魯成 潘永傳 趙紅兵 段繼翔

摘要：基于發(fā)動機(jī)實(shí)際工況的EGR冷卻器性能評估，探究水流量和EGR冷卻器進(jìn)水溫度對EGR冷卻器性能指標(biāo)和可靠性指標(biāo)的影響;探究不同結(jié)構(gòu)EGR冷卻器的性能差別。

Abstract： Based on the performance evaluation of EGR cooler under the actual working conditions of the engine， the influence of water flow rate and EGR cooler inlet temperature on the performance and reliability indexes of EGR cooler was explored. The performance differences of EGR coolers with different structures were investigated.

關(guān)鍵詞：EGR冷卻器;天然氣發(fā)動機(jī);水溫升;出氣溫度

Key words： EGR cooler;natural gas engine;water temperature rise;gas temperature

中圖分類號：TK437 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0023-04

0 ?引言

近幾年，石油能源危機(jī)和環(huán)境污染日益嚴(yán)峻，對傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)業(yè)提出了更加嚴(yán)苛的要求及挑戰(zhàn)，為了改善能源分配和環(huán)境形勢，發(fā)展新型或替代能源勢在必行。天然氣作為一種替代能源，具有世界范圍內(nèi)儲量高，價(jià)格低廉，燃燒清潔性好等優(yōu)勢[1]，因此天然氣作為燃料在發(fā)動機(jī)上開始普及，特別是在商用車領(lǐng)域，重型天然氣發(fā)動機(jī)得到了廣泛應(yīng)用，并且在重型車占比中逐年增加。

天然氣發(fā)動機(jī)采用的技術(shù)路線有兩種，一種是稀薄燃燒路線，另一種是當(dāng)量燃燒路線，其中當(dāng)量燃燒路線中，發(fā)動機(jī)存在缸內(nèi)燃燒溫度高、排溫高的現(xiàn)象，對于發(fā)動機(jī)零部件的要求更加嚴(yán)苛，所以當(dāng)量燃燒技術(shù)路線的發(fā)動機(jī)一般會采用EGR技術(shù)[2]，EGR技術(shù)是從排氣管引出一部分廢氣，通過進(jìn)氣管與燃空混合氣混合后進(jìn)入缸內(nèi)，摻入冷卻廢氣的混合氣，比熱容相對較高，會吸收燃燒溫度，這樣就能達(dá)到降低缸內(nèi)燃燒溫度、降低排溫的效果。并且天然氣發(fā)動機(jī)普遍采用火花塞點(diǎn)燃的燃燒方式，要求進(jìn)入缸內(nèi)的氣體溫度不能過高，否則會產(chǎn)生爆震現(xiàn)象[3-4]。EGR技術(shù)中的廢氣溫度由EGR冷卻器性能決定，所以采用EGR技術(shù)的發(fā)動機(jī)中最重要零部件之一是EGR冷卻器，其性能好壞會嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)的性能及可靠性。

EGR冷卻器主要有管殼式和板翅式兩類。管殼式是比較傳統(tǒng)的通過壁面進(jìn)行換熱的裝置，管殼式換熱器易于制造，生產(chǎn)成本低，傳熱表面清洗較方便，具有較好的可靠性，還有承受高溫、高壓等優(yōu)點(diǎn)。板翅式是高效換熱器的一種形式，具有結(jié)構(gòu)尺寸緊湊，傳熱面積大，傳熱效率高的特點(diǎn)[1]，發(fā)動機(jī)本身結(jié)構(gòu)就很緊湊，因此板翅式冷卻器在發(fā)動機(jī)領(lǐng)域開始得到大量應(yīng)用。天然氣發(fā)動機(jī)普遍采用的EGR冷卻器結(jié)構(gòu)為板翅式。EGR冷卻器的性能評估一般都是由EGR冷卻器生產(chǎn)廠家進(jìn)行零部件臺架試驗(yàn)，但生產(chǎn)廠家臺架試驗(yàn)用的高溫氣體難以模擬真實(shí)的發(fā)動機(jī)燃燒后氣體，因此經(jīng)常會出現(xiàn)發(fā)動機(jī)實(shí)際運(yùn)行的EGR冷卻器性能與生產(chǎn)廠家臺架測試性能存在差異的情況[5-6]。

本文通過一臺中重型天然氣發(fā)動機(jī)和冷熱沖擊溫控設(shè)備，在實(shí)際發(fā)動機(jī)廢氣邊界下，通過調(diào)整EGR冷卻器的不同的水流量及進(jìn)水溫度，進(jìn)行了EGR冷卻器性能參數(shù)及對比研究，旨在摸索天然氣發(fā)動機(jī)EGR冷卻器的性能規(guī)律，為后續(xù)開發(fā)提供意見和經(jīng)驗(yàn)。

1 ?試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)對象

此次試驗(yàn)研究用發(fā)動機(jī)為某款8L天然氣發(fā)動機(jī)，采用當(dāng)量燃燒、EGR、TWC技術(shù)路線[7]，滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)[8];其他主要技術(shù)參數(shù)如表1。

本文選取了同一生產(chǎn)廠家提供的兩款天然氣發(fā)動機(jī)用EGR冷卻器進(jìn)行研究對比試驗(yàn)，這兩款EGR冷卻器的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

發(fā)動機(jī)與臺架的測功機(jī)相連，測功機(jī)臺架為交流電力試驗(yàn)臺，EGR冷卻器布置在發(fā)動機(jī)上，EGR冷卻器的氣路還是由發(fā)動機(jī)提供，并且EGR冷卻器的廢氣進(jìn)、出氣管路仍然布置在發(fā)動機(jī)上，但EGR冷卻器的水路由冷熱沖擊溫控設(shè)備單獨(dú)提供，EGR冷卻器的進(jìn)、出水的管路連接在冷熱沖擊溫控設(shè)備上，冷熱沖擊溫控設(shè)備可以控制EGR冷卻器的進(jìn)水溫度及水流量，臺架上記錄EGR冷卻器進(jìn)氣溫度、EGR冷卻器出氣溫度、EGR冷卻器進(jìn)水溫度、EGR冷卻器出水溫度、水流量等參數(shù)值，試驗(yàn)臺架布置示意如圖1。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中發(fā)動機(jī)一直運(yùn)行在額定工況，目的是保證流經(jīng)EGR冷卻器的廢氣流量及廢氣進(jìn)氣溫度不變，這樣確保EGR冷卻器試驗(yàn)中廢氣輸入邊界條件不變，參數(shù)見表3。

EGR冷卻器的進(jìn)水溫度、水流量可以由冷卻沖擊溫控設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，冷卻沖擊溫控設(shè)備分別不斷調(diào)整EGR冷卻器的進(jìn)水溫度（80℃、85℃、90℃）及水流量（4m3/h、5m3/h、6m3/h），記錄EGR冷卻器A、EGR冷卻器B的出水溫度、出氣溫度。

2 ?試驗(yàn)結(jié)果及分析

在EGR冷卻器的評估試驗(yàn)中，有兩項(xiàng)比較關(guān)鍵的指標(biāo)：一是EGR冷卻器的水溫升，二是EGR冷卻器的出氣溫度。

EGR冷卻器的水溫升是EGR冷卻器的出水溫度減去EGR冷卻器進(jìn)水溫度的差值，水溫升一般認(rèn)為是水流量的一種表征，它不受進(jìn)水溫度的高低影響。并且通常情況下，EGR冷卻器的水溫升越大的話，EGR冷卻器內(nèi)的換熱較差，EGR冷卻器內(nèi)部可能會產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象，EGR冷卻器中主要由金屬翅片焊接組成，在沸騰情況下，會因?yàn)槭軣岵痪鶆虍a(chǎn)生熱應(yīng)力，在熱應(yīng)力的作用下，金屬翅片會發(fā)生變形，甚至產(chǎn)生裂紋，產(chǎn)生裂紋后EGR冷卻器內(nèi)部水腔與氣腔相通，這樣發(fā)動機(jī)會出現(xiàn)水箱返水、冷卻液缺失等現(xiàn)象，會造成很壞的影響。因此EGR冷卻器內(nèi)的水溫升是評價(jià)EGR冷卻器可靠性的關(guān)鍵參數(shù)之一[9]，通常在發(fā)動機(jī)開發(fā)中都要將此參數(shù)作為評估項(xiàng)，EGR冷卻器生產(chǎn)廠家也比較關(guān)注此參數(shù)，經(jīng)常作為EGR冷卻器設(shè)計(jì)之初及設(shè)計(jì)定型的評價(jià)邊界。

EGR冷卻器的出氣溫度是廢氣冷卻后的溫度值，EGR技術(shù)是將廢氣與空氣、燃?xì)饣旌?，然后進(jìn)入缸內(nèi)，若進(jìn)入缸內(nèi)的氣體溫度過高，會造成發(fā)動機(jī)缸內(nèi)異常燃燒，動力弱，氣耗差，嚴(yán)重的話可能會因?yàn)樘烊粴獍l(fā)動機(jī)爆震而造成發(fā)動機(jī)拉缸、活塞融頂?shù)痊F(xiàn)象。因此EGR冷卻器的出氣溫度作為最重要的性能指標(biāo)。EGR冷卻器出氣溫度能夠表征EGR冷卻器的冷卻能力，相同尺寸下EGR冷卻器的出氣溫度越低，說明EGR冷卻器的技術(shù)能力越高，冷卻效率越高，所以EGR冷卻器生產(chǎn)廠家經(jīng)常將此參數(shù)作為技術(shù)能力的評估標(biāo)準(zhǔn)。在天然氣發(fā)動機(jī)開發(fā)中，都會將此EGR冷卻器出氣溫度這項(xiàng)參數(shù)作為發(fā)動機(jī)的開發(fā)指標(biāo)，出氣溫度的高低嚴(yán)重影響天然氣發(fā)動機(jī)的匹配[10-11]。

因此在本次研究方案中，重點(diǎn)分析EGR冷卻器的這兩項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)。

2.1 EGR冷卻器水溫升與進(jìn)水溫度變化關(guān)系分析

通過圖2、圖3中數(shù)據(jù)可以看出，水流量一定的情況下，不同的進(jìn)水溫度對EGR冷卻器的水溫升影響很小，這個(gè)可以通過公式（1）[12]來解釋，EGR冷卻器結(jié)構(gòu)不變的情況下，效率幾乎不變，帶走的熱量Q幾乎相同，水的比熱容c不變，水流量一定的情況下，質(zhì)量流量一樣m，因此溫升？駐T幾乎相同，變化很小。EGR冷卻器A和EGR冷卻器B規(guī)律相同。

Q=c×m×？駐T（1）

其中：Q為熱量;c為比熱容;m為質(zhì)量流量;？駐T為溫度梯度。

2.2 EGR冷卻器出氣溫度與進(jìn)水溫度變化關(guān)系分析

通過圖4、圖5曲線可以看出，水流量一定的情況下，EGR冷卻器的出氣溫度隨著EGR冷卻器的進(jìn)水溫度的升高而升高，呈現(xiàn)直線相關(guān)性關(guān)系。通過EGR冷卻器A和B的數(shù)據(jù)對比可以看出，兩者的溫度斜率幾乎一致，這說明水氣熱交換中已經(jīng)達(dá)到了平衡，熱量交換達(dá)到了平衡，此現(xiàn)象不會受到結(jié)構(gòu)的影響。

2.3 EGR冷卻器水溫升與水流量變化關(guān)系分析

通過圖6、圖7數(shù)據(jù)分析，可以發(fā)現(xiàn)相同的進(jìn)水溫度下，EGR冷卻器的水溫升隨著水流量的增加呈現(xiàn)下降趨勢，水流量每增加1m3/h，EGR冷卻器的水溫升下降大約2℃， EGR冷卻器A和B的趨勢相同。EGR冷卻器水溫升與水流量關(guān)系很大，通常認(rèn)為水溫升是水流量的一種表征，且EGR冷卻器水溫升作為可靠性評估的很重要的一項(xiàng)指標(biāo)，因此在EGR冷卻器的設(shè)計(jì)匹配前期，需要將水流量作為輸入指標(biāo)，用于EGR冷卻器的前期仿真計(jì)算。

2.4 EGR冷卻器出氣溫度與水流量變化關(guān)系分析

通過圖8、圖9可以看出，在EGR冷卻器進(jìn)水溫度一致的情況下，隨著EGR冷卻器水流量的增加，EGR冷卻器出氣溫度逐漸降低，EGR冷卻器A和B趨勢相同。

通過分析單獨(dú)每條曲線，可以發(fā)現(xiàn)EGR冷卻器出氣溫度下降的幅度很小，說明水流量對出氣溫度影響很小;但通過EGR冷卻器A和B相同進(jìn)水溫度下的曲線對比，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)對出氣溫度影響比較大，EGR冷卻器B比A尺寸長，熱交換面積大帶走熱量多，冷卻能力好，EGR出氣溫度相差近25℃。因此EGR冷卻器的結(jié)構(gòu)對于EGR出氣溫度影響很大，在結(jié)構(gòu)尺寸定型后，通過加大水流量很難降低EGR冷卻器出氣溫度。此條可以作為后續(xù)匹配經(jīng)驗(yàn)。

3 ?結(jié)論

①通過發(fā)動機(jī)臺架及溫控設(shè)備配合的測試方法，可以很好的、比較真實(shí)的進(jìn)行EGR冷卻器的性能匹配試驗(yàn);②EGR冷卻器的氣體冷卻性能由結(jié)構(gòu)決定，水流量影響較小;③EGR冷卻器的可靠性參數(shù)（水溫升）受水流量影響較大;④發(fā)現(xiàn)了EGR冷卻器匹配中呈現(xiàn)線性關(guān)系的條件：水流量一定情況下，EGR冷卻器出氣溫度與進(jìn)水溫度呈現(xiàn)線性關(guān)系;EGR冷卻器進(jìn)水溫度一定情況下，水泵流量與水溫升呈現(xiàn)線性關(guān)系;⑤通過試驗(yàn)研究，能夠了解EGR冷卻器在天然氣發(fā)動機(jī)上的性能狀況，對于后續(xù)的開發(fā)提供指導(dǎo)。

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