发动机EGR流场及温度场分析

发动机EGR流场及温度场分析

沈彩琴1  ,孙鸿燕2  

（1 杭州银轮科技有限公司 杭州 310000） （2 杭州光萤建工有限公司 杭州 310000）

摘要：利用 CFD 方法对冷却器流场和温度场进行分析，获得冷却器废气流场和冷却液流场以及冷却管部分的温度场。EGR冷却器气侧压降18.41kPa，EGR冷却器水侧压降49.14kPa，沸腾面积0.49%，处于合理值内，气侧流量分布均匀，各管流量平均偏差值为2.08%。对冷却器结构调整时的各种分析结论为以后该系列冷却器设计提供参考。

关键词：EGR冷却器；CFD；流场；温度场

中图分类号：TH112        文献标识码：A

0 引言

EGR（Engine Gas Recirculation）技术是将发动机排出的一部分废气通过控制管路引入到进气道与空气混合，进入气缸再燃烧的方法。NOx 是废气排放控制中的主要气体之一，它形成于高温富氧的条件，引入 EGR 后温度峰值和进氧量的降低限制了 NOx 生成条件，EGR 率对发动机的 NOx 排放量影响很大，随着 EGR 率的增加，发动机的 NOx 的排放量大幅度下降，大负荷时尤为显著。目前，EGR 技术是满足国四排放标准的方案之一。因 EGR 技术导入的是高温废气，若不对 EGR 气体冷却，炙热的回流废气将导致缸内燃烧温度和压力的大幅度升高，抵消 EGR 的作用，还会损坏发动机[1]。因此，需要对 EGR 循环进行冷却。EGR 冷却器是一种换热器，不仅要满足热交换器的基本要求，还要满足自身冷却温度不能过低的特殊要求[2]，使其能实现控制性冷却。目前，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[3]。大部分的研究围绕EGR 冷却器对发动工作性能的影响方面，以及冷却器的结垢对其性能的影响。本文从 EGR 冷却器最基本的流场和传热分析入手，研究某款冷却器的结构改进和性能提升。

1 EGR 冷却器的边界条件

1.1 EGR 冷却器

本文研究的 EGR 系统参数来源于一台 2L 国 IV 电控高压共轨柴油机。EGR 冷却器以及 EGR 阀组成结构见图 1，EGR 冷却器是分析主体。该发动机 EGR循环采用的是管壳式冷却器与 EGR 阀的组合体管路。它的特点是结构简单，适用范围大，冷却效果好。废气经 EGR 冷却器冷却后进入 EGR 阀，进而根据各种工况对 EGR 流量进行控制。为避免 EGR 阀对分析时的影响，阀体开度取最大值。利用 CFD 软件 FIRE 对所建立的模型进行分析。

图1 EGR 冷却器模型

1.2 输入条件

气侧：介质：空气

进气温度760℃，进气流量381g/h，进气压力150kPa（相对压力），出气温度108.5℃，气侧压降18.1kPa。

水侧：介质：水50%+乙二醇50%的冷却液，

水流量230L/min，进水温度94.9℃，进水压力175kPa（相对压力），出水温度100.15℃，水侧压差82.7kPa。

2 流场分析

2.1气侧管内流量偏差分析

废气从入口流入后经过波纹管处流动变得紊乱。进入直管结构高速流贴右壁，进入冷却器导向管路后沿弯管下部流向底部，进而向上扩散流动形成涡旋或者直接流入冷却管。根据 EGR冷却器局部紊流强度不能过大的要求，该处设计合理。流量偏差值在±10%以内的，为均匀分布；流量平均偏差值在2.08%

，小于5%，流量比较均匀。

图2 气侧管内流量图

2.2水侧压降分析

冷却液流入管道混合区域冲击入口附近冷却管后扩散，速度逐步衰减，局部区域流速很低效果差。冷却液在中间管和第 2 层管附近速度很低，该部分的结构影响冷却效果，EGR冷却器水侧压降49.14kPa。

图3 水侧压降图

3温度场分析

3.1气侧温度场分析

废气出口处温度分布图见图 8.从图 7 中分析可知，废气通过冷却器后温度明显降低。经测算，进气主板最高温度483.68℃，平均温度为181.35℃，通过分析可知，冷却管外缘和内部的距离大，内部 6 管排布过于紧凑，冷却液的流动阻力大。

图4 气侧温度场图

3.2水侧温度场分析

经测算，冷却管水侧管壁最高温度，320.18℃平均温度为111.85℃，符合要求。从图中可知废气冷却后冷却液出口附近局部温度过高。从应用可靠性方面考虑需要改进。究其本质，局部冷却水温度过高有两个原因：冷却水流速小和冷却管的排布和进出水口的位置。这两点需要进行一定改进。考虑 EGR 冷却器在发动机结构布局和尺寸限制，合理排布冷却管和进出水口位置，同时增大冷却液的流量是比较合理的。

图5 水侧温度场图

3.3模态沸腾分析

通过FLUENT 进行分析，进水绝对压力276Kpa，冷却液沸点138.02℃，模态沸腾温度188.02℃，模态沸腾面积占总冷却管面积的百分比0.49%。

图6 模态沸腾图

4结论

EGR冷却器气侧压降18.41kPa，EGR冷却器水侧压降49.14kPa，沸腾面积0.49%，处于合理值内，气侧流量分布均匀，各管流量平均偏差值为2.08%。通过仿真分析对 EGR 冷却器的结构进行改进，冷却管管进口处的紊流现象基本得到解决，同时各管废气的分配更均匀得到增强。

利用 fluent分析冷却器的工作效果，对各处冷却效果进行分析，对冷却管布局和冷却液进出结构进行研究分析得到的最终方案基本满足设计要求，同时各种方案反映出的问题为以后 EGR冷却器结构设计提供了有价值的参考。

参考文献

[1]孙剑涛，刘忠长，许 允，等. YC4112ZLQ 增压中冷柴油机排气再循环冷却器的设计计算[J]. 吉林大学学报，2004，34（4）：564-568.

[2]祝 勇.采用 Cooled-EGR 控制增压柴油机排放的研究[D]. 北京：北京理工大学机械与车辆工程学院，2002.

[3]胡永明，陈启安，许维武，等.发动机废气再循环冷却器性能计算仿真[J]. 柴油机设计与制造，2012，18（1）：26-29.