CN115013195A - 采用分体式出气主片的废气再循环冷却器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用分体式出气主片的废气再循环冷却器，该冷却器包括进气室、进气主片、进气密封垫、散热管组、壳体、出气主片、出气密封垫和出气室，出气主片包括嵌件和膜片，膜片中部设有嵌件安装孔，嵌件安装孔在背离散热管组安装一侧垂直设有翻边结构，嵌件固定设置在嵌件安装孔的翻边结构上。出气主片总成采用组合式结构，较厚的嵌件可以保证激光焊接强度，较薄的膜片可以起到类似“弹簧”的作用，可以有效补偿散热管热膨胀产生的形变，释放热应力，大大降低疲劳断裂风险，此种结构的设计适用于不同长度的散热管，且散热管越长，降低热冲击失试的效果越明显。试验结果表面，采用本发明的出气主片可以降低20％～30％的热冲击应力，冷却器耐热冲击寿命提高约43％。
Description
技术领域
本发明涉及一种商用车采用分体式出气主片的废气再循环冷却器，具体涉及一种采用分体式出气主片的废气再循环冷却器。
背景技术
废气再循环(EGR)系统作为一种新兴的发动机机内净化技术，与三元催化(SCR)技术一起成为降低NOx排放的重要手段。其原理是将发动机燃烧后产生的废气经冷却后回流到燃烧室，由于废气具有惰性，在燃烧室内不参与燃烧，但可以稀释混合气体，降低氧气浓度和燃烧最高温度，从而达到降低NOx生成的目的。废气再循环(EGR)冷却器是废气再循环系统中降低废气温度的装置，废气经冷却后，可以降低燃烧初期的压力升高率和峰值压力，新鲜空气节流损失降低，进气充量增加，由此延长燃烧滞燃期，增大预混合燃烧的比例，缩短燃烧持续期，降低最高燃烧温度，减少NOx的排放。为便于阐述，以下均将废气再循环(EGR)冷却器简称为EGR冷却器。
EGR冷却器的主片通常与散热管组通过焊接方式装配在壳体内，根据废气流向分为进气主片和出气主片，其中散热管组为废气通道，冷却液环绕散热管组流动进行热交换。其主要作用包括：保证散热管组的安装强度，使其具有良好的耐热冲击性能；保证散热管组内相邻散热管的间距，使冷却液的流速和分布更为均匀，从而达到良好的换热效率。
目前大多数EGR冷却器所用主片和安装形式如图13所示，进气主片和出气主片采用同等厚度和同等结构，厚度一般为2～3mm，与散热管焊接后装配在壳体内。商用车燃烧后废气的最高温度可达600～700℃，且会随着整车工况的变化而波动，不规律变换的高温废气产生的热冲击是EGR冷却器失效的重要诱因。根据热膨胀计算公式，热膨胀(或收缩)长度ΔL＝L1*α*ΔT(L1为散热管长度，α为热膨胀系数，△T为温差)，散热管长度小于350mm时，热膨胀量△L相对较小，此种主片可以基本满足耐热冲击强度要求；但当散热管长度大于350mm，或者更长时，热膨胀和收缩程度增大，此厚度的主片的形变量无法补偿热膨胀变形，应力无法释放，散热管和主片的焊缝处可能发生疲劳开裂，冷却液流入气侧通道，最终可能导致涡轮增压器，甚至气缸进水，引起整车故障。因此，改善主片的结构，使其在保证强度、装配精度的前提下，能够有效的释放热冲击应力，是降低EGR冷却器热冲击失效的重要措施。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供一种采用分体式出气主片的废气再循环冷却器，在保证装配强度和精度的前提下，通过更好的弹性形变补偿散热管热膨胀量，可以有效降低热冲击对主片和散热管焊缝处的应力，从而降低失效风险。
本发明采用的技术方案是：一种采用分体式出气主片的废气再循环冷却器，包括进气室、进气主片、进气密封垫、散热管组、壳体、出气主片、出气密封垫和出气室，所述壳体进气侧设有进气室，出气侧设置有出气室；所述进气室与壳体之间设有进气主片，所述进气主片与进气室及壳体之间均设有进气密封垫；所述出气室与壳体之间设有出气主片，所述出气主片与出气室及壳体之间均设有出气密封垫；所述散热管组设置在壳体内，与进气主片和出气主片的气孔对应连接；所述壳体进气侧设有进水口，出气侧设有出水口；其特征在于：所述出气主片包括嵌件和膜片，所述膜片固定在壳体及出气室之间，中部设有嵌件安装孔，所述嵌件安装孔在背离散热管组安装一侧垂直设有翻边结构，所述嵌件固定设置在嵌件安装孔的翻边结构上。
作为优选，所述膜片厚度为0.8mm，所述翻边结构的高度为4.5mm，所述嵌件厚度为2mm。
作为优选，所述嵌件固定安装在翻边结构的顶端，与顶端的高度差不大于0.1mm。
作为优选，所述嵌件与翻边结构四周的最大装配间隙为0.1mm。
作为优选，所述嵌件与膜片先进行预装配，预装配拉脱力大于90N；再通过激光焊接固定。
作为优选，所述壳体出气侧法兰面设置有两个与膜片配合安装的销钉。
作为优选，所述壳体出气侧法兰面设置有10mm的倒角。
作为优选，所述进气室采用双流道废气入口，双流道之间铸有挡板。
作为优选，所述进水口设置在壳体进气侧下部，所述出水口设置在壳体出气侧上部。
作为优选，所述散热管采用麻点散热管。
本发明取得的有益效果是：本发明通过将出气主片采用组合式结构(嵌件和膜片分体式结构)，且膜片中部设置带翻边结构的嵌件安装孔，在保证装配强度和精度的前提下，通过更好的弹性形变补偿散热管热膨胀量，可以有效降低热冲击对主片和散热管焊缝处的应力，从而降低失效风险，试验表明，本发明所述主片可以将EGR冷却器的耐热冲击寿命提高约43％。本发明具有如下优点：
1、出气主片总成采用组合式结构，由2mm厚度的嵌件和0.8mm的膜片组成，循环废气的最高温度可达600～700℃，且会随着整车工况的变化而波动，散热管组由此会产生不规律的热膨胀和收缩变形；出气主片和散热管组的焊缝由于往复变形产生的交变应力可能导致疲劳断裂，出气主片采用2mm厚度的嵌件可以保证激光焊接强度，采用0.8mm厚度的膜片可以起到类似“弹簧”的作用，可以有效补偿散热管组热膨胀和收缩产生的形变，释放热应力，大大降低疲劳断裂风险；采用本发明出气主片可以降低20％～30％的热冲击应力，将EGR冷却器的热冲击寿命提高约43％，通过采用多种不同厚度的膜片进行模拟试验及台架验证，确定0.8mm厚度为最优选择；
2、膜片与嵌件装配的位置采用翻边结构，高度为4.5mm，翻边方向与膜片成90°夹角，此种设计可以有效的降低膜片的局部扭矩变形，将形变集中到散热管组热膨胀方向，再由膜片的“弹性”形变释放热膨胀应力，由此减少焊缝或者主片开裂的风险；
3、嵌件和膜片预装配后，其间隙不大于0.1mm，且高度差不大于0.1mm，此要求可以保证其预装配精度，由此确保焊缝处的激光焊接的稳定性和强度，提高EGR冷却器的热耐久性；
4、进气主片的厚度为2mm，可以保证高温侧的装配强度热耐久性，将散热管组产生的热膨胀量集中通过出气主片的弹性变形进行补偿；
5、壳体出气侧法兰面设置有两个销钉，与出气主片上销钉孔配合安装，用于降低出气主片在激光焊接过程中的热变形；膜片厚度降低，在激光焊接产生的高温环境下热变形的程度变大，分布在出气主片两侧的销钉可以限制主片的受热扭曲变形，保证其平面度和密封性要求；
6、壳体出气侧法兰面设置有10mm的大倒角，为出气主片的“弹性”变形提供了空间，有利于热应力的进一步释放。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的采用分体式出气主片的废气再循环冷却器剖视图；
图3为图2中的C处局部放大图；
图4为出气主片结构示意图；
图5为膜片结构示意图；
图6为嵌件结构示意图；
图7为出气主片装配技术要求图；
图8为进气主片结构示意图；
图9为出气主片与壳体装配示意图；
图10为进气主片与壳体装配示意图；
图11为散热管和主片热冲击变形图(位移放大倍数：100倍)；
图12为出气主片变形局部放大视图(位移放大倍数：100倍)；
图13为传统EGR冷却器气主片安装示意图；
图14为EGR冷却器冷热冲击试验条件示意图；
其中：1、进气室；2、进气密封垫；3、进气主片；4、进气密封垫；5、散热管组；6、侧面支架安装孔；7、出水口；8、出气密封垫；9、出气主片；10、出气密封垫；11、出气室；12、底部支架安装孔；13、壳体；14、进水口；15、嵌件与散热管焊缝；16、嵌件与膜片焊缝；17、进气主片与散热管焊缝；18、出气侧销钉；19、进气侧销钉；20、嵌件；21、膜片；211、嵌件安装孔；212、翻边结构；22、壳体出气侧法兰面倒角；A、废气入口；B、废气出口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。
如图13所示，传统的EGR冷却器的进气主片3和出气主片9采用同等厚度和同等结构，厚度一般为2～3mm，与散热管组5焊接后装配在壳体13内。商用车燃烧后废气的最高温度可达600-700℃，且会随着整车工况的变化而波动，不规律变换的高温废气产生的热冲击是EGR冷却器失效的重要诱因。当散热管长度小于350mm时，热膨胀量△L相对较小，此种主片可以基本满足耐热冲击强度要求；但当散热管长度大于350mm，或者更长时，热膨胀和收缩程度增大，此厚度的主片的形变量无法补偿热膨胀变形，应力无法释放，散热管组5和主片(进气主片3和出气主片9)的焊缝处可能发生疲劳开裂，冷却液流入气侧通道，最终可能导致涡轮增压器，甚至气缸进水，引起整车故障。
如图1-12所示，本发明的一种采用分体式出气主片的废气再循环冷却器，包括进气室1、进气主片3、进气密封垫2(4)、散热管组5、壳体13、出气主片9、出气密封垫8(10)和出气室11，进气室1固定设置在壳体13的进气侧法兰面上，出气室11固定设置在壳体13的出气侧法兰面上；进气主片3固定设置在进气室1与壳体13的进气侧法兰面之间，进气主片3与进气室1之间设有进气密封垫2，进气主片3与壳体13的进气侧法兰面之间设有进气密封垫4；出气主片9固定设置在出气室与壳体13的出气侧法兰面之间，出气主片9与出气室11之间设有出气密封垫10，出气主片9与壳体13的出气侧法兰面之间设有出气密封垫8；散热管组5设置在壳体13内，由多根散热管组成，一端插入到进气主片3对应的气孔内并焊接固定，另一端插入到出气主片9对应的气孔内并焊接固定；壳体12进气侧设有进水口14，出气侧设有出水口7。高温的循环废气(600～700℃)由进气室1引入，经壳体13内的散热管组5后，由出气室11排出；相对低温的冷却液(85～95℃)由进水口14流入壳体内，由出水口7排出；循环废气在散热管组5内流过时，与管外的冷却液进行热交换。
出气主片9包括嵌件20和膜片21，膜片21固定在壳体13及出气室11之间，中部设有嵌件安装孔211，嵌件安装孔211在背离散热管组安装一侧垂直设有翻边结构212，嵌件20固定设置在嵌件安装孔211的翻边结构212上。
本实施例中，膜片21厚度为0.8mm，且中间区域有4.5mm的翻边结构，翻边方向与膜片成90°夹角，且翻边根部圆角为R1.2；嵌件20厚度为2mm，装配在膜片21的翻边结构内，与膜片20通过激光焊接连接(如图9所示，焊缝为16)；嵌件20与膜片21先进行预装配，再完成激光焊接，预装配要求拉脱力大于90N(最下拉脱力为总管束质量的2.5倍)；嵌件20与膜片21预装配后，嵌件21四周的最大装配间隙为0.1mm，且预装配后，嵌件20和膜片21在散热管5装配方向上的高度差不大于0.1mm(嵌件20固定安装在翻边结构212的顶端，与顶端的高度差不大于0.1mm)。壳体13出气侧法兰面设置有10mm的倒角22，为出气主片9的“弹性”变形提供了空间，有利于热应力的进一步释放。
本实施例中，结合图9所示，壳体13出气侧法兰面两侧设置有销钉18，与出气主片总成9配合安装，销钉18用于降低出气主片9在激光焊接过程中的热变形，膜片21厚度降低，在激光焊接产生的高温环境下热变形的程度变大，分布在出气主片9两侧的销钉可以限制主片的受热扭曲变形，保证其平面度和密封性要求。结合图10所示，壳体13进气侧法兰面两侧设置有销钉19，与进气主片3配合安装。
本实施例中，进气室1采用双流道废气入口，每个流道与三个气缸排气口相连，进气室1内铸有挡板，保证双流道独立通废气。
本实施例中，壳体13上布置有支架安装孔，包括两个底部支架安装孔12和两个侧面支架安装孔6，分别通过螺栓固定在发动机本体上。
壳体13采用“S”型流道，即进水口14在壳体13进气侧下部，出水口7布置在壳体出气侧上部。
本实施例中，壳体13和出气法兰11为铝制件，其余部件材料为不锈钢，这样可以在保证满足环境温度要求的情况下，降低冷却器的重量。
本实施例中，散热管组5采用麻点散热管，可以增大热交换面积和实现冷却液更好的交叉流动性，换热效率更高，并且可以限制碳烟颗粒沉积，增强管束安装强度，提升散热管的热耐久性。
与现行的EGR冷却器采用相同厚度和结构的主片相比，本发明的出气主片9采用组合式结构，由2mm厚度的嵌件20和0.8mm的膜片21组成，循环废气的最高温度可达600～700℃，且会随着整车工况的变化而波动，散热管由此会产生不规律的热膨胀变形，出气主片9和散热管的焊缝由于往复变形产生的交变应力可能导致疲劳断裂，本发明出气主片2mm厚度的嵌件20可以保证激光焊接强度，0.8mm厚度的膜片21可以起到类似“弹簧”的作用，可以有效补偿散热管热膨胀产生的形变，释放热应力，大大降低疲劳断裂风险，此种结构的设计适用于不同长度的散热管，且散热管越长，降低热冲击失试的效果越明显。试验结果表面，采用本发明出气主片9可以降低20％～30％的热冲击应力，将EGR冷却器的耐热冲击寿命提高约43％。
膜片21与嵌件20装配的位置采用翻边结构212，此种设计可以有效的降低膜片21的局部扭矩变形，将形变集中到散热管热膨胀方向，再由膜片21的“弹性”形变释放热膨胀应力，由此减少焊缝或者主片开裂的风险。
与出气主片9的膜片21的厚度为0.8mm不同，进气主片3的厚度为2mm，这种组合方式可以保证高温侧的装配强度及热耐久性，将散热管产生的热膨胀量集中通过出气主片总成的弹性变形进行补偿。
壳体13出气侧法兰面设置有两个销钉，与出气主片9上销钉孔配合安装，用于降低出气主片在激光焊接过程中的热变形，保证主片的安装平面度，从而满足EGR冷却器的气密性要求。壳体出气侧法兰面设置有10mm的大倒角22，为出气主片总成的“弹性”变形提供了空间，有利于热应力的进一步释放。
EGR冷却器的冷热冲击试验是检验其抵抗周期性热负荷引起的热膨胀应力损伤的能力，周期性变化的热负荷使零件(进气主片、散热管、出气主片)产生循环往复的变形，严重时可能导致冷却器产生疲劳断裂，如图11所示，不同发动机工况下废气温度的变化导致散热管的不规律膨胀和收缩变形。图14为EGR冷却器冷热冲击的试验条件，通常分为热冲阶段(温度约为700～800℃，持续时间为20～25s)和冷冲阶段(温度约为100～130℃，持续时间为20～25s)，单个循环周期包括热冲和冷冲阶段，为缩短验证时间，该工况为加速验证工况，较实车工况更为严苛。
通过试验对比不同厚度膜片21的热冲击寿命(即疲劳开裂发生时的循环次数)来确定最优方案，如下表所示，分别选取0.6mm，0.7mm，0.8mm，0.9mm和2mm厚度的膜片进行冷热冲击试验，试验结果显示EGR冷却器采用0.8mm厚度的膜片具有最好的热耐久性。
| 序号 | 膜片厚度(mm) | 冷热冲击寿命(次) |
| 1 | 2 | 12785 |
| 2 | 0.6 | 17920 |
| 3 | 0.7 | 18050 |
| 4 | 0.8 | 18300 |
| 5 | 0.9 | 18125 |
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要结构特征。本发明不受上述实例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种采用分体式出气主片的废气再循环冷却器，包括进气室、进气主片、进气密封垫、散热管组、壳体、出气主片、出气密封垫和出气室，所述壳体进气侧设有进气室，出气侧设置有出气室；所述进气室与壳体之间设有进气主片，所述进气主片与进气室及壳体之间均设有进气密封垫；所述出气室与壳体之间设有出气主片，所述出气主片与出气室及壳体之间均设有出气密封垫；所述散热管组设置在壳体内，与进气主片和出气主片的气孔对应连接；所述壳体进气侧设有进水口，出气侧设有出水口；其特征在于：所述出气主片包括嵌件和膜片，所述膜片固定在壳体及出气室之间，中部设有嵌件安装孔，所述嵌件安装孔在背离散热管组安装一侧垂直设有翻边结构，所述嵌件固定设置在嵌件安装孔的翻边结构上。
2.根据权利要求1所述的采用分体式出气主片的废气再循环冷却器，其特征在于：所述膜片厚度为0.8mm，所述翻边结构的高度为4.5mm，所述嵌件厚度为2mm。
3.根据权利要求1所述的采用分体式出气主片的废气再循环冷却器，其特征在于：所述嵌件固定安装在翻边结构的顶端，与顶端的高度差不大于0.1mm。
4.根据权利要求1所述的采用分体式出气主片的废气再循环冷却器，其特征在于：所述嵌件与翻边结构四周的最大装配间隙为0.1mm。
5.根据权利要求1所述的采用分体式出气主片的废气再循环冷却器，其特征在于：所述嵌件与膜片先进行预装配，预装配拉脱力大于90N；再通过激光焊接固定。
6.根据权利要求1所述的采用分体式出气主片的废气再循环冷却器，其特征在于：所述壳体出气侧法兰面设置有两个与膜片配合安装的销钉。
7.根据权利要求1所述的采用分体式出气主片的废气再循环冷却器，其特征在于：所述壳体出气侧法兰面设置有10mm的倒角。
8.根据权利要求1所述的采用分体式出气主片的废气再循环冷却器，其特征在于：所述进气室采用双流道废气入口，双流道之间铸有挡板。
9.根据权利要求1所述的采用分体式出气主片的废气再循环冷却器，其特征在于：所述进水口设置在壳体进气侧下部，所述出水口设置在壳体出气侧上部。
10.根据权利要求1所述的采用分体式出气主片的废气再循环冷却器，其特征在于：所述散热管采用麻点散热管。
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