EGR冷却器新技术及制造工艺介绍
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摘要：egr可有效的降低NOx排放，但同时也对发动机的动力性、燃油经济性、碳烟排放带来不同程度的负面影响，冷EGR技术在EGR的基础上对高温废气进行冷却，降低进气温度，发动机的性能得到全面提升，冷却器作为冷EGR系统的核心部件，其开发设计显得尤为重要。本文进行阐述。
中图分类号： X703 文献标识码： A
一、EGR冷却器技术概述
发动机排气温度高达600~700℃，如果直接将废气引入进气管，则高温的废气将加热进气，导致缸内的温度、压力大幅度上升，抵消了EGR降低NOx的作用，同时炙热的废气会对发动机的动力性、燃油经济性、碳烟排放带来不同程度的负面影响，因此，现在EGR技术应用厂商大多采用冷EGR技术，如图1所示。
图1冷EGR系统
冷EGR技术是在热EGR技术的基础上增设EGR冷却器，高温再循环废气经冷却器冷却后再与新鲜的进气混合，降低了进气温度，对提高燃油的经济性和降低NOx和碳烟排放均产生积极的影响。
EGR冷却器是冷EGR系统的核心部件，其性能优劣对冷EGR的效果产生决定性的影响。EGR冷却器除了具有一般换热器换热效率高、压力损失小等特点外，还要耐高温、耐腐蚀，抗震、不易积碳等特性。
二、EGR冷却器的类型
按照现有EGR冷却器的性能要求，目前应用于EGR冷却器的换热器主要有两种，板翅式换热器和管壳式换热器。
1)板翅式换热器
板翅式换热器，顾名思义，其传热元件是由板和翅片组成。板翅式换热器翅片对流体的扰动使边界层不断破裂，所以其可以达到很高的传热效率。有研究表明。板翅式换热器比管壳式换热器的效率高出25%-50%。且板翅式换热器多为铝合金制造，产品轻巧紧凑。但板翅式换热器制造工艺要求严格，工艺过程复杂，且高温的废气在其内遇冷积炭，极易发生堵塞，清理检修困难。
2)管壳式换热器
管壳式换热器是由一个壳体和包含许多管子的管束构成，冷、热流体之间通过管壁进行换热的换热器。管壳式换热器具有结构简单、操作可靠、且其清洗简单方便，很好的满足了EGR冷却器的基本要求，现在EGR冷却器中的使用已非常普遍。目前，常见的管壳式EGR冷却器又分为如下五种形式:光管式EGR冷却器，弓形折流板式EGR冷却器，波纹管式EGR冷却器，翅片式EGR冷却器，螺旋折流板式EGR冷却器。
a)光管式EGR冷却器
光管式EGR冷却器是管壳式换热器最简单、最基本的形式，制造成本较低，清洗检修方便。光管式EGR冷却器的缺点是传热面积小，且其光管对流体缺乏扰动，EGR废气极易沉积附着在光管表面，使得传热效率进一步降低。随着时代的发展，对废气冷却效果要求越来越高，光管式EGR冷却器已较少使用。
b)弓形折流板式EGR冷却器
弓形折流板式EGR冷却器是在光管式EGR冷却器的基础上增加弓形折流板，以提高壳程流体流速，增加传热系数。弓形折流板式EGR冷却器的缺点是壳程流体易产生传热和流动死角，传热面积无法充分利用，易结垢，流体阻力大。且当流体横掠管束时，管束易震动，影响冷却器的寿命。
c）波纹管式EGR冷却器
波纹管式EGR冷却器利用滚压设备将光管制成内凸外凹的槽纹。将光管制成波纹管可以大大增加换热面积，且波纹管可以对内外流体扰流，破坏其边界层，对内外流体均进行强化传热，但与此同时，却使得流动阻力增大，积炭增加。随着对波纹管的优化设计与不断改进，其缺点逐渐得到改善，目前已成为EGR冷却器应用最广泛的形式之一。
d)翅片式EGR冷却器
翅片式EGR冷却器在光管上增设一定高度、一定片距、一定厚度的翅片，利用翅片可以增加单位体积内的有效传热面积，同时对流体进行扰动，破坏流体边界层，从而提高传热系数。按翅片布置形式主要分为螺旋翅片、套装翅片。螺旋翅片就是把钢带平面垂直于管子轴线，以螺旋线的形式缠绕在管子外表面上，在形成螺旋翅片时，根部褶皱，增加了气体流动的阻力。套装翅片就是用冲床加工出一批单个翅片，然后用人工或机械的方法，按一定的翅片间距，靠过盈将翅片套装在管子外表面上。此方法结构简单，但需要大量的劳动力，且翅片与光管的结合不紧密，增加了传热热阻。
e)螺旋折流板式EGR冷却器
螺旋折流板是将传统的弓形折流板加工成螺旋状或类似螺旋状的折流板，使得流体沿着壳程呈螺旋状运动。螺旋状运动不会出现传统折流板流动“死区”的问题，且旋转运动产生的涡流与管束表面相互作用，传热系数得到提高。有研究表明螺旋折流EGR冷却器单位压降下的壳侧传热系数比弓形折流板换热器要高33%-136%。封闭螺旋道形成的高速旋转介质流，有利于冲走颗粒物及沉淀物，避免壳侧积炭的发生。
三、EGR冷却器的选型与设计
1)选型标准
EGR冷却器是一种换热器，选型的标准很多，最基本的涉及待处理流体的类型、操作压力、温度、热负荷和费用等。
用于对废气进行冷却的EGR冷却器不仅要满足热交换器的基本要求，还要满足它自身冷却温度不能过低的特殊要求。过低的冷却温度将使排气中的水蒸气凝结，与排气中的含硫化合物结合形成酸，造成对冷却器及联接管路的酸性腐蚀，降低冷却器的寿命与可靠性。由于EGR冷却器的冷却对象是温度较高的再循环废气，要求冷却器在较小的换热面积下实现大的热量传递，而且必须尽可能提高废气再循环冷却器的冷却效率，同时还要适应发动机振动大的特点。此种工作条件下对冷却器的要求是:
(1)冷却器要耐高温、耐腐蚀;
(2)体积小、散热效率高、压力损失小、能防堵塞。
EGR冷却器换热的对象是粘度比较低的水和废气，对于低粘度流体―低粘度流体，高温高压场合用管壳式(STHE)换热器。而且管壳式冷却器结构简单，体积小，造价低，散热效率高，可以设计成各种尺寸及型式，对其操作温度和压力也没有太多限制，可用任何能抗腐蚀的材料制造，所以它成为EGR冷却器的基本形式，必要时可以在壳体内加装紊流装置以提高热交换效率。为满足耐高温、耐腐蚀要求，全部零部件均选用304, 304L, 306, 306L及316L不锈钢精密铸件及型材。
2)初选冷却器的尺寸规格
(1)换热管
换热管直径:EGR冷却器中使用大量横截面呈圆形的小直径、薄壁管。从传热的角度来看，小管径的管子能获得较高的传热系数，从而换热器也较紧凑，但是管径愈小的换热器的压降将愈大，几乎所有的换热器的管子外径在1/4in(6.35mm)与2in(50.8mm)之间。这里管子外径选择10mm，壁厚1mm.
管长:由于无相变换热时，管子较长则传热系数也增加，在相同的传热面积情况下，采用长管则流动截面积小，流速大，管程数小，而且采用长管时每平方米传热面的比价也低，所以对于一定的换热面积，最经济的换热器是用壳体直径尽可能小，管子尽可能长，并与制造或使用现场的空间相符合的原则制造，这里预选250mm长的换热管。
(2)管子排列方式
管子布局:管子在管板上的排列型式主要有正方形、三角形和同心圆
排列。同心圆排列较紧凑，主要用于小直径的换热器，在换热直径较小时，可安排的换热管数也最多，而且在靠近壳体的地方布管均匀，介质不易走短路，所以选用了同心圆排列法。换热管排列方式如图2所示。无论哪种排列方法，通常其最外圈换热管的外壁与壳体内壁间的距离不应小于换热管外径的1/4，且不小于8-10mm。
图2换热管在管板上的排列形式
(3)冷却器的流动方式
采用冷热流体逆流的方式，如图2(a)，即在换热器中，两股流体平行流动，但方向相反。理想情况下，单流道的这种流动方式的换热器在相同参数时效率最高。在同一个热流体状态和同一个初温的冷流体下，采用逆流可比顺流加热到更高的终温，交换相同的热量时，采用逆流的换热器所需要的换热面积就较小，而使换热器紧凑轻便。
图2流体在换热器中的流动方式
四、EGR冷却器的制造工艺
为满足耐高温、耐腐蚀、密封性及强度要求，芯子总成采用激光焊接和真空钎焊法相结合的工艺方法。开发了比传统镍基钎料有更好工艺性能、耐高温及耐腐蚀性能的新型钎料及相应的真空钎焊工艺，完全可以满足EGR冷却器可靠性要求。
对冷却器加工生产的工艺流程分为两期。一期采用激光方法焊接。工艺流程为:1）装配。将管束装配到第一主片上、将冷却器壳体与管束连接、装配第二主片。2)激光焊接。焊接主片与管束、焊接壳体与主片、试漏。3)最后装配，装配支架等、尺寸、外观检查、包装运输。二期将采用真空钎焊。包括零部件加工、芯子组装、芯子填充焊料、点焊支架等工件、其它部位填充焊料、真空钎焊、密封性检测及产品包装等。
结语：
冷却废气再循环(EGR)技术，是公认的减少汽车NOx排放的简洁、有效的措施，己被许多汽车、发动机生产厂家所采纳。近年来EGR技术己经成为满足欧III、欧Ⅳ标准不可缺少的技术。实现冷却EGR的智能控制和精确控制，减少汽车尾气中NOx的含量，满足国家的排放法规，减少汽车尾对环境的污染。
参考文献：
[1]胡晖，胡瑞玲，李志强.冷却的废气再循环(EGR)技术一降低NOx排放的主要措施[J].湖南大学学报:自然科学版，2003,30(3):65 ~67
[2翁祖亮.冷却水泵实用技术[M].上海:上海交通大学出版社，2004