CN101655053A - 一种中重型车用串联式废气再循环冷却器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中重型车用串联式废气再循环冷却器。本发明包括：与发动机排气管连接进气管箱，与发动机废气再循环系统出气管连接的排气管箱，进气管箱与排气管箱之间分别通过脊环连接有至少两个换热管体组件，与进气管箱连接的换热管体组件上设有进水管，与出气管箱连接的换热管体组件上设有出水管。换热管体组件通过连接气路的换热管箱连接件连接，并通过水路连接件连接水路。本发明采用换热管体组件，可缩短单个管壳和管束的长度，有效的解决了管壳和管束的热膨胀问题。这种设计使装配工艺简单，降低加工难度，提高加工精度，保证冷却器的可靠性，使换热管和管壳的设计标准化、模块化，从而提高了开发的周期，同时也降低了加工难度。

Description

一种中重型车用串联式废气再循环冷却器

技术领域

本发明涉及一种中重型车用串联式废气再循环冷却器，是一种应用于中、重型汽车发动机废气再循环冷却系统的热交换器。

背景技术

随着汽车排放法规的日益严格，发动机废气再循环冷却系统用冷却器的应用越来越广泛，同时由于受到发动机空间的限制，对冷却器换热性能的要求也越来越高，因此，废气再循环冷却器需要不断的改进以满足使用要求；对于中重型柴油机车而言，废气再循环冷却器的成本较轻型柴油机车用冷却器的成本要高、加工难度大，因此在为客户设计和制造冷却器时，不仅要充分考虑到其换热性能和可靠性，同时要兼顾到加工的难易程度和成本问题。

废气再循环冷却器是废气再循环冷却技术的一个重要组元，而废气再循环冷却技术的应用在汽车行业是降低尾气排放的有效措施之一。废气再循环冷却技术是将汽车发动机所排放的部分废气先通过冷却器进行冷却后，重新回传到发动机燃烧室与新鲜空气共同参与燃烧，从而有效降低NO_X排放的一种技术。该技术利用废气中含有的大量化学惰性气体(CO₂、N₂、H₂O)具有较高比热这一特性来降低NO_X的生成。因为NO_X的生成条件是高温富氧，而温度较低废气的引入一方面使混合气热容量增大，使得相同量的混合气升高同样温度所需的热量增加，从而有效降低最高燃烧温度，偏离了NO_X的高温生成区；另一方面废气对新鲜空气的稀释也相应降低了氧的浓度，从而有效地抑制NO_X的生成。因此在汽车发动机废气再循环系统中，设置高效可靠的废气再循环冷却器可以使汽车的尾气排放满足严格的法规要求。

目前，汽车发动机废气再循环系统用的冷却器有两大类。一类为板翅式冷却器，一类为管壳式冷却器，其中以管壳式冷却器的类型应用最为广泛。由于废气再循环冷却器的加入会影响发动机整个冷却系统的运行，甚至会对整个发动机造成影响，因此不仅要求冷却器紧凑高效，更重要的是要保证其可靠性，同时从成本方面考虑，要用最实用的工艺制造出高可靠性的产品，为客户节省成本同时保证产品的批量供应，管壳式冷却器是合适的选择；而板翅式换热器应用在中重型车上有其固有的缺点，不仅成本高、加工难度大、可靠性较差，而且容易堵塞，因此在中重车上很少应用板翅式换热器作为废气再循环冷却器。

由于中重型车的运行环境比较恶劣，因此废气再循环冷却器的可靠性非常重要，如果冷却器在运行过程中出现泄漏，无论是气侧还是水侧泄漏都将直接对发动机造成破坏性的伤害。由于中重型车用废气再循环冷却器一般都较长，因此不能忽略由于管壳和管束的受热不等而引起的热应力，如未考虑热膨胀问题，冷却器的可靠性会较差，长时间运行后，可能导致冷却器泄漏，从而对发动机产生破坏，因此，为了避免这种情况发生，必须采取措施保证冷却器整体的强度和可靠性。

目前在国内设计和生产的中重型柴油机车用管壳式废气再循环冷却器中，管壳多采用铸件，冷却器的整体结构比较笨重，占用发动机较大的空间，这种形式的冷却器的功率密度较低，未充分发挥单位体积内冷却器的换热效果，而且这种冷却器升级换代的能力较差；更重要的一点是对于采用铸件管壳的冷却器而言，解决管壳与管束之间的热膨胀问题较难，或者是解决热膨胀问题所带来的成本较高。

发明内容

为解决现有技术的问题，本发明提出一种中重型车用串联式废气再循环冷却器，所述冷却器的外壳为圆形或矩形截面，管壳由金属薄板围成而非铸件，可以有效地利用外部空间，且充分利用管壳内的空间，紧凑的布置换热管束，使冷却器的性能满足要求，具有升级换代的潜力。冷却器的换热管体组件设计，各管束之间为串联的关系，管壳和管束的数目并不是对应的，分体管壳的数目大于等于管束的数目；换热管体组件的设计有效解决了管壳和管束由于受热不均而产生的热应力问题，提高了冷却器整体的可靠性，从性能和可靠性两方面满足发动机的使用要求，从而满足日趋严格的排放法规要求。换热管体组件的设计使管壳和换热管的设计标准化、模块化，缩短了新产品的开发周期，同时由于降低了加工难度，满足冷却器批量生产的需求。

本发明的目的是这样实现的：一种中重型车用串联式废气再循环冷却器，包括：与发动机排气管连接进气管箱，与发动机废气再循环系统出气管连接的排气管箱，所述进气管箱与排气管箱之间分别通过脊环连接有至少两个换热管体组件，与进气管箱连接的换热管体组件上设有进水管，与出气管箱连接的换热管体组件上设有出水管；所述的换热管体组件通过连接气路的换热管体连接件连接，并通过水路连接件连接水路。

本发明产生的有益效果是：中重型车用串联式废气再循环冷却器，采用换热管体组件，一方面可以缩短单个管壳和管束的长度，有效的解决了管壳和管束的热膨胀问题。另一方面，这种换热管体组件的设计使装配工艺简单，可以有效降低加工难度，提高加工精度，保证冷却器的可靠性。另外，换热管体组件的设计使换热管和管壳的设计标准化、模块化，从而提高了开发的周期，同时由于降低了加工难度，满足冷却器批量生产的需求。这种换热管体组件的设计经试验验证，不会增大冷却器的气侧压力损失值，适用于目前中重型用发动机的使用。

中重型车用串联式废气再循环冷却器，采用换热管体组件的设计方法，相对于普遍采用的管壳整体铸造的方式，一方面可以保证冷却器在相同外形空间基础上整体设计更紧凑，有效地利用管壳内的空间，管束的布置更合理，从而提高冷却器的整体性能。另一方面，由于换热管体组件的设计可以有效的解决热膨胀问题，因此可以提高冷却器的整体可靠性。冷却器即满足可靠性要求又满足性能要求，从而有效降低再循环废气的温度，降低了废气中氮氧化合物的排放，对环保做出应有的贡献。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例一所述的换热器的示意图；

图2是本发明实施例一所述的换热器的管壳示意图；

图3是本发明实施例二、四所述的换热器的示意图；

图4是本发明实施例三、五所述的换热器的示意图；

图5是本发明实施例三、五所述的换热器的示意图；

图6是本发明实施例四所述的换热器的示意图；

图7是本发明实施例四所述的换热器的示意图，是图6的B-B向剖面图；

图8是本发明实施例五所述的换热器的示意图，是图5的A-A向剖面图

图9是本发明实施例六所述的换热器的示意图；

图10是本发明实施例六所述的换热器的示意图；

图11是本发明实施例六所述的换热器的示意图，是图10的C-C向剖面图；

图12是本发明实施例七所述的换热器的扁形换热管示意图；

图13是本发明实施例七所述的另一种换热器的扁形换热管示意图；

图14是本发明实施例七所述的另一种换热器的扁形换热管示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种中重型车用串联式废气再循环冷却器，包括：与发动机排气管连接进气管箱3，与发动机废气再循环系统进气管连接的排气管箱4，进气管箱与排气管箱之间分别通过脊环连接有至少两个换热管体组件，与进气管箱连接的换热管体组件1上设有进水管5，与出气管箱连接的换热管体组件2上设有出水管6。换热管体组件通过连接气路的换热管体连接件21连接，并通过水路连接件7连接水路。

本实施例所述的换热器可以有两个换热管体组件，也可以有三个、四个或者更多的换热管体组件组成。这样对于一个换热器的设计十分方便，可以根据换热量的多少随意的进行组合。如图1所示的是一个具有三个换热管体组件的换热器。空心箭头代表废气的流动方向示意，实心箭头代表冷却剂的流动方向示意。高温废气从进气管箱3进入冷却器，首先通过换热管体组件1中的换热管管束，然后从第一个换热管体组件的换热管管束出来进入第二个换热管体组件换热管管束，再由第二个换热管管束进入第三个换热管体组件2的换热管管束，再由第三个换热管体组件的换热管管束进入排气管箱4，最后从排气管箱进入与冷却器相连的废气再循环管路中。由于废气依次通过第一和第二和第三换热管管束，三个换热管管束为串联的形式，因此本实施例所述的冷却器可以称为串联式冷却器。冷却剂即发动机的冷却水自进水管进入第一个换热管体组件的管壳和第一换热管管束之间围成的空间，与第一换热管管束内的高温废气发生热交换。然后冷却剂通过水路连接件进入第二个换热管体组件的管壳和第二管束之间围成的空间，与进入第二管束中的高温废气继续进行热交换。然后冷却剂通过第二个水路连接件进入第三个换热管体组件的管壳和第三管束之间围成的空间，与进入第三管束中的高温废气继续进行热交换。最后冷却剂通过出水管排出，进入发动机的冷却系统管路。而经过冷却的发动机废气进入发动机废气再循环系统。

本实施例中采用金属薄板围制成的管壳代替整体铸造管壳，不是简单的代换。采用整体铸造的管壳类型，在排放法规要求不高的时期可以满足要求，但是随着排放法规的越来越严格，这种管壳为铸造的冷却器在升级换代上存在很大的弊端。由于在发动机上安装冷却器的空间有限，而铸件的厚度较大，在相同的空间体积下，铸件内空间难以扩展，因此限制了管壳内管束的有效换热面积的增加。若在相同换热管束布置的条件下，采用金属薄板围成的管壳的换热管管外空间较大，减少了冷却剂通过冷却器的流动阻力，对废气再循环系统有利。或者由于空间较大，可以使冷却器中通过更多的冷却剂，使冷却器的整体换热效果提高。由于中重型车用废气再循环冷却器外形通常是矩形，其长度相对与宽度和高度大得多，所以长度方向的强度必须较大，才能经得起管壳在冷热交替出现时不至于变形太大，以致损坏管壳。

本实施例采用换热管体组件的方案，管壳采用分体管壳的设计，冷却器管束采用分组管束的设计，各管束之间为串联的关系。采用这种设计方案，可以使较长的冷却器管壳和管束设计成多个较短管壳和管束的连接方式，从而降低了产品的加工难度。更重要的是，串联式冷却器的设计有效解决了管壳和管束由于受热不均而产生的热应力问题。由于在换热管内部流过高温废气，管壳与换热管围成的空间流过低温的冷却剂，因此，在管束和管壳之间将产生不同的热膨胀量，从而引起热应力的产生，在换热管上产生压应力、管壳上产生拉应力、管板上产生弯曲应力，管束、管板和管壳之间形成一个封闭的受力流。这种热应力在换热管和管壳的长度较短时会较小，对产品的可靠性影响不大。而中重型发动机使用的的换热器由于在发动机中的布置，需要设计为长方体形状，管束和管壳的长度较长，如果简单的将管束和管壳设计为一长条，会产生较大的热应力，严重的可能导致单个部件失效或者在管板的连接处产生破坏，使冷却器发生泄漏，甚至会破坏发动机的正常运行。因此，在设计中重卡发动机用冷却器时，热膨胀所引发的热应力是不容忽视的技术问题。采用串联式冷却器的设计方案，将较长管壳和管束分成较短的管壳和管束，然后通过焊接其他的方式将分体管壳连接在一起，可以有效降低了热应力，使热应力对产品的破坏作用降到最低，从而提高了冷却器整体的可靠性。另外，这种串联式的设计易于形成管壳和换热管设计的标准化和模块化，减少了新产品开发的时间。换热管体组件的设计可以有效降低加工难度，提高加工精度，保证冷却器的可靠性，由于装配工艺简单，适于批量生产应用。这种换热管体组件型冷却器设计经试验验证，不会增大冷却器的气侧压力损失值，适于目前中重型用发动机的使用。

本实施例所述的换热管体组件类似于一个单独的小换热器，同样具有管壳、换热管和管板，只是为了区别起见将管板称为端板。管壳可以是一段金属板制成也可以使用两块金属板制成，中间或直接焊接或使用脊环连接。这里所述的脊环是一种形状与管壳相应带有承插管壳端面的台阶的金属环。带有脊环的管壳具有抗热应力的作用。换热管的截面可以有各种形状，可以是圆形或者扁形，也可以是椭圆形等等。换热管的表面可以有向内凹进的槽，以提高换热管的换热效率。

本实施例中的换热管体组件之间可以通过多种途径连接。例如可以使用直接焊接的方式，或通过法兰连接，或通过脊环焊接连接。

换热管体组件之间的连接是将换热管体组件的端板两两相对的焊接在一起，实际联通的是气路，管壳中的水路还需要联通。水路联通的方式也很多，可以使用一段水管将两个管壳中的水路联通，也可以使用一种带有水路通道的法兰连接水路，或使用一种金属板压制的水槽作为联通水路的管道。

本实施例中换热管体组件中采用的管壳根据所采用的换热管的形式，可以是平管壳形式，也可以是如图2所示的管壳形式，管壳四个表面布置有凹槽18、19，在管壳表面布置凹槽一方面可以起到加强筋的作用，另一方面，当管壳内布置扁状凹槽管时，管壳表面凹槽与换热管表面的鼓包相互支撑，使换热管的布置更紧凑牢固。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例关于一关于换热管体组件的细化，如图3所示。本实施例所述的换热管体组件包括金属板围成的截面为矩形或圆形的管壳1，管壳开口的两端分别焊接有端板8，两端板之间安装有流通废气的多根换热管9。

本实施例所述的换热管体组件类似于一个小换热器，同样具有管壳、换热管和管板，只是为了区别起见将管板称为端板。换热管截面可以有各种形状，可以是圆形或者扁形，也可以是椭圆形等等。换热管的表面可以有向内凹进的凹槽，以提高换热管的换热效率。

管壳的截面形状可以是矩形的也可以是圆形的，管壳上设有连接水路的分进水口51和分出水口61。当换热管体组件与进气管箱连接时，该换热管体组件的分进水口就是整个换热器的进水口。同样，当换热管体组件与出气管箱连接时，该换热管体组件的分出水口就是整个换热器的出水口。

换热管体组件的端板，可以认为就是传统换热器的管板。当换热管体组件与进气管箱或出气管箱连接时，该换热管体组件与进气管或出气管相对的端板就是管板。

实施例三：

本实施例是实施例二的细化，是实施例二关于管壳的细化，如图4、5所示。本实施例所述的管壳为通过脊环连接的两段金属板围成。

管壳可以是一段金属板制成也可以使用两块金属板制成，中间或直接焊接或使用脊环连接或通过法兰连接。本实施例则使用一种脊环连接两段管壳12、13。本实施例所述的脊环14是一种形状与管壳相应，带有承插管壳端面的台阶的金属环。带有脊环的管壳具有抗热应力的作用。

实施例四：

本实施例是实施例三的改进，是实施例三关于换热管体组件连接件和水路连接件的改进，如图6、7所示，图7是图6在B-B向的剖面图，是两个换热管体组件连接部位的放大示意图。本实施所述的换热管箱连接件是带有带有承插换热管箱组件台阶的脊环22，所述的水路连接件是一段截面为圆形的管道，所述管道连接两个相邻换热管体组件上的流水口。

本实施例所述的脊环将两个相邻的换热管体组件连接在一起。所述脊环可以是两个一端平滑一端有承插换热管体组件台阶的脊环，两个脊环分别焊接在各自的换热管体组件上，然后再焊接在一起。也可以使用一个两边均具有承插换热管体组件台阶的脊环，将两个换热管体组件焊接在一个脊环上。

本实施例所述的流水口是两个相邻换热管体组件上的分出水口61和分进水口51，两各流水口上都有提领孔，提领孔通过一小段直管71、72，直管再连接一段U型管73，形成完整的联通水路。

实施例五：

本实施例是实施例三的改进，是实施例三关于换热管体组件连接件和水路连接件的改进，如图4、5、8所示。图8是图5在A-A向的剖面图，是两个换热管体组件连接部位的放大示意图。本实施所述的所述的换热管箱连接件是带有带有螺栓孔的法兰74、75，所述的水路连接件是设置在法兰顶部的截面为弧形的联通槽76，所述联通槽连接两个相邻换热管体组件上的流水口61、51。

本实施例所述的相邻的换热管体组件通过法兰连接，法兰上开有螺栓紧固的螺栓孔，法兰的上部这有连接水路的联通槽。因此本实施例的气路连接和水路连接在同一个零件上完成。本实施所述的法兰可以是铸造的，也可以通过机加工制造。本实施例的优点是方便拆卸，检修。

实施例六：

本实施例是实施例三的改进，是实施例三关于换热管体组件连接件和水路连接件的改进，如图9、10、11所示，图11是图10在C-C向的剖面图，是两个换热管体组件连接部位的放大示意图。本实施例所述的换热管箱连接件是端板翻起的环形边78，所述的水路连接件是截面为半圆形焊接在管壳上的一段金属板制成的凹槽77，所述凹槽连接两个相邻换热管体组件上的流水口。

本实施例所述冷却器的连接件实际是端板的翻起的环形边和管壳，两个相邻的换热管体组件的端板翻起的环形边对在一起直接进行焊接，结构简单。

为使冷却剂的流动没有死角本实施例还可以在主要流水槽的相对位置再设置一处副流水槽79，当然要在管壳上开出一对副进出水口611、511，如图11所示。

实施例七

本实施例上述实施例的改进，是关于换热管的细化，如图8、10、12、13、14所示。本实施例所述的换热管的表明带有向里凹进的螺旋槽，所述换热管的截面为圆形或扁状。

本实施例中采用的换热管为圆形螺旋凹槽换热管，如图5、10所示。当高温气体通过圆形螺旋凹槽换热管时，遇到螺旋凸起部位的阻碍作用，流动方向发生变化，产生复杂的二次流涡旋流动，同时在螺旋凸起的后面也形成了涡旋，增大了废气的湍流度，尤其增大了对近壁区边界层的扰动，破坏或减薄了流体的边界层，从而增强了换热；同时，流体扰动的增强使得临界雷诺数降低，即从层流向湍流的转变提早发生，强烈的湍流运动使得污垢在管内遭到了激烈的冲蚀，不易结垢，利于清洗。

为了满足更高的排放要求，可以也可以更换为扁状凹槽换热管，如图12所示本实施例一所述的扁状换热管示意图。该扁状换热管截面的长边所处的上下表面都布置有凹槽和鼓包，上下凹槽与鼓包的轴线连接在一起是一条等距的螺旋线。采用扁状截面换热管的优势在于：首先，在保证冷却器的体积和废气流量不变的前提下，也就是换热管截面面积不变的情况下，扁状管的截面周长肯定大于圆管的截面周长，从而扁状管的换热面积大于圆管的换热面积，进而提高了整个冷却器的换热面积，使冷却器达到了较高的换热效果。扁状换热管的鼓包位于两换热管之间，起到固定支撑换热管的作用，同时防止换热管由于热胀冷缩发生变形，采用扁状换热管的废气再循环冷却器可以满足欧四及以上的排放要求。

如图13所示为本实施例另一种扁状换热管的示意图，与图12所示的换热管的不同之处在于，如13所示的换热管的上下表面的凹槽和鼓包是对称分布，从换热性能和加工难易程度来综合考虑采用图12或图13的设计方案，二者所起的作用相同，且采用扁状换热管可以满足欧四及以上的排放要求。

如图14所示为本实施例另一种扁状换热管的示意图，与图12、13所示的换热管的不同之处在于凹槽的排布方式不同，如图14所示换热管上下表面的凹槽断续排布，上表面两凹槽轴线与下表面凹槽轴线互相垂直，鼓包上下对称分布，从换热及压力损失要求和加工的难易程度综合考虑采用图12、13、14的设计方案，三者所起的作用相同，且采用扁状换热管可以满足欧四及以上的排放要求。

以上只是显示了本发明的几种典型的中重型柴油机用串联式废气再循环冷却器，其中关于冷却器管壳的外形、管壳分段的数目等都可以修改，管壳与管壳的连通方式、管壳与管壳以及管壳与管箱的连接方式等都可以相互替换。串联式冷却器的设计方案，减短了单个换热管和管壳的长度，有效地降低了较长冷却器的加工难度，提高了加工精度，从而保证冷却器的整体的焊接强度，同时有效解决了冷却器由于热胀冷缩所引起的热应力问题。而由于分体设计方案易于实现换热管和管壳的标准化和模块化，因此缩短了产品的开发周期，该设计方案适用于批量生产用，在提高冷却器可靠性的同时，确保冷却器实现其功能，使汽车发动机满足日益严格的排放法规要求。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案(比如壳体的外形、水管的外形、端部管箱的形状、管壳与管箱及管壳与管壳的连接方式等)进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种中重型车用串联式废气再循环冷却器，包括：与发动机排气管连接进气管箱，与发动机废气再循环系统进气管连接的排气管箱，其特征在于，所述进气管箱与排气管箱之间分别通过脊环连接有至少两个换热管体组件，与进气管箱连接的换热管体组件上设有进水管，与出气管箱连接的换热管体组件上设有出水管；所述的换热管体组件通过连接气路的换热管体连接件连接，并通过水路连接件连接水路。

2.根据权利要求1所述的冷却器，其特征在于，所述的换热管体组件包括金属板围成的截面为矩形或圆形的管壳，所述管壳开口的两端分别焊接有端板，两端板之间安装有流通废气的多根换热管。

3.根据权利要求2所述的冷却器，其特征在于，所述的管壳为通过脊环连接的两段金属板围成。

4.根据权利要求3所述的冷却器，其特征在于，所述的换热管体连接件是带有带有承插换热管箱组件台阶的脊环，所述的水路连接件是一段截面为圆形的管道，所述管道连接两个相邻换热管体组件上的流水口。

5.根据权利要求3所述的冷却器，其特征在于，所述的换热管体连接件是带有螺栓孔的法兰，所述的水路连接件是设置在法兰顶部的截面为弧形的联通槽，所述联通槽连接两个相邻换热管体组件上的流水口。

6.根据权利要求3所述的冷却器，其特征在于，所述的换热管体连接件是端板翻起的环形边，所述的水路连接件是截面为半圆形焊接在管壳上的一段金属板制成的水槽，所述凹槽连接两个相邻换热管体组件上的流水口。

7.根据权利要求3至6之一所述的冷却器，其特征在于，所述的换热管的表明带有向里凹进的槽，所述换热管的截面为圆形或扁状。

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