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北京理工大学珠海学院2010届本科生毕业设计（论文）
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第一章 绪 论
近年来，由于人们对于环保问题日益重视，排放法规也越来越严格。在我国，北京已于2008年3月1日已经率先使用国四排放标准，全国其他地区也将于2010年迈入国四标准。这些对于EGR技术提出了更高的要求，冷却的EGR系统以其更优的排放质量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必备装备。因此人们不断致力于降低柴油机有害物排放，尤其是NOx(氮氧化物)和PM（颗粒）排放。废气再循环（EGR）冷却器技术对降低柴油机的NOx排放有显著效果，是目前普遍采用的技术。其原理是将发动机排出的定量废气回送到混流器与新鲜空气混合后进入气缸，由于废气再循环使得燃烧温度降低，氧的相对浓度降低，NOx有害排放得以减少。冷却器是废气再循环装置中的重要元件，它通过降低废气温度，使废气再循环更有效。因此，必须尽可能提高废气再循环冷却器的冷却效率，保证废气流过时压力下降到规定的范围，这是冷却器结构设计的首要目标。
随着EGR冷却器制造技术的提高及国内外市场的巨大需求看，我们面临着一个紧迫的问题，就是冷却器性能测试平台的短缺。 调查显示，很少有非换热器公司具有EGR换热器性能测试实验台，即使已有的试验台，其中多半的测试手段和方法已相对落后。根据本公司的实际需要，为了节省试验成本，废气用高温燃气发生器代替发动机来获得，通过以水－气换热的壳管式EGR换热器作基本模型，设计出一套自动化程度高、测量准确、操作简单、适用范围广的EGR换热器性能实验系统。对不同的EGR换热器型式，通过简单的安装，可以在本实验台系统上得到该换热器的一系列性能参数，用测量的温度、流量、压力等参数，来推算出传热系数与流速之间，流阻与压力差之间的关系曲线和关系式，由此可对换热器的传热性能进行评价和比较。
所以我们这个智能化EGR冷却器实验台的建设，对我国EGR产业的发展能够起到一定的推动作用。一方面能够为以后的EGR冷却器的性能参数提供可靠方便的测试平台；另一方面为以后我国制定EGR冷却器性能参数的行业标准提供有效数据及技术支持。因此EGR实验台的建设迫在眉睫，也是我们国家以后发展所必须拥有的一项技术。
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EGR冷却器简介
研究表明，高温富氧是汽车尾气排放中NOx主要的产生条件，废气再循环(EGR)技术的基本原理是将部分排气引入进气管，以提高混合气中的废气成分，这样一来，废气对新气的稀释作用意味着降低了氧浓度，破坏了富氧的条件；另一方面，由于废气中含有的水蒸气和二氧化碳等三原子分子，比热容大，可以有效地降低气缸内的最高燃烧温度，破环高温的条件，从而达到降低NOx含量的目的。
然而，直接将废气送入进气管的EGR技术增加了进气温度，降低了燃烧效率，因此也降低了燃油的经济性，同时提高了最高燃烧温度，又使NOx的排放量增加。基于此缺点提出的冷却的EGR技术是将再循环废气经冷却器冷却后，再送入进气端，进一步降低进气温度，更有利于降低NOx的排放，同时也改善了燃油的经济性。研究表明：冷却的EGR技术对于NOx，PM的排放以及燃油的消耗率都有积极的影响。
冷却的废气再循环技术并不要求过低的冷却温度，因为过低的EGR温度不仅会导致水蒸气和硫化物的凝结，造成汽缸壁的腐蚀和磨损，而且会导致EGR冷却器尺寸增大，成本增加。另外，还有学者提出：当EGR率较小时，EGR冷却与否对发动机的燃油经济性影响相当，但当EGR率超过7％之后，冷却的EOR对发动机的燃油经济性带来不利影响，而在此范围内，冷却与非冷却对于氮氧化物的排放浓度的影响几乎一致，印没有明显降低氮氧化物的排放却牺牲了燃油的经济性。于是，又有学者对于不同负荷下的EGR冷却温度进行了研究，并设计了EGR冷却温度的控制装置，根据不同的工况，自动控制EGR冷却温度，从而更进一步的降低NOx的排放。
EGR冷却器的性能要求和类型
1．EGR冷却器的性能要求
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。另外，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，造成对冷却器及连接管路的酸性腐蚀，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：
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(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。
2．EGR冷却器的类型
综合考虑以上性能要求，目前应用到EGR冷却器的换热器可以分为两种形式：管壳式换热器和板翅式换热器。管壳式换热器是最传统的通过壁面进行换热的装置，它的研究与发展也最健全，而且得益于管壳式换热器易于制造，生产成本低，选材范围广，传热表面清洗较方便，适应性强，处理量大，具有高度工作可靠性，能承受高温、高压等优点，很好的满足了EGR冷却器的基本工作要求，成为了EGR冷却器最常见的方式，目前可见的管壳式EGR冷却器有以下四种形式：光管式EGR冷却器、螺纹管式EGR冷却器、翅片式EGR冷却器、螺旋折流板式EGR冷却器。另外，板翅式换热器作为高效换热器的一种形式，以其结构紧密，轻巧，传热面积大，传热效率高的特点，亦被许多的EGR冷却器所采用。
：
，提高废气—金属—水的总传热效率。将管壳式改为平板式或叠层式或板翅式，有最大的气—金属接触面积。
。
常见EGR冷却器的结构及实物图（见附录）
、主要任务及目标
任务：。
，并为购置实验台设备提供参考信息及方案。
VIEW编程软件及试验数据处理所需的部分算法，并完成实验台的控制程序的编写。
，工作原理、工作过程及要求。
目标：。
，即由手动仪表控制到计算机的自动化控制。
，使设备的测量精度提高，且设备成本相对降低。
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第二章 总体设计方案
根据国家有关标准及换热器性能实验的实验原理，首先对实验系统的硬件进行了总体的设计，在此设计基础上搭建实验台并在建立过程中作出相应的改进和调整。通过实验能够确定废气再循环（EGR）冷却器的传热性能，给出不同定性温度下传热系数与流速之间的关系，建立努谢尔准则数与雷诺数之间的准则方程式；确定EGR冷却器的流体阻力性能，给出压力降与流速之间的关系。
智能化EGR冷却器试验台性能要求：
1. 有燃气发生器作为气源，-，温度为200-600℃，流量为35-150KG/Hr可调。
2. 有温度流量可调的水源。
3. 同时记录进出气与进出水的温度和压力。
4. 自动计算和打印出各试验点的热流和总传热系数。
冷却器试验台流体流动示意图
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实验台系统
实验台系统由实验台本体、高温燃气发生器、空气冷却器、热水源及可控硅温度控制器五大件组成。五大件各自独立，有较大灵活性。系统简图示于图4。
图4 换热器性能实验示意图
实验台本体结构紧凑，实验用的换热器置于高温燃气发生器废气出口上。水箱、管路、水泵、涡轮流量计、调节阀、加热器及电阻温度计组合成一个独立的冷却热水源。三相可控硅温控装置温度控制精度为±℃。为了防止水中有杂质与颗粒堵塞流量计并造成温度计与压力计的测量误差，管路中设计加装过滤器，过滤器可以定期取出冲洗除污。冷却水的散热系统除了水箱本身具有散热能力外，冷却水系统的管路中安装空气冷却器，空气冷却器主要利用空气来将热水传递给冷水的热量带走，冷却介质采用空气，一是尽管考虑到如果采用水冷，效果比空气冷却好，但是水资源的消耗较大；二是空气资源十分丰富，且实验过程中没污染。
换热器中流体流动形式可认作为二次叉流，水-气流向为逆流。需测参数共计11个：换热器进、出水温度和压力（4个），进、出废气温度和压力（4个），大气温度，水流量及废气流量。水侧和气侧进出口温度用铜-康铜热电偶测量。水侧进出口温度测点tw1，tw2布置在换热器进出口水管内；进口空气温度测点ta1布置在紧靠换热器的进口截面处，用3对热电偶并联进行测量；空气出口温度测点ta2布置在换热器出口截面后的均温段出口处，用9对热电偶并联进行测量。换热器内水流量用涡轮流量计测量，空气流量用风机进风口内的毕托管及微差压传感器进行测
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量。
实验设计中，传感器的选型与设计安装是十分重要的，它们是实验结果的精度与实验系统设计成功与否的关键。根据国家标准规定，流量计、温度计与压力计都有最低限度的要求，但不限制使用其他同等或更高精度的测量仪表，具体要求如下：
◆ 流量计：涡轮流量计应安装在水平直管段上，其涡轮上游直管段长度应不小于20倍管径，下游直管段长度应不小于15倍管径。在仪表的上游直管段起始端应安装过滤器；测量废气流量的板孔式流量计可以安装在水平或垂直管道上，安装时必须注意流体流向与流量计箭头标示方向一致。测量管段内所有密封垫片，夹紧后不得突入管道内，否则会使流速紊乱，影响测量精度。流量计前后要有足够长的直管段。在新铺设的管路上安装流量计时，应在清扫管线之后再安装。
◆ 温度测量：测温元件的感温点应位于管道中心，其保护管的插入深度L应按温度计使用说明书的规定；温度保温管的安装应符合规定。当管道公称直径大于Dg80mm时，垂直安装法进行安装；当管道公称直径小于或等于Dg80mm时，可以倾斜安装、在管道弯头处安装或在扩大管处安装；测温点的上、下游各处300mm范围内，保温层应尽可能加厚，换热器、混合器、测温点之间的全部管线应保温良好。
◆ 压力（差压测量）：静压测孔应设置在距离任何扰动区（弯管、阀门等）下游至少5倍管径、上游至少2倍管径处。静压测孔应与测壁面垂直。
水侧和废气侧进出口温度用电热阻温度计测量，水侧和废气侧进出口压力用扩散硅压力传感器测量。换热器内水流量用涡轮流量计测量，废气流量用板孔式流量计进行测量。所用传感器都采用屏蔽线与控制柜及计算机进行连接，这是考虑到远距离传输中防止传输信号受到干扰。为了方便校验、观测与控制，实验系统采用了控制柜的仪表与计算机并行监测现场信号的处理方法。在系统调试运行正常后，将控制柜放置在现场，而核心部件计算机则放置在计算机房，进行远程控制，这样也可以实现手动与自动两种不同的控制方法。
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测控系统
测控系统由温度、压力及流量传感器及变送器、控制柜内的二次显示仪表、I/V转换板、AD板卡、DA板卡、变频器、冷却水泵、高温燃烧器进气控制阀及计算机组成完整的系统。系统中使用的电热阻温度计输出电流信号，涡轮流量计输出脉冲信号，扩散硅压力计输出电流信号，温度与流量信号都送往控制柜中的二次显示仪表与计算机并联显示，所有的可远传信号最后都变成电流信号送往I/V转换板，经AD板卡变成数字信号后被计算机接收。控制方法采用的反馈控制，主要对制冷剂（即水）流量和高温燃气发生器的负荷进行控制，由计算机传出的控制量经DA板卡变成模拟信号后送变频器来调节控制冷水泵的转速，和高温燃气发生器的进气阀门开度和燃油泵的转速，从而达到控制流量的目的。
图五 换热器性能试验测控系统示意图
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测试系统组成见下图6所示
图六 原理接线图
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第三章 试验台测控系统的硬件设计及数据处理
硬件选择
(包括风源箱)
(a)风机：风量：800 m3/h、风压：580 Pa；
出风口尺寸：233×155 mm；
进风口测速段直径：φ138 mm
(b) 换热器：
换热器为一紧凑的翅片管间壁式散热器，由铜管束套皱折的整体铝翅片构成。结构参数为 管束：紫铜管
管外径： do=8 mm； 管内径： di= mm
管节距： 横向： s1= mm； 纵向： s2=28 mm
翅片：铝质、皱折、整片
翅片厚 δ= mm；翅片距 t=1 mm； 翅片数：m=231
水侧结构尺寸：
横向管数：n1=8； 纵向管排数：n2=2
总管数：n=n1×n2=16
水侧并联管数：n3=n1=8
管子总长度： =α×n
通道面积：FW = ?n3 ?di4
气侧结构尺寸：
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