CN101514877A - 一种中重型车用废气再循环冷却器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中重型车用废气再循环冷却器，是一种中、重型汽车发动机使用的废气再循环冷却系统用的热交换器。本发明包括：作为主体的管壳和装在管壳上的管板和水管，所述管板上安装有流通废气的多根换热管，所述换热管的进、出口设置端部管箱，所述的管壳是焊接而成的矩形壳体，所述矩形壳体的外形长度大于2倍的宽或高。中重型车用废气再循环冷却器矩形管壳的分体设计，结构设计更紧凑，提高冷却器的整体性能。降低了较长冷却器管壳的加工难度，同时提高了加工精度。

Description

一种中重型车用废气再循环冷却器

技术领域

本发明涉及一种中重型车用废气再循环冷却器，是一种中、重型汽车发动机使用的废气再循环冷却系统用的热交换器。

背景技术

在汽车领域，发动机废气再循环冷却系统用冷却器在不断的改进，以适应日益严格的汽车尾气排放的标准；对于中重型柴油机而言，废气再循环冷却器的成本较轻型柴油机的要高，因此在为客户设计和加工冷却器时，不仅要充分考虑到其性能和可靠性，同时要兼顾到加工的难易程度和成本问题。

废气再循环冷却技术的应用是汽车行业降低汽车尾气排放的有效措施之一。废气再循环冷却技术是废气再循环系统中加入冷却器，将汽车发动机所排放的部分循环再利用的废气先通过废气再循环冷却器进行冷却后，重新回传到发动机的燃烧室与新鲜空气进行充分混合后进行燃烧的一种技术。该技术利用废气中含有大量化学惰性气体(CO₂、N₂、H₂O)具有较高的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则所需的热量增加，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。因此在废气再循环系统中，设置高效的废气再循环冷却器可以使汽车的尾气排放量满足严格法规的要求。

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，甚至会整个对发动机造成影响，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。

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，将直接对发动机造成破坏性的伤害。由于废气再循环冷却器分为气侧和水侧两个通道，换热管内通过高温气体，管壳内通过发动机的冷却剂，如果气侧出现泄漏，使冷却剂进入换热管内，进而使冷却器进入了排气系统，将破坏气路的正常运行，从而导致对发动机的破坏；如果冷却剂侧出现泄漏，即冷却剂通过管壳与水管的连接处泄漏到环境中，则会造成冷却剂的不断流失，最终使发动机的整个冷却系统失去作用，同样会对发动机造成极大伤害，因此，为了避免这种情况发生，必须保证冷却器整体的焊接强度和可靠性，其中保证管壳的可靠性和可加工性是一个重要方面。

目前在国内设计和生产的中重型柴油机车用废气再循环冷却器中，管壳多采用铸件，使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较困难。

发明内容

为了解决这一问题，本发明提出一种中重型柴油机车用废气再循环冷却器，该冷却器的外壳为矩形截面，管壳采用冲压件而非铸件，可以有效地利用空间，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，且具有升级换代的能力；该冷却器的管壳采用分体式设计，降低了加工难度，提高了加工精度，可以有效保证管壳的可靠性，使冷却器从性能和可靠性两方面满足发动机的要求，从而满足日益严格的排放法规的要求。

本发明的目的是这样实现的：一种中重型车用废气再循环冷却器，包括：作为主体的管壳和装在管壳上的管板和水管，所述管板上安装有流通废气的多根换热管，所述换热管的进、出口设置端部管箱，所述的管壳是焊接而成的矩形壳体，所述矩形壳体的外形长度大于2倍的宽或高。

本发明产生的有益效果是：中重型车用废气再循环冷却器矩形管壳的分体设计，相对于普遍采用的管壳整体铸造的方式，一方面可以使冷却器的整体设计更紧凑，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。冷却器管壳采用分体设计，极大地降低了较长冷却器管壳的加工难度，同时提高了加工精度；由于冷却器应用在中重型柴油机车上，一般结构较长，为了降低热胀冷缩引起的热应力，考虑在冷却器管壳端部布置膨胀节，采用分体设计，就可以在端部较短的管壳上加工膨胀节，极大地降低了加工的难度，同时可以提高加工的精度，提高管壳连接的可靠性，同时提高了冷却器整体的可靠性。冷却器即满足性能要求又满足可靠性要求，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本发明实施例二、五的中重型废气再循环冷却器；

图2本发明实施例二、五中冷却器的管板示意图；

图3本发明实施例三的中重型废气再循环冷却器；

图4本发明实施例三中冷却器的换热管示意图；

图5本发明实施例四、六、七所述中重型车用废气再循环冷却器的分解示意图；

图6本发明实施例四、六、七所述中重型车用废气再循环冷却器，管壳三体连接的连接示意图；

图7发明实施例三、四所述中重型车用废气再循环冷却器，管壳两体连接示意图；

图8本发明实施例三、四所述中重型车用废气再循环冷却器的双通道冷却器示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种中重型车用废气再循环冷却器，包括：作为主体的管壳和装在管壳上的管板和水管，所述管板上安装有流通废气的多根换热管，所述换热管的进、出口设置端部管箱，所述的管壳是焊接而成的矩形壳体，所述矩形壳体的外形长度大于2倍的宽或高。

本实施例所述管壳的形状为矩形长方体，截面是矩形，截面的宽和高比例接近1或大于1，也可以小于1，但基本保持在近似方形状态，但在长的方向上相对较长。管壳的外形尺寸的长度尺寸要长于宽或高的2倍以上，也就是本实施例所述的冷却器的总体形状是截面为矩形的长条形。

本实施例使用了金属薄板冲压制成的管壳，区别于传统中重型车用废气再循环冷却器的铸造管壳。金属薄板制造的管壳相对于铸造管壳有许多优点：制造工艺简单，生产过程污染较小，容易实现自动化生产，质量易于保证。如果采用分段的管壳设计，单个管壳的长度较短，更易于加工，且能保证质量，适于批量产品的制造。

用金属薄板冲压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；若在相同管束布置的条件下，采用冲压件管壳的管外空间较大，减少了冷却剂通过冷却器的流动阻力，对EGR(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，本实施例中管壳上膨胀节的设计有效的缓解由于热胀冷缩引起的热变形。

实施例二：

本实施例是实施例一所述冷却器的换热管的细化，是实施例一所述的换热管的改进，本实施例所述的换热管为圆形螺旋凹槽换热管。如图1和图2所示，图1为应用圆形螺旋凹槽换热管8的中重型车用废气再循环冷却器，除去了左端管箱；图2为图1冷却器中的管板7。

废气再循环冷却器的换热管8内通过高温废气，分体管壳(1、2、9)与换热管之间的区域为冷却剂通道；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。

见图2所示的管板，管板上布置有与换热管8相匹配的通孔72，通过钎焊的方式将换热管连接到管板上；而管板通过折弯的边71插入管壳1中，同样通过焊接的方式将二者紧密连接在一起。

冷却器由于采用圆形螺旋凹槽管，可以满足欧三甚至是欧四的排放标准；管壳上布置了条形凹槽从而增强冷却器的整体强度。在此基础上，不改变冷却器的外形，可以通过改变换热管的外形和管束提高换热管的效率，从而满足更高的排放要求。

实施例三：

本实施例是实施例一所述冷却器的换热管的细化，是实施例一所述换热管的改进，本实施例所述的换热管为扁状凹槽换热管，如图3、4所示。图3为应用扁状凹槽换热管10的中重型车用废气再循环冷却器，除去了左端管箱；图4为图4中冷却器中的扁状凹槽换热管10。

采用扁状凹槽管在换热性能上比采用圆形螺旋凹槽管道的效果更好；扁状截面螺旋换热管的优势在于：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，可以满足欧四以上的排放要求。

实施例四：

本实施例是实施例一所述冷却器的改进，是实施例一所述管壳的细化。所述的管壳在长度方向上一段或两段以上的管壳连接而成。

由于本实施例所述管壳的外形是截面为矩形的长条形，所以本实施例将管壳设计为多段，即管壳的在长方向上截断为多个短的管壳，各段以插接后焊接或者同时插接到矩形环后焊接的方法连接起来。这种分段制造然后连接在一起方法可以有效的解决过长管壳的制造工艺问题。

实例1

参见图5和图6，图6是用于中重型车用废气再循环冷却器，其管壳为分体式设计，由三段管壳焊接而成，图5为图6的分解视图，图5中可以清晰看到废气再循环冷却器由三体组成。废气再循环冷却器由分开的左管壳1、右管壳2、中间管壳9，水管3、水管4，换热管、管板、折流板、管箱5、管箱6组成，

其中管壳的截面形状为矩形，图1所示的冷却器的左、右管壳1、2，在端部开有提领孔11、21与水管的端部波纹31、41相互配合，水管3、4通过波纹31、41实现与管壳上的提领孔11、21装配时轻松定位的功能，采用管壳上加工提领孔的方式，使得水管3、4与管壳1、2的接触面积较大，从而可以提高水管与管壳焊接后的连接强度。

图1中左管箱5为直通设计，右管箱6为弯曲设计，采用哪种设计方法完全取决于冷却器与发动机系统的连接方式。左管箱5通过端部51插入左管壳1中连接，然后通过焊接方式进行硬连接，保证连接强度；右管箱6通过端部61插入左管壳2中连接，的连接方式与左管箱5相似。

实例2

参见图7，与实例1相似，其管壳同样为分体式设计，管壳有左管壳1和右管壳2组成，二者通过焊接方式连接在一起。根据发动机的排量和空间的不同，选择废气再循环冷却器的长度不同，冷却器长度较短时可以采用两体式设计，甚至是一体化设计，本实例中左管壳1和右管壳2通过插接的方式连接，然后通过焊接方式实施硬连接，从而保证冷却器的整体可靠性。图7所示的冷却器为单通道冷却器。

实例3

参见图8，该实例中，气体的通道分为双通道；进气端部管箱5被分成两个通道52和53，而排气端部管箱6可以是双通道，也可以是单通道的。当多气缸发动机分成两组时，采用双通道冷却器，利用发动机排气脉冲实现废气再循环功能。该实施例中，冷却器同样采用分体式设计，且分成左管壳1、右管壳2和中间管壳9三部分，管壳采用分体设计的作用与实例1相同。

管壳采用分体式设计，极大地降低了较长冷却器管壳的加工难度，同时提高了加工精度；由于冷却器的结构较长，为了降低热胀冷缩引起的热应力，考虑在冷却器管壳端部布置膨胀节，采用分体设计，就可以在端部较短的管壳上加工膨胀节，极大地降低了加工的难度，同时可以提高加工的精度，也就提高管壳连接的可靠性，同时提高了冷却器整体的可靠性。这种分体式设计可以提高生产效率，适于产品的批量生产。冷却器矩形管壳的设计，可以有效地利用管壳内空间，使管束的布置更紧凑，冷却器即满足性能要求又满足可靠性要求，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，满足日益严格的环保要求。

以上只是显示了本发明的几种典型的中重型柴油机用废气再循环冷却器分体式管壳的连接方式，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；管壳的分体结构，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，适用于批量生产用，该设计提高了冷却器的可靠性，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。

实施例五：

本实施例是实施例一、四的改进，是实施例一、四的细化，本实施例所述的管壳在管体上设置条形凹槽，如图1、3所示。在图1中由于管壳是三段型管壳，因此加强筋设置在管壳的中段。本实施例所述冷却器的管壳的中间管壳9上布置有多条凹槽93，从管壳内部形成凸肋；当管壳过长时，为了加强管壳的强度，避免管壳发生弯曲，会在管壳上冲压出与管壳长度方向平行的凹槽93；当管壳受到外力后，管壳上的凹槽起到加强筋的作用，从而提高了管壳的强度，使之不会发生变形。

如图3所示，该中冷却器的管壳是两端型管壳，冷却器的分体管壳1、2的管体上布置有与长度方向平行的凹槽13、23，从管壳的内部形成凸肋，起到加强筋的作用，从而加强了冷却器的整个强度，使冷却器更适用在中重型卡车上，因为卡车一般应用的环境比较恶劣，不仅载重大，而且运行的路面非常颠簸，因此该冷却器是适于中重型车的废气再循环冷却器。

实施例六：

6.本实施例是实施例一、四所述冷却器的管壳的改进，是实施例一、四关于管壳的细化。所述的管壳在连接的部位一端的截面宽和高小于另一端的截面宽和高。

本实施例为了将管壳连接起来设计了可以插接的部分，一端截面的宽和高较小为扩口设计或不进行加工处理，另一端截面的宽和高较大为扩口设计，较小的一端可以插入较大的一端，以便焊接。如图5、6所示，左管壳1的右端部13为扩口设计，即截面边长尺寸较大者，中间管壳9的左端部91的也为扩口设计，且扩口尺寸相对较小，即截面边长尺寸较小者，可以将左管壳插入中间管壳中，可以有效防止管壳连接时出现塌陷情况，同时保证两管壳足够大的接触面积，使得焊接的强度增加。与之类似的是，右管壳2的端部23插入中间管壳的端部92中，所起的作用和连接方式与左端的相同。

实施例七：

本实施例是实施例一所述冷却器的管壳的改进，是实施例一所述管壳的细化。所述的管壳沿宽和高方向设置连续的弧形凸起。

为解决长管壳热胀冷缩的问题，本实施例采用一种膨胀节的设施，设置在管壳上，是一个连续的弧形凸起，就是在金属薄壁的管壳上加工出一道弧形凸起的棱作为膨胀节，可以起到热胀冷缩的作用。

如图5、6所示，左、右管壳1、2上设有膨胀节12、22，该膨胀节可以有效地吸收热胀冷缩引起的变形量。由于废气再循环冷却器所应用的环境比较恶劣，换热管内流过高温的废气，管壳内流过低温的冷却剂，因此使管束和管壳之间产生不同的热膨胀量，从而引起热应力，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、管板和管壳形成一个封闭的受力流。由于各部件膨胀量不同产生的应力，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，严重时可能破坏发动机的正常运行。

尤其当废气再循环冷却器应用在中重型车上时，为了满足冷却器的换热效率，一般冷却器的长度较长，这种部件间的热膨胀量不同引起的热应力更不容忽视，因此，在本实施例的分体管壳中，左管壳1和右管壳2上都设置有膨胀节，可以有效地吸收由于管束和管壳的受热不同而导致的膨胀量不同的情况，减少了热应力的产生，防止冷却器部件的破坏。与之相同，右管壳2采用相同的设计，具有膨胀节22，所起的作用相同。

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实用新型进行了详细说明，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)

1.一种中重型车用废气再循环冷却器，包括作为主体的管壳和装在管壳上的管板和水管，所述管板上安装有流通废气的多根换热管，所述换热管的进、出口设置端部管箱，其特征在于，所述的管壳是焊接而成的矩形壳体，所述矩形壳体的外形长度大于2倍的宽或高。

2.根据权利要求1所述的冷却器，其特征在于，所述的换热管为圆形螺旋凹槽换热管。

3.根据权利要求1所述的冷却器，其特征在于，所述换热管为扁状凹槽换热管。

4.根据权利要求1所述的冷却器，其特征在于，所述的管壳在长度方向上由一段或两段以上的管壳连接而成。

5.根据权利要求1、4所述的冷却器，其特征在于，所述的管壳在管体上设置条形凹槽。

6.根据权利要求1、4所述的冷却器，其特征在于，所述的管壳在连接的部位一端的截面宽和高小于或等于另一端的截面宽和高。

7.根据权利要求1所述的冷却器，其特征在于，所述的管壳沿宽和高方向设置连续的弧形凸起。

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