耐高温；其二是可防堵塞、压力损失小、散热效率高、体积小。

4.EGR冷却器的设计要点

4.1换热管的尺寸规格

EGR冷却器中应用的换热管通常是薄壁、小直径、横截面呈圆形的管道，而且数量较多。在传热方面，管子的直径小可以提高传热系数，使换热器更加紧凑，然而这种情况会增大换热器压降，换热器的管子外径基本上均在6.35mm～50.8mm的范围内。在管长方面，在无相变换热的情况下，增大管子的长度则会减小流动截面积，增大流速，减小管程，同时在应用长管时还会降低单位平方米的传热面比价，因此当换热面积一定时，为了提高换热器的经济性，应尽量缩小壳体直径，采用较长的管子，在制造时遵循“符合使用与制造现场”的原则。

4.2管子的排列方式

管板上的管子能够排列为同心圆、三角形与正方形等。其中同心圆可以紧凑排列，可以对于直径小的换热器比较适用，由于换热直径小，能够安排较多的换热管，同时在与壳体靠近处均匀布管，避免介质发生短路。这种方法优势较多，比较常用。采用任何排列方法时都要控制壳体内壁与最外圈换热管外壁之间至少留有换热管外径1/4的距离，同时应至少为8～10mm。

4.3冷却器流动方式

其流动方式为冷热流体逆流，也就是两股流体在换热器中平行且沿相反方向流动。当参数相同时，单流道换热器采取这种流动方式可达到最高效率；当冷流体初温相同与热流体状态相同时，与顺流相比，逆流加热的终温更高；交换的热量相同时，这种逆流换热器只需要很小的换热面积，可以制造出更加轻便、紧凑的换热器。

5.EGR冷却器的制造工艺

为了使冷却器的强度、密封性、耐腐蚀与耐高温等要求得到满足，应结合真空钎焊与激光焊接两种工艺来制造芯子。采用的新型钎料与传统镍基钎料相比，耐腐蚀、耐高温性能以及工艺性能均更强，而且与之配套的真空钎焊工艺能够使EGR冷却器具有更高的可靠性，达到设计要求。加工生产冷却器时，主要分两期实施工艺。将激光焊接方法作为一期工艺，主要流程包括三点：首先是装配，在第一主片上装配管束，连接管束和冷却器壳体；其次是激光焊接，将管束和主片、主片和壳体依次焊接在一起，接着进行试漏；第三步是装配，将支架等装配好，检查外观与尺寸，认真包装后运输。将真空钎焊作为二期工艺，流程主要是加工零部件、组装芯子、芯子填充焊料、点焊工件（如支架等）填充焊接其他部位、真空钎焊、检测密封性与包装产品等。

6.结束语

目前我国公认的能够使汽车NOx排放得到有效减少的措施就是冷却EGR技术，操作方法简单，受到了许多发动机和汽车生产厂家的青睐。最近几年，为了满足欧Ⅲ、欧Ⅳ标准，EGR技术成为了必不可少的技术。而EGR冷却器技术除了能达到精确控制与智能控制的目的，还可以使汽车尾气中的NOx含量减少，从而达到国家排放法规的要求，避免汽车尾气严重污染生活环境。