【正文】 第一章 緒 論近年來，由于人們對于環(huán)保問題日益重視，排放法規(guī)也越來越嚴格。在我國，北京已于2008年3月1日已經(jīng)率先使用國四排放標準，全國其他地區(qū)也將于2010年邁入國四標準。這些對于EGR技術提出了更高的要求，冷卻的EGR系統(tǒng)以其更優(yōu)的排放質(zhì)量已經(jīng)成為了滿足排放標準的必要機內(nèi)凈化措施，并已成為國內(nèi)外汽車發(fā)動機滿足排放法規(guī)的必備裝備。因此人們不斷致力于降低柴油機有害物排放，尤其是NOx(氮氧化物)和PM（顆粒）排放。廢氣再循環(huán)（EGR）冷卻器技術對降低柴油機的NOx排放有顯著效果，是目前普遍采用的技術。其原理是將發(fā)動機排出的定量廢氣回送到混流器與新鮮空氣混合后進入氣缸，由于廢氣再循環(huán)使得燃燒溫度降低，氧的相對濃度降低，NOx有害排放得以減少。冷卻器是廢氣再循環(huán)裝置中的重要元件，它通過降低廢氣溫度，使廢氣再循環(huán)更有效。因此，必須盡可能提高廢氣再循環(huán)冷卻器的冷卻效率，保證廢氣流過時壓力下降到規(guī)定的范圍，這是冷卻器結(jié)構(gòu)設計的首要目標。隨著EGR冷卻器制造技術的提高及國內(nèi)外市場的巨大需求看，我們面臨著一個緊迫的問題，就是冷卻器性能測試平臺的短缺。 調(diào)查顯示，很少有非換熱器公司具有EGR換熱器性能測試實驗臺，即使已有的試驗臺，其中多半的測試手段和方法已相對落后。根據(jù)本公司的實際需要，為了節(jié)省試驗成本，廢氣用高溫燃氣發(fā)生器代替發(fā)動機來獲得，通過以水－氣換熱的殼管式EGR換熱器作基本模型，設計出一套自動化程度高、測量準確、操作簡單、適用范圍廣的EGR換熱器性能實驗系統(tǒng)。對不同的EGR換熱器型式，通過簡單的安裝，可以在本實驗臺系統(tǒng)上得到該換熱器的一系列性能參數(shù)，用測量的溫度、流量、壓力等參數(shù)，來推算出傳熱系數(shù)與流速之間，流阻與壓力差之間的關系曲線和關系式，由此可對換熱器的傳熱性能進行評價和比較。所以我們這個智能化EGR冷卻器實驗臺的建設，對我國EGR產(chǎn)業(yè)的發(fā)展能夠起到一定的推動作用。一方面能夠為以后的EGR冷卻器的性能參數(shù)提供可靠方便的測試平臺；另一方面為以后我國制定EGR冷卻器性能參數(shù)的行業(yè)標準提供有效數(shù)據(jù)及技術支持。因此EGR實驗臺的建設迫在眉睫，也是我們國家以后發(fā)展所必須擁有的一項技術。 EGR冷卻器簡介研究表明，高溫富氧是汽車尾氣排放中NOx主要的產(chǎn)生條件，廢氣再循環(huán)(EGR)技術的基本原理是將部分排氣引入進氣管，以提高混合氣中的廢氣成分，這樣一來，廢氣對新氣的稀釋作用意味著降低了氧濃度，破壞了富氧的條件；另一方面，由于廢氣中含有的水蒸氣和二氧化碳等三原子分子，比熱容大，可以有效地降低氣缸內(nèi)的最高燃燒溫度，破環(huán)高溫的條件，從而達到降低NOx含量的目的。然而，直接將廢氣送入進氣管的EGR技術增加了進氣溫度，降低了燃燒效率，因此也降低了燃油的經(jīng)濟性，同時提高了最高燃燒溫度，又使NOx的排放量增加?；诖巳秉c提出的冷卻的EGR技術是將再循環(huán)廢氣經(jīng)冷卻器冷卻后，再送入進氣端，進一步降低進氣溫度，更有利于降低NOx的排放，同時也改善了燃油的經(jīng)濟性。研究表明：冷卻的EGR技術對于NOx，PM的排放以及燃油的消耗率都有積極的影響。冷卻的廢氣再循環(huán)技術并不要求過低的冷卻溫度，因為過低的EGR溫度不僅會導致水蒸氣和硫化物的凝結(jié)，造成汽缸壁的腐蝕和磨損，而且會導致EGR冷卻器尺寸增大，成本增加。另外，還有學者提出：當EGR率較小時，EGR冷卻與否對發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性影響相當，但當EGR率超過7％之后，冷卻的EOR對發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性帶來不利影響，而在此范圍內(nèi)，冷卻與非冷卻對于氮氧化物的排放濃度的影響幾乎一致，印沒有明顯降低氮氧化物的排放卻犧牲了燃油的經(jīng)濟性。于是，又有學者對于不同負荷下的EGR冷卻溫度進行了研究，并設計了EGR冷卻溫度的控制裝置，根據(jù)不同的工況，自動控制EGR冷卻溫度，從而更進一步的降低NOx的排放。 EGR冷卻器的性能要求和類型1．EGR冷卻器的性能要求EGR冷卻器是一種換熱器，選型的標準很多，最基本的涉及待處理流體的類型、操作壓力、溫度、熱負荷和費用等。另外，用于對廢氣進行冷卻的EGR冷卻器不僅要滿足熱交換器的基本要求，還要滿足它自身冷卻溫度不能過低的特殊要求。過低的冷卻溫度將使排氣中的水蒸氣凝結(jié)，與排氣中的含硫化合物結(jié)合形成酸，造成對冷卻器及連接管路的酸性腐蝕，降低冷卻器的壽命與可靠性。由于EGR冷卻器的冷卻對象是溫度較高的再循環(huán)廢氣，要求冷卻器在較小的換熱面積下實現(xiàn)大的熱量傳遞，而且必須盡可能提高廢氣再循環(huán)冷卻器的冷卻效率，同時還要適應發(fā)動機振動大的特點。此種工作條件下對冷卻器的要求是：(1)冷卻器要耐高溫、耐腐蝕；(2)體積小、散熱效率高、壓力損失小、能防堵塞。2．EGR冷卻器的類型綜合考慮以上性能要求，目前應用到EGR冷卻器的換熱器可以分為兩種形式：管殼式換熱器和板翅式換熱器。管殼式換熱器是最傳統(tǒng)的通過壁面進行換熱的裝置，它的研究與發(fā)展也最健全，而且得益于管殼式換熱器易于制造，生產(chǎn)成本低，選材范圍廣，傳熱表面清洗較方便，適應性強，處理量大，具有高度工作可靠性，能承受高溫、高壓等優(yōu)點，很好的滿足了EGR冷卻器的基本工作要求，成為了EGR冷卻器最常見的方式，目前可見的管殼式EGR冷卻器有以下四種形式：光管式EGR冷卻器、螺紋管式EGR冷卻器、翅片式EGR冷卻器、螺旋折流板式EGR冷卻器。另外，板翅式換熱器作為高效換熱器的一種形式，以其結(jié)構(gòu)緊密，輕巧，傳熱面積大，傳熱效率高的特點，亦被許多的EGR冷卻器所采用。：，提高廢氣—金屬—水的總傳熱效率。將管殼式改為平板式或疊層式或板翅式，有最大的氣—金屬接觸面積。常見EGR冷卻器的結(jié)構(gòu)及實物圖（見附錄）31 / 3主要任務及目標任務：。 ，并為購置實驗臺設備提供參考信息及方案。 VIEW編程軟件及試驗數(shù)據(jù)處理所需的部分算法，并完成實驗臺的控制程序的編寫。，工作原理、工作過程及要求。目標：。 ，即由手動儀表控制到計算機的自動化控制。 ，使設備的測量精度提高，且設備成本相對降低。第二章 總體設計方案根據(jù)國家有關標準及換熱器性能實驗的實驗原理，首先對實驗系統(tǒng)的硬件進行了總體的設計，在此設計基礎上搭建實驗臺并在建立過程中作出相應的改進和調(diào)整。通過實驗能夠確定廢氣再循環(huán)（EGR）冷卻器的傳熱性能，給出不同定性溫度下傳熱系數(shù)與流速之間的關系，建立努謝爾準則數(shù)與雷諾數(shù)之間的準則方程式；確定EGR冷卻器的流體阻力性能，給出壓力降與流速之間的關系。 智能化EGR冷卻器試驗臺性能要求：1. 有燃氣發(fā)生器作為氣源，溫度為200600℃，流量為35150KG/Hr可調(diào)。2. 有溫度流量可調(diào)的水源。3. 同時記錄進出氣與進出水的溫度和壓力。4. 自動計算和打印出各試驗點的熱流和總傳熱系數(shù)。冷卻器試驗臺流體流動示意圖 實驗臺系統(tǒng)實驗臺系統(tǒng)由實驗臺本體、高溫燃氣發(fā)生器、空氣冷卻器、熱水源及可控硅溫度控制器五大件組成。五大件各自獨立，有較大靈活性。系統(tǒng)簡圖示于圖4。圖4 換熱器性能實驗示意圖實驗臺本體結(jié)構(gòu)緊湊，實驗用的換熱器置于高溫燃氣發(fā)生器廢氣出口上。水箱、管路、水泵、渦輪流量計、調(diào)節(jié)閥、加熱器及電阻溫度計組合成一個獨立的冷卻熱水源。三相可控硅溫控裝置溫度控制精度為177?！?。為了防止水中有雜質(zhì)與顆粒堵塞流量計并造成溫度計與壓力計的測量誤差，管路中設計加裝過濾器，過濾器可以定期取出沖洗除污。冷卻水的散熱系統(tǒng)除了水箱本身具有散熱能力外，冷卻水系統(tǒng)的管路中安裝空氣冷卻器，空氣冷卻器主要利用空氣來將熱水傳遞給冷水的熱量帶走，冷卻介質(zhì)采用空氣，一是盡管考慮到如果采用水冷，效果比空氣冷卻好，但是水資源的消耗較大；二是空氣資源十分豐富，且實驗過程中沒污染。換熱器中流體流動形式可認作為二次叉流，水氣流向為逆流。需測參數(shù)共計11個：換熱器進、出水溫度和壓力（4個），進、出廢氣溫度和壓力（4個），大氣溫度，水流量及廢氣流量。水側(cè)和氣側(cè)進出口溫度用銅康銅熱電偶測量。水側(cè)進出口溫度測點tw1，tw2布置在換熱器進出口水管內(nèi)；進口空氣溫度測點t