CN101105374A - 废气热交换器 - Google Patents

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Abstract

一种废气热交换器，具有：管子(21)，所述管子(21)由不锈钢制成，并且废气在所述管子内流动；和内散热片(22)，所述内散热片(22)由不锈钢制成，并且被布置在所述管子(21)中以改进所述废气和冷却水之间的热交换。所述冷却水在所述管子(21)的外侧流动。内散热片(22)的散热片间距fp基本在2mm＜fp≤12mm的范围内，并且内散热片(22)的散热片高度fh基本在3.5mm＜fh≤12mm的范围内。

Description

废气热交换器
技术领域
本发明涉及一种废气热交换器。例如，所述废气热交换器可以适合地用于废气再循环冷却器(EGR冷却器)，所述EGR冷却器被设置在废气再循环设备(EGR)中以冷却废气。
背景技术
通常，废气再循环冷却器(EGR冷却器)作为废气热交换器被用于柴油发动机等。例如，参照JP-2004-77024A，一般的EGR冷却器被布置在废气再循环管道的中途位置处，所述废气再循环管道用于将所述发动机的废气部分地直接回流到所述发动机的吸入侧。
在这种情况下，所述EGR冷却器设置有叠置起来的多个管子(tube)，并且内散热片被布置在每个所述管子中。在所述管子中流动的废气与在所述管子外侧流动的冷却水进行热交换，从而冷却废气。在这种情况下，所述内散热片由直的散热片构成。
除了直散热片或波形散热片之外，所述内散热片还可由错列散热片(offset fin)构成，所述错列散热片通常被用于中间冷却器等，中间冷却器与所述EGR冷却器有不同的用途，例如，参照JP-3766914。
尽管所述错列散热片具有比所述直散热片更高的热交换能力，但是它易被阻塞。因为流过所述EGR冷却器的废气中有很多煤(coal)，因此所述错列散热片易被阻塞，将所述错列散热片用作所述EGR冷却器的内散热片是困难的。
此外，因为EGR冷却器的冷却方法、所需性能、规格环境等与中间冷却器不同，在中间冷却器中使用的错列散热片的规格(如散热片间距fp，散热片高度fh，段长L等)不能直接地(不作改变地)在所述EGR冷却器中使用。
例如，中间冷却器的冷却方法与EGR冷却器不同。也就是，中间冷却器通常是空气冷却型，而EGR冷却器通常是水冷却型。因此，在中间冷却器中内散热片对热交换能力的起作用程度与在EGR冷却器中不同。
此外，中间冷却器的冷却目标气体的温度(如170℃)与EGR冷却器的冷却目标气体的温度(如400℃)不同。
此外，中间冷却器由与EGR冷却器不同的材料制成。中间冷却器通常由铝制成。另一方面，EGR冷却器由不锈钢制成以保持抗腐蚀性，这是因为EGR冷却器被暴露在由于高温氧化和冷凝水而导致的腐蚀性环境中。
错列散热片的规格被设置成使EGR冷却器的热交换能力(涉及冷却方法、冷却目标气体的温度、内散热片的材料等)具有最大值。尽管如此，但是在简单地将中间冷却器用的错列散热片的规格用作EGR冷却器用的错列散热片的规格的情况下，EGR冷却器的热交换能力将被降低。
此外，在使用EGR冷却器的废气再循环设备中，在高负载的情况下为了保持流量，必须使EGR冷却器中的压力损耗小。尽管如此，但是，例如，在按照JP-3766914中公开的那样定义错列散热片的规格(散热片间距fp＝2mm)的情况下，在管子中的压力损耗将变得过大。
上述缺点不但会在EGR冷却器中出现，而且还在属于水冷却型并由不锈钢制成的其他种类的废气热交换器中出现。
发明内容
考虑到上述缺点，本发明的目标是提供一种废气热交换器，在错列散热片被用作内散热片的情况下，所述废气热交换器具有改进的性能。
根据本发明的第一方面，提供了一种废气热交换器，由于燃烧而产生的废气与冷却流体在所述废气热交换器中进行热交换，所述废气热交换器包括：管子，所述废气在所述管子中流动，并且，所述冷却流体在所述管子外侧流动；以及内散热片，所述内散热片被布置在所述管子中以改进所述废气和所述冷却流体之间的热交换。内散热片具有波纹形的横截面，所述波纹形横截面包括凸起部分，所述凸起部分被设置在所述波纹形的波峰和波谷处，并且，所述内散热片由具有切开段的错列散热片构成，所述切开段被部分切开，并基本沿所述废气的流动方向排列。所述波峰和所述波谷交替地排列，并且，所述横截面基本垂直于所述废气的流动方向。所述内散热片的散热片间距fp和散热片高度fh基本由3.5mm＜fh≤12mm和2mm＜fp≤12mm来限定，其中，散热片间距fp是在所述内散热片的横截面中设置在所述波峰和所述波谷中的一个那侧的相邻凸起部分的中心线之间的距离，并且，散热片高度fh是在所述内散热片的横截面中分别设置在波峰侧和波谷侧的凸起部分之间的距离。
这样，在所述管子中流动的废气的压力损耗和所述冷却流体(如冷却水)的流体阻力可被限制。因此，所述管子可免于被阻塞，并且可以有更高的热辐射能力。
根据本发明的第二方面，提供了一种废气热交换器，由于燃烧而产生的废气与冷却流体在所述废气热交换器中进行热交换，所述废气热交换器设置有：管子，所述废气在所述管子中流动，并且，所述冷却流体在所述管子外侧流动；以及内散热片，所述内散热片被布置在所述管子中以改进所述废气和所述冷却流体之间的热交换。所述内散热片具有波纹形的横截面，所述波纹形横截面包括凸起部分，所述凸起部分被设置在所述波纹形的波峰和波谷处，所述内散热片由具有切开段的错列散热片构成，所述切开段被部分切开，并基本沿所述废气的流动方向排列。所述波峰和所述波谷交替地排列，并且，所述横截面基本垂直于所述废气的流动方向。等效圆直径de由下式来限定
当0＜L＜5mm时，1.2mm≤de≤6.1mm，
当5mm≤L≤15mm时，1.0mm≤de≤4.3mm，
其中，L是切开段沿所述废气的流动方向的长度，所述等效圆直径de是区域C的等效圆的直径，所述区域C被所述内散热片和所述管子围绕，并被设置在所述内散热片的横截面内所述波纹形的波峰和波谷中的一个那侧的相邻凸起部分之间。
因此，气体密度将大于或等于93％，其中气体密度是同时考虑到冷却能力和压力损耗的因素，所以可提供性能得到改进的废气热交换器。
根据本发明的第三方面，提供了一种废气热交换器，由于燃烧而产生的废气与冷却流体在所述废气热交换器中进行热交换，所述废气热交换器设置有：管子，所述废气在所述管子中流动，并且，所述冷却流体在所述管子外侧流动；以及内散热片，所述内散热片被布置在所述管子中以改进所述废气和所述冷却流体之间的热交换。所述内散热片具有波纹形的横截面，所述波纹形横截面包括凸起部分，所述凸起部分被设置在所述波纹形的波峰和波谷处，并且，所述内散热片由具有切开段的错列散热片构成，所述切开段被部分切开，并基本沿所述废气的流动方向排列。所述波峰和所述波谷交替地排列，并且，所述横截面基本垂直于所述废气的流动方向。所述切开段的长度L由下式来限定：
当fh＜7mm并且fp≤5mm时，0.5mm＜L≤65mm，
当fh＜7mm并且fp＞5mm时，0.5mm＜L≤20mm，
当fh≥7mm并且fp≤5mm时，0.5mm＜L≤50mm，
当fh≥7mm并且fp＞5mm时，0.5mm＜L≤15mm，
其中，长度L是沿所述废气的流动方向的尺寸，fp是散热片间距，所述散热片间距是在所述内散热片的横截面内设置在所述波峰和所述波谷中的一个那侧的相邻凸起部分的中心线之间的距离，fh是散热片高度，所述散热片高度是在所述内散热片的横截面内分别设置在波峰侧和波谷侧的凸起部分之间的距离。
因此，所述气体密度可大于或等于97％。这样，可提供性能得到进一步改进的废气热交换器。
根据本发明的第四方面，提供了一种废气热交换器，由于燃烧而产生的废气与冷却流体在所述废气热交换器中进行热交换，所述废气热交换器设置有：管子，所述废气在所述管子中流动，并且，所述冷却流体在所述管子外侧流动；以及内散热片，所述内散热片被布置在所述管子中以改进所述废气和所述冷却流体之间的热交换。所述内散热片具有波纹形的横截面，所述波纹形横截面包括凸起部分，所述凸起部分被设置在所述波纹形的波峰和波谷处，并且，所述内散热片由具有切开段的错列散热片构成，所述切开段被部分切开，并基本沿所述废气的流动方向排列。所述波峰和所述波谷交替地排列，并且，所述横截面基本垂直于所述废气的流动方向。散热片间距fp和所述切开段的长度L基本由下式来限定：
2mm＜fp≤12mm，
1.1mm≤X≤4.3mm，其中X＝de×L0.14/fh0.18
其中，所述长度L是沿所述废气的流动方向的尺寸，fh是散热片高度，所述散热片高度是在所述内散热片的横截面内分别设置在波峰侧和波谷侧的凸起部分之间的距离，de是等效圆直径，所述等效圆直径是区域C的等效圆的直径，所述区域C被所述内散热片和所述管子围绕，并被设置在所述内散热片的横截面内所述波峰和所述波谷中的一个那侧的相邻凸起部分之间，所述散热片间距fp是在所述内散热片的横截面内设置在所述波峰和所述波谷中的一个那侧的相邻凸起部分的中心线之间的距离。
这样，所述气体密度可大于或等于93％，因此可提供性能得到改进的废气热交换器。
附图说明
本发明的其他目的、特征和优点从下述参照附图作出的详细描述中将变得更加显而易见，其中：
图1是示意图，显示了使用了本公开内容的第一实施例所述的废气热交换器的废气再循环设备；
图2是示意性侧视图，显示了根据第一实施例的作为废气热交换器的EGR冷却器；
图3是图2中沿线III-III取得的示意剖视图；
图4是图3中沿线IV-IV取得的示意剖视图；
图5是示意透视图，显示了根据第一实施例的EGR冷却器；
图6是根据第一实施例的EGR冷却器的内散热片示意剖视图，所述示意剖视图沿基本垂直于废气流动方向的方向取得；
图7是曲线图，显示了根据第一实施例，错列散热片的散热片高度和压力损耗比率之间的关系；
图8是曲线图，显示了根据第一实施例，散热片高度和流体阻力之间的关系；
图9是示意剖视图，显示了根据本公开内容的第二实施例的EGR冷却器的内散热片，所述示意剖视图沿基本垂直于废气流动方向的方向取得；
图10是曲线图，显示了根据第二实施例，错列散热片的等效圆直径和EGR气体密度比率之间的关系；
图11是曲线图，显示了根据本公开内容的第三实施例，错列散热片的段长和EGR气体密度比率之间的关系；以及
图12是曲线图，显示了根据本公开内容的第四实施例，EGR气体密度比率和使用等效圆直径、段长和散热片高度的函数之间的关系。
图13A是曲线图，显示了在错列散热片处PM有利沉积厚度(advantagesedimentation thickness)相对于时间的变化，图13B是示意图，显示了在错列散热片处PM的沉积；以及
图14是曲线图，显示了EGR冷却器的热辐射性能和错列散热片的散热片间距之间的关系。
具体实施方式
(第一实施例)
将参照图1-8对根据本发明第一实施例的废气热交换器进行描述。例如，所述废气热交换器可以适合地用作废气再循环冷却器10(EGR冷却器)。
如图1所示，EGR冷却器10可被提供给废气再循环设备。例如，所述废气再循环设备具有：空气净化器3；可变管子致动器(variable tubeactuator)4；中间冷却器5；以及进气歧管(intake manifold)6，这些部件被布置在发动机1的空气吸入通道2的中途部分。
管子致动器4和DPF8(柴油微粒过滤器)被布置在发动机1的废气通道7的半途部分。第一废气再循环管道9跟DPF8的废气的下游侧和管子致动器4的吸入空气的上游侧相连。EGR冷却器10和废气再循环阀11(EGR阀)被布置在第一废气再循环管道9的中途部分，第一废气再循环管道9是用于使已通过DPF8的废气的一部分回流到所述发动机的吸入侧的管道。
所述废气再循环设备进一步具有第二废气再循环管道12和废气再循环阀13(EGR阀)，所述EGR阀13被布置在第二废气再循环管道12的中途部分。就在通过DPF8之前，发动机的部分废气通过第二废气再循环管道12被直接回流到发动机的吸入侧。流过第一废气再循环管道9的废气的压力可小于流过第二废气再循环管道12的废气的压力。在这种情况下，即使当发动机1具有高负载时，废气再循环也可运转。
在这种情况下，当由于发动机1中的燃烧而产生的废气被再循环到发动机1时，EGR冷却器10通过发动机1的冷却剂来冷却废气，在该实施例中，所述冷却剂为冷却流体(例如，冷却水)。如图2-4所示，EGR冷却器10具有多个管子21、多个内散热片22、水侧箱(water side tank)23以及气体侧箱(gas side tank)24，这些部件可由不锈钢制成，并通过铜焊(brazing)、焊接等方法相互成一体。
如图3和4所示，管子21在其中限定了废气通道21a，废气在所述废气通道21a中流动。冷却水在管子21的外侧流动，并且，废气和冷却水通过管子21进行热交换。
具体地说，如图3所示，当从废气流动方向看去时，具有长侧21c和短侧21d的管子21设置有平面形的横截面。多个管子21沿叠置方向(例如，图3中的上下方向)叠置，所述叠置方向垂直于管子21的纵向(也就是长侧21c的延伸方向)。此外，如图3和4所示，彼此相邻的管子21的外壁表面在其间限定了冷却水通道21b，冷却水通过冷却水通道21b在相邻的管子21之间流动。
已经流入EGR冷却器10的冷却水通过一个水侧箱23被分配和供应给管子21。已经流过管子21之间的冷却水通道21b的冷却水通过另一个水侧箱23来收集和回收。在管子21的两端(沿废气流动方向)附近，水侧箱23被布置在叠置的管子21周围。每个水侧箱23设置有冷却水端口23a(作为冷却水出口或入口)。
气体侧箱24被分别布置在管子21的两端(沿废气流动方向)。气体侧箱24与第一废气再循环管道9相连。废气通过一个气体侧箱24被分配和供应给管子21。热交换后的废气由另一个气体侧箱24从管子21收集和回收。
内散热片22分别被布置在管子21中，以改进废气和冷却水之间的热交换。内散热片22可被固定到管子21的内壁表面。
参照图5和6，内散热片22由错列散热片构成，内散热片22的横截面(沿基本垂直于废气流动方向的方向取得)呈沿管子21的纵向延伸的波纹形状。也就是，内散热片22的该横截面具有凸起部分31，所述凸起部分31被分别布置在所述波纹形状的波峰位置和波谷位置处，其中波峰位置和波谷位置交替排列。内散热片22的凸起部分31被布置成与管子21的内壁表面接触。
内散热片22(错列散热片)被部分切开(切割并抬起)以具有多个切开段32。切开段32沿废气流动方向排列，其排列方式使得相邻的切开段32沿管子21的纵向(也就是，内散热片22的纵向)相互偏移。在这种情况下，内散热片22可设置有多行(基本沿废气流动方向)切开段32。
如图3所示，通过在管子21内设置内散热片22，管子21的内部被划分成多个通道，所述多个通道相对于管子21的纵向(长侧21a的延伸方向)基本相互平行。
也就是，如图5所示，在其中限定所述通道的切开段32的壁部33沿内散热片22的纵向交错地布置。在这种情况下，如图6所示，偏移量s基本等于通道高度u的一半是理想的，这使得传热系数可变高，并且气体阻力可变小。偏移量s和通道高度u是沿散热片22纵向的尺寸。在这种情况下，沿废气流动方向彼此相邻的切开段32沿散热片22的纵向(基本垂直于废气流动方向)相互偏离偏移量s。
内散热片22可成形为，使得凸起部分31在内散热片22的所述横截面(沿基本垂直于废气流动方向的方向取得的横截面)内包括线性部分或不包括线性部分。
在这种情况下，参照图6，其中图6是内散热片22的横截面(基本垂直于废气流动方向)，考虑到当偏移面积T与区域C面积的比率小于25％时压力损耗将增加，理想的情况是，在内散热片22的该横截面内，偏移面积T与区域C(区域C被打点示出)面积的比率基本在25％到40％的范围内。
内散热片22该横截面内的打点区域C设置在凸起部分31之间，并被内散热片22和管子21围绕，其中，凸起部分31布置在波峰位置(或波谷位置)处，并沿内散热片22的纵向彼此相邻。也就是，打点区域C被设置在沿内散热片22的纵向彼此相邻的两切开段32的壁部33(彼此面对)之间，并被内散热片22和管子21围绕。偏移面积T是限定在内散热片的该横截面内并被两切开段32的壁部33围绕的部分的面积，其中，上述两切开段32沿废气流动方向彼此相邻，并沿内散热片22的纵向相互偏移。
内散热片22可由平板制得，所述平板通过挤压(pressing)被弯曲成波纹形状，并通过挤压被进一步切开从而形成段32。
段32的切割可如此执行，在设置波纹形状之前预先形成狭缝，其后执行抬起(raising)。因而，具有波纹形横截面的内散热片22被形成。可选地，段32的切开也可以这样来执行，所述平板的两表面被压机挤压，使得切割和抬起被同时执行。此外，内散热片22还可通过滚压(rolling)或通过滚压和挤压结合来制成。
EGR冷却器10的性能与内散热片22的规格有关，如散热片间距fp，散热片高度fh等。散热片间距fp是指在内散热片22的波纹横截面(沿基本垂直于废气流动方向的方向取得)内，波峰侧和波谷侧其中之一的两凸起部分31(彼此相邻)的中心线之间的距离。散热片高度fh是指在该波纹横截面内，分别设置在波峰侧和波谷侧的两凸起部分31的顶端之间的距离。
在这个实施例中研究了内散热片22的最佳规格。在这种情况下，对于分别设置有不同散热片间距fp和散热片高度fh的EGR冷却器10进行了实验，从而来评估当废气和冷却水在预定条件下流动时，每个EGR冷却器10其在管子21中流动的废气的压力损耗、在管子21外侧流动的冷却水的流体阻力、管子21的阻塞程度以及热辐射性能。这样，内散热片22的最佳规格可被确定。所述预定条件如此设置，在废气入口处的温度Tg1等于400℃，废气流量等于30g/s，废气入口压力Pg1等于50kPa，在冷却水入口处的温度Tw1等于80℃，冷却水的流量等于10L/min。
图7显示了散热片高度fh与压力损耗比率(ΔPg比率)之间的关系。所述压力损耗是水侧箱14废气入口处的废气压力Pg1与水侧箱14废气出口处的废气压力Pg2之间的差异。所述压力损耗比率(ΔPg比率)是将在不同条件下压力损耗的最大值设成100时的比率(百分比)。
在这种情况下，错列散热片22的板厚约0.2mm，散热片间距fp约5mm或7mm，切开段32的长度L(沿废气流动方向的尺寸，在后文中叫做段长L)约1mm或5mm，以及曲率半径R(凸起部分31的曲率半径)约0.2mm。
图7中显示的曲线A-C表示ΔPg和fh之间的关系，这些曲线是这样得到的，EGR冷却器10的构造具有固定值(也就是，水侧箱23的尺寸和气体侧箱24的尺寸是固定的)，并且，散热片间距fp和段长L被设置成不同的值。
曲线A是这样获得的：散热片间距fp等于约5mm，并且段长L等于约1mm。曲线B是这样获得的：散热片间距fp等于约5mm，并且段长L等于约5mm。曲线B是这样获得的：散热片间距fp等于约7mm，并且段长L等于约5mm。
参照图7中显示的曲线A，散热片高度fh小于或等于3.5mm时压力损耗的上升变化率大于散热片高度fh大于3.5mm时压力损耗的上升变化率。当散热片高度fh等于约3.5mm时，曲线A-C有拐点。也就是，压力损耗的上升变化率在3.5mm的散热片高度fh的两侧具有不同值。
因此，在冷却器的构造具有固定值，并且散热片间距fp和段长L基本相等的情况下，fh小于或等于3.5mm时的压力损耗相对较大，并且，fh大于3.5mm时的压力损耗相对较小。因此，散热片高度fh大于3.5mm是理想的。
图8显示了散热片高度fh和流体阻力ΔPw之间的关系，其中流体阻力ΔPw是水侧箱23的冷却水入口23a处的水压和水侧箱23的冷却水出口23a处的水压之间的差异。在内散热片22设置有与图7中同样的条件的情况下取得图8中所示的关系。
如图8所示，当散热片高度fh变大，并且EGR冷却器10的构造具有固定值时，流体阻力ΔPw趋于增大。这样，当流体阻力ΔPw变得大于或等于3kPa时，为了维持冷却水的流量(为了保持冷却性能)，必须要用高性能的水泵。例如，在散热片高度fh被设定为12mm的情况下，流体阻力ΔPw基本等于3.2kPa。因而，成本将变高。因此，散热片高度fh小于或等于10mm是理想的。
此外，当散热片间距fp变小时，偏移量s将变小。在散热片板厚t小于或等于约0.2mm的情况下，当散热片间距fp小于或等于约2mm时，偏移量s将变得过小。这样，内散热片22将易被废气中的煤阻塞。因此，散热片间距fp大于2mm是理想的。
如图13A和13B所示，考虑到当约8小时过去时，在单个切开段32表面处PM(微粒物质)的有利沉积厚度为约0.25mm，偏移量s可被设置成大于0.5mm。因而，阻塞可得到限制。
此外，通过缩短段长L，内散热片22的热辐射能力可被提高。在这种情况下，在段长L设置了最小值的情况下，研究了散热片间距fp和内散热片22的热辐射能力之间的关系。结果，当散热片间距fp大于约16mm时，EGR冷却器10难以具备必要的热辐射能力。因此，散热片间距fp小于或等于约16mm是理想的。此外，散热片间距fp小于或等于12mm是理想的，12mm是满足废气调节所需性能的近似最大散热片间距，如图14中所示。在图14中，Q表示EGR冷却器10的热辐射量，V表示EGR冷却器10的芯体的容量(其有助于热交换，并包括废气通道和冷却水通道)。在这种情况下，通过分别将散热片高度fh设定为12mm(fh12)和3.6mm(fh3.6)，并将段长L设定为1mm(L1)和10mm(L10)来确定Q/V与fp(散热片间距)之间的关系。
根据上述研究，散热片间距fp和散热片高度fh在下式(1)所限定的范围内是理想的。
3.5mm＜fh≤12mm
2mm＜fp≤12mm    …(1)
因此，在管子21中流动的废气的压力损耗和在管子21外侧流动的冷却水的流体阻力ΔPw可得到限制，使得管子21可避免被阻塞，并且热辐射能力可被提高。
(第二实施例)
根据本发明的第二实施例，根据与上述第一实施例不同的标准和参数来确定内散热片22的最佳规格。
在第二实施例中，基于等效圆直径de和EGR气体密度比率ρ之间的关系来确定内散热片22的最佳规格。
在这种情况下，如图6所示，等效圆直径de是指内散热片22的横截面(基本垂直于废气流动方向)中的区域C转换而成的等效圆的直径。区域C设置在布置在波峰位置(或波谷位置)处且彼此相邻的凸起部分31之间，并被内散热片22和管子21围绕。等效圆直径de可通过下式(2)计算。
de＝4×S/W    …(2)
S表示废气通道的横截面的面积(对应于圆的横截面面积，并且通过πD2/4计算，其中圆直径用D来表示)。W表示与通过πD计算得到的圆周相对应的浸润周边(wetted diameter)的长度，其中，所述圆直径用D表示。长度W是内散热片22和管子21所限定的单个气体通道的内壁表面的长度(也就是，内壁表面与废气接触的部分的长度)。
其次，将对等效圆直径de的计算进行描述。图9是内散热片22的示意剖视图，该剖视图沿垂直于废气流动方向的方向取得。
如图9所示，浸润周边长度的一半W/2(例如，与图6中所示的打点区域C的右半部分相对应)通过5个部分w1-w5来表示。当w3部分的线性长度大于或等于0时，可根据下式(3)-(7)，基于散热片间距fp、散热片高度fh、板厚t以及内散热片22的弯曲部分的曲率半径R来计算浸润周边长度的一半W/2，即w1-w5的和(也就是，W/2＝w1+w2+w3+w4+w5)。
w1＝fp//2-(fp/2-(2R+t))/2         …(3)
w2＝π(R+t)/2                     …(4)
w3＝fh-2(R+t)                     …(5)
w4＝πR/2                         …(6)
w5＝(fp/2-(2R+t))/2               …(7)
气体通道的横截面面积的一半S/2(例如，与图6中所示的打点区域C的右半部分相对应)用四个部分a-d来表示。可根据下式(8)-(11)，基于散热片间距fp、散热片高度fh、板厚t以及内散热片21的弯曲部分的曲率半径R来计算横截面面积的一半S/2，即a-d的和(也就是，S/2＝a+b+c+d)。
a＝(fh-t)(fp/2-(2R+t))/2    …(8)
b＝(fh-(R+t))R              …(9)
c＝πR2/4                   …(10)
d＝(R+t)2-π(R+t)2/4        …(11)
因此，等效圆直径de可根据散热片间距fp、散热片高度fh、板厚t以及弯曲部分的曲率半径R来确定。
另一方面，EGR气体密度ρ(例如，单位为kg/m3)是同时考虑到EGR冷却器10的冷却能力和压力损耗的因素，并且可根据下式(12)来计算。当EGR密度ρ变大时，EGR气体的填充因子将变高。这样，EGR率(EGR rate)可被增大。
ρ＝Pg2/(R·Tg2)    …(12)
Pg2表示气体出口的绝对压力(Pa)。R表示气体常数287.05J/kg·K。Tg2表示气体出口的温度(K)。
图10显示了等效圆直径de与EGR气体密度比率(ρ比率)之间的关系，EGR气体密度比率是把EGR气体密度ρ的最大值设置成100％时的比率。图10中显示的关系是在气体入口温度Tg1为约400℃、气体流量为约30g/s，气体入口压力Pg1为约50kPa、冷却水入口温度Tw1为约80℃、冷却水流量为约10L/min、散热片板厚t为约0.2mm、散热片高度fh为约9mm以及曲率半径为约0.2mm的情况下得到的。
当段长L等于约1mm时测得图10中的曲线D，并且，当段长L等于约5mm时测得图10中所示的曲线E。当段长L在约0＜L＜5的范围内时，等效圆直径de与EGR气体密度比率之间的关系可用类似于曲线D的曲线来表示。当段长L在约5≤L≤15的范围内时，所述关系可用类似于曲线E的曲线来表示。
参照图10中的曲线D，在约0＜L＜5的情况下，通过将等效圆直径de设定在约1.2≤de≤6.1的范围内，ρ比率可变得大于或等于约93％，通过将等效圆直径de设定在约1.3≤de≤5.3的范围内，ρ比率可变得大于或等于约95％，以及通过将等效圆直径de设定在约1.5≤de≤4.5的范围内，ρ比率可变得大于或等于约97％。
参照图10中的曲线E，在约5≤L≤15的情况下，通过将等效圆直径de设定在约1.0≤de≤4.3的范围内，ρ比率可变得大于或等于约93％，通过将等效圆直径de设定在约1.1≤de≤4.0的范围内，ρ比率可变得大于或等于约95％，以及通过将等效圆直径de设定在约1.3≤de≤3.5的范围内，ρ比率可变得大于或等于约97％。
在这种情况下，段长L和等效圆直径de等的单位被设置为mm。
当散热片的板厚t和曲率半径R等于0.2mm时，测得图10中显示的关系。即使当板厚t和曲率半径R在可被实现的范围内变化时，该关系可用类似于曲线D和E的曲线来表示。例如，当板厚t和曲率半径R分别在0.1mm到0.2mm的范围内被改变时，该关系可由类似于曲线D和E的曲线来表示。
关于EGR冷却器10的构造，在第二实施例中没有描述的部分与第一实施例相同。
(第三实施例)
根据本发明的第三实施例，根据与上述实施例不同的标准和参数来确定内散热片22的最佳规格。
在第三实施例中，基于段长L和EGR气体密度比率(ρ比率)之间的关系来确定内散热片22的最佳规格。
图11显示了段长L和EGR气体密度比率(ρ比率)之间的关系，所述EGR气体密度比率是当EGR气体密度ρ的最大值被设置为100％时的比率。除了散热片高度fh和段长L之外，在与图10相同的条件下获取图11中显示的关系。
当fh＜7并且fp≤5时，例如，当fh等于4.6且fp等于4.5时，计算图11中的曲线F。这样，当段长L在0.5＜L≤65的范围内时，EGR气体密度比率(ρ比率)可大于或等于约95％。当段长L在0.5＜L≤25的范围内时，ρ比率可大于或等于约97％。当段长L被设定在0.5＜L≤7的范围内时，ρ比率可大于或等于约99％。
当fh＜7并且fp＞5时，例如，当fh等于约4.6且fp等于约5.5时，计算图11中的曲线G。这样，当段长L在0.5＜L≤20的范围内时，EGR气体密度比率(ρ比率)可大于或等于约95％。当段长L在0.5＜L≤8的范围内时，ρ比率可大于或等于约97％。当段长L在0.5＜L≤1的范围内时，ρ比率可大于或等于约99％。
当fh≥7并且fp≤5时，例如，当fh等于约9且fp等于约4.5时，计算图11中的曲线H。这样，当段长L在0.5＜L≤50的范围内时，EGR气体密度比率(ρ比率)可大于或等于约95％。当段长L在0.5＜L≤15的范围内时，ρ比率可大于或等于约97％。当段长L设定在0.5＜L≤4.5的范围内时，ρ比率可大于或等于约99％。
当fh≥7并且fp＞5时，例如，fh等于约9且fp等于约5.5时，计算图11中的曲线I。这样，当段长L在0.5＜L≤15的范围内时，EGR气体密度比率(ρ比率)可大于或等于约95％。当段长L在0.5＜L≤6的范围内时，ρ比率可大于或等于约97％。当段长L在0.5＜L≤1.5的范围内时，ρ比率可大于或等于约99％。
在这种情况下，散热片间距fp、散热片高度fh、段长L等设置的单位是mm。当内散热片22的板厚t和曲率半径R等于约0.2mm时，得到图11中显示的关系。即使当板厚t和曲率半径R在可实现的范围内改变时，这种关系可通过类似于曲线F-I的曲线来表示。例如，当板厚t和曲率半径R分别在0.1mm到0.2mm的范围内改变时，这种关系可通过类似于曲线F-I的曲线来表示。
关于EGR冷却器10的构造，第三实施例中没有描述的部分与第一实施例相同。
(第四实施例)
根据本发明的第四实施例，根据与上述实施例不同的标准和参数来确定内散热片22的最佳规格。
在第四实施例中，基于EGR气体密度比率(ρ比率)与使用等效圆直径de、段长L以及散热片高度fh的函数X之间的关系来确定内散热片22的最佳规格。
图12显示了EGR气体密度比率(ρ比率)和函数X之间的关系，所述函数X可由下式(13)来表示。
X＝de×L0.14/fh0.18    …(13)
此外，图12显示了在散热片间距fp、散热片高度fh以及段长L分别设置了不同值的情况下，EGR气体密度比率(ρ比率)的计算结果。
在散热片间距fp具有任意值、而段长L和散热片高度fh设置了固定值的情况下，得到图10中的曲线。具体地说，当散热片高度fh基本等于3.6mm、4.6mm、5.6mm、7mm、9mm和12mm中的一个，并且段长L基本等于1mm和10mm中的一个的时候，给散热片间距fp设置的值在1.5mm-14mm的大致范围内。图12的其他测量条件与图10和11相同。
如图12所示，在不同条件下，表示EGR气体密度比率(ρ比率)和函数X之间的关系的曲线显示了类似的趋势。这样，当段长L和等效圆直径de被设定成使得函数X的值在1.1≤X≤4.3的大致范围内，EGR气体密度比率(ρ比率)可大于或等于约93％。当段长L和等效圆直径de被设定成使得函数X的值在1.2≤X≤3.9的大致范围内，ρ比率可大于或等于约95％。
段长L和等效圆直径de可被设定成使得函数X的值在1.3≤X≤3.5的大致范围内。这样，ρ比率可大于或等于约97％。此外，废气热交换器的芯体的尺寸可被减小。
在这种情况下，函数X等设置的单位是mm。当散热片的板厚t和曲率半径R等于约0.2mm时，获得图12中显示的关系。即使当板厚t和曲率半径R在可实现的范围内变化时，可类似于图12中所示来表示这个关系。例如，当板厚t和曲率半径R分别在0.1mm到0.2mm的范围内变化时，可以类似的方式来表示这个关系。
关于EGR冷却器10的构造，在第四实施例中没有描述的部分与第一实施例相同。
(其他实施例)
尽管参照附图结合本发明的优选实施例对本发明进行了充分描述，但应该指出的是，对于本领域技术人员，各种变化和修改将变得显而易见。
根据本发明的废气热交换器还可以适合地作为EGR冷却器来使用，所述EGR冷却器被布置在第二废气再循环管道12的中途部分，发动机1的部分废气在流过DPF8之前通过第二废气再循环管道12直接返回发动机1的吸入侧。
此外，除了EGR冷却器之外，本发明还可以适合地用于由不锈钢制成的其他废气热交换器等。本发明可以适合地用于废气热交换器，其中冷却水通过所述废气热交换器与被排入环境空气的废气进行热交换，从而被加热。
这样的变化和修改可被理解为在所附权利要求限定的本发明的保护范围内。

Claims (14)

1.一种废气热交换器，由于燃烧而产生的废气与冷却流体在所述废气热交换器中进行热交换，所述废气热交换器包括：
管子(21)，所述废气在所述管子(21)中流动，并且，所述冷却流体在所述管子(21)外侧流动；以及
内散热片(22)，所述内散热片(22)被布置在所述管子(21)中以改进所述废气和所述冷却流体之间的热交换，其中：
所述内散热片(22)具有波纹形的横截面，所述波纹形横截面包括凸起部分(31)，所述凸起部分(31)被设置在所述波纹形的波峰和波谷处，并且，所述内散热片由具有切开段(32)的错列散热片构成，所述切开段(32)被部分切开，并基本沿所述废气的流动方向排列，
所述波峰和所述波谷交替地排列，并且，所述横截面基本垂直于所述废气的流动方向；以及
所述内散热片(22)的散热片间距fp和散热片高度fh基本由下式来限定：
3.5mm＜fh≤12mm，
2mm＜fp≤12mm，
其中，散热片间距fp是所述内散热片(22)的横截面中设置在所述波峰和所述波谷中的一个那侧的相邻凸起部分(31)的中心线之间的距离，并且，散热片高度fh是所述内散热片(22)的横截面中分别设置在波峰侧和波谷侧的凸起部分(31)之间的距离。
2.一种废气热交换器，由于燃烧而产生的废气与冷却流体在所述废气热交换器中进行热交换，所述废气热交换器包括：
管子(21)，所述废气在所述管子(21)中流动，并且，所述冷却流体在所述管子(21)外侧流动；以及
内散热片(22)，所述内散热片(22)被布置在所述管子(21)中以改进所述废气和所述冷却流体之间的热交换，其特征在于：
所述内散热片(22)具有波纹形的横截面，所述波纹形横截面包括凸起部分(31)，所述凸起部分(31)被设置在所述波纹形的波峰和波谷处，所述内散热片由具有切开段(32)的错列散热片构成，所述切开段(32)被部分切开，并基本沿所述废气的流动方向排列，
所述波峰和所述波谷交替地排列，并且，所述横截面基本垂直于所述废气的流动方向；以及
等效圆直径de由下式来限定：
当0＜L＜5mm时，1.2mm≤de≤6.1mm，
当5mm≤L≤15mm时，1.0mm≤de≤4.3mm，
其中，L是切开段(32)沿所述废气的流动方向的长度，所述等效圆直径de是区域C的等效圆的直径，所述区域C被所述内散热片(22)和所述管子(21)围绕，并被设置在所述内散热片(22)的横截面内所述波峰和所述波谷中的一个那侧的相邻凸起部分(31)之间。
3.根据权利要求2所述的废气热交换器，其中
所述等效圆直径de由下式来限定：
当0＜L＜5mm时，1.3mm≤de≤5.3mm，
当5mm＜L＜15mm时，1.1mm≤de≤4.0mm。
4.根据权利要求2所述的废气热交换器，其中
所述等效圆直径de由下式来限定：
当0＜L＜5mm时，1.5mm≤de≤4.5mm，
当5mm≤L≤15mm时，1.3mm≤de≤3.5mm。
5.一种废气热交换器，由于燃烧而产生的废气与冷却流体在所述废气热交换器中进行热交换，所述废气热交换器包括：
管子(21)，所述废气在所述管子(21)中流动，并且，所述冷却流体在所述管子(21)外侧流动；以及
内散热片(22)，所述内散热片(22)被布置在所述管子(21)中以改进所述废气和所述冷却流体之间的热交换，其特征在于：
所述内散热片(22)具有波纹形的横截面，所述波纹形横截面包括凸起部分(31)，所述凸起部分(31)被设置在所述波纹形的波峰和波谷处，并且，所述内散热片由具有切开段(32)的错列散热片构成，所述切开段(32)被部分切开，并基本沿所述废气的流动方向排列，
所述波峰和所述波谷交替地排列，并且，所述横截面基本垂直于所述废气的流动方向；以及
所述切开段(32)的长度L由下式来限定：
当fh＜7mm并且fp≤5mm时，0.5mm＜L≤65mm，
当fh＜7mm并且fp＞5mm时，0.5mm＜L≤20mm，
当fh≥7mm并且fp≤5mm时，0.5mm＜L≤50mm，
当fh≥7mm并且fp＞5mm时，0.5mm＜L≤15mm，
其中，长度L是沿所述废气的流动方向的尺寸，fp是散热片间距，所述散热片间距是在所述内散热片(22)的横截面内设置在所述波峰和所述波谷中的一个那侧的相邻凸起部分(31)的中心线之间的距离，fh是散热片高度，所述散热片高度是在所述内散热片(22)的横截面内分别设置在波峰侧和波谷侧的凸起部分之间的距离。
6.根据权利要求5所述的废气热交换器，其中
所述切开段(32)的长度L由下式来限定：
当fh＜7mm并且fp≤5mm时，0.5mm＜L≤25mm，
当fh＜7mm并且fp＞5mm时，0.5mm＜L≤8mm，
当fh≥7mm并且fp≤5mm时，0.5mm＜L≤18mm，
当fh≥7mm并且fp＞5mm时，0.5mm＜L≤6mm。
7.根据权利要求5所述的废气热交换器，其中
所述切开段(32)的长度L由下式来限定：
当fh＜7mm并且fp≤5mm时，0.5mm＜L≤7mm，
当fh＜7mm并且fp＞5mm时，0.5mm＜L≤1mm，
当fh≥7mm并且fp≤5mm时，0.5mm＜L≤4.5mm，
当fh≥7mm并且fp＞5mm时，0.5mm＜L≤1.5mm，
8.一种废气热交换器，由于燃烧而产生的废气与冷却流体在所述废气热交换器中进行热交换，所述废气热交换器包括：
管子(21)，所述废气在所述管子(21)中流动，并且，所述冷却流体在所述管子(21)外侧流动；以及
内散热片(22)，所述内散热片(22)被布置在所述管子(21)中以改进所述废气和所述冷却流体之间的热交换，其中：
所述内散热片(22)具有波纹形的横截面，所述波纹形横截面包括凸起部分(31)，所述凸起部分(31)被设置在所述波纹形的波峰和波谷处，并且，所述内散热片由具有切开段(32)的错列散热片构成，所述切开段(32)被部分切开，并基本沿所述废气的流动方向排列，
所述波峰和所述波谷交替地排列，并且，所述横截面基本垂直于所述废气的流动方向；以及
所述内散热片的散热片间距fp和所述切开段(32)的长度L基本由下式来限定：
2mm＜fp≤12mm，
1.1mm≤X≤4.3mm，其中X＝de×L0.14/fh0.18，
其中，所述散热片间距fp是在所述内散热片(22)的横截面内设置在所述波峰和所述波谷中的一个那侧的相邻凸起部分(31)的中心线之间的距离，所述长度L是沿所述废气的流动方向的尺寸，fh是散热片高度，所述散热片高度是在所述内散热片(22)的横截面内分别设置在波峰侧和波谷侧的凸起部分(31)之间的距离，de是等效圆直径，所述等效圆直径是区域C的等效圆的直径，并且，在所述内散热片(22)的横截面内限定的区域D被设置在所述波峰和所述波谷中的一个那侧的相邻凸起部分(31)之间，并被所述内散热片(22)和所述管子(21)围绕，所述内散热片被布置在所述管子(21)中。
9.根据权利要求8所述的废气热交换器，其中
所述切开段的长度L基本由下式来限定：
1.2mm≤X≤3.9mm，其中X＝de×L0.14/fh0.18。
10.根据权利要求8所述的废气热交换器，其中
所述切开段(32)的长度L基本由下式来限定：
1.3mm≤X≤3.5mm，其中X＝de×L0.14/fh0.18。
11.根据权利要求1-10中的任意一项所述的废气热交换器，其中
在所述内散热片(22)的横截面中，偏移面积T与区域C面积的比率基本在25％到40％的范围内，
所述横截面基本垂直于所述废气流动方向，
所述区域D被设置在所述波峰和所述波谷中的一个那侧的相邻凸起部分(31)之间，并被所述内散热片(22)和所述管子(21)围绕，所述内散热片被布置在所述管子(21)中，
所述偏移面积T是限定在所述内散热片(22)的所述横截面内并被两个切开段(32)围绕的部分的面积，其中，所述的两个切开段(32)沿所述废气流动方向彼此相邻，并且沿内散热片(22)的纵向相互偏移。
12.根据权利要求1-10中的任意一项所述的废气热交换器，其中
沿所述废气的流动方向彼此相邻的切开段(32)沿所述内散热片的纵向相互偏离偏移量s，并且，所述偏移量s大于约0.5mm。
13.根据权利要求1-10中的任意一项所述的废气热交换器，其中
所述管子(21)和所述内散热片(22)被布置在废气再循环通道(9)的中途部分处，通过了柴油微粒过滤器(8)的、柴油发动机(1)的废气通过所述废气再循环通道返回所述柴油发动机(1)的吸入侧。
14.根据权利要求1-10中的任意一项所述的废气热交换器，其中：
所述管子(21)和所述内散热片(22)中的每一个由不锈钢制成；以及
所述冷却流体是冷却水。
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