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换热器在摩托车催化器性能台架中的应用点击：1713 日期：[ 2014-04-26 22:00:12 ] |
| 换热器在摩托车催化器性能台架中的应用 唐娟 程勇 吴波 纪少波 （山东大学能源与动力工程学院 济南２５００６１） 摘要：为满足摩托车催化器性能考核台架对催化器入口温度控制的要求，设计了冷轧翅片管和单程管壳式两种换热器，并分析对比了这两种换热器的优缺点，根据对温度控制的要求和试验台架的空间布置特点，选定冷轧翅片管换热器控制催化器入口温度，试验结果表明该换热器能够连续调节催化器入口温度，控制温度波动在±２°犆之间，可以满足试验要求。关键词：内燃机；摩托车；换热器；催化转化器 中图分类号：TK４０７ 文献标识码：A ０ 概述 随着排放法规日趋严格，采用催化转化器来降低摩托车排放污染成为必然趋势。摩托车催化器性能台架评价能够方便地评估催化器的性能，特别是能够用数十小时的模拟老化试验代替几万公里的道路试验，为整车匹配评价提供参考依据，因而成为低成本高效的开发手段［１］。摩托车催化性能考核试验中，起燃特性、温度特性需要对催化器的入口温度进行连续稳定的调节，而空燃比特性和空速特性需要控制入口温度在某一范围，因此，设计良好的换热器以连续调节入口温度在催化转化器性能考核试验中非常重要。 本文针对催化器性能台架对换热器的特殊要求，对冷轧翅片管和单程管壳式换热器进行了计算分析，讨论了两种换热器的优缺点及其对试验台架布置的适用性。 １ 催化器入口温度调节方案 利用换热器对催化器入口温度调节，有两种方案可供选择，如图１所示。 （１）在排气管路换热器入口处安装一个旁通阀，调节换热器冷却的排气量，冷却后的排气再与剩余排气混合，达到调节催化器入口温度的目的，如图１犪所示。 （２）排气全部进入换热器，通过调节冷却介质的流量来改变换热量，以达到改变催化器入口温度的目的，如图１犫所示。 ２.换热器设计和比较 通过调节进入换热器的排气量来控制催化器入口温度，可以采用风冷或水冷方式，但相比之下，水冷换热效果更好，降温快，调节灵敏度高，在相同换热量下可以采用较小的换热面积。考虑到水冷侧换热系数大，排气侧换热系数小，根据换热匹配原理，需要加大排气侧的换热面积，因此，设计了翅片管换热器。 通过调节冷却介质的流量调节入口温度，如果采用水冷方式，由于水侧换热系数远大于排气侧换热系数，改变水流量对总换热量影响不大，即温度调节反应不灵敏。而空气和排气与管壁换热系数相当，冷却风量的改变可改变换热量，进而调节排气出口温度，因此这种方案更适合采用风冷。考虑到换热匹配，排气侧和风侧的换热面积也应相当，设计了单程管壳式换热器。 试验表明，发动机排气温度约为８００°C，根据催化器性能试验要求，设计的催化器入口温度调节范围为２００°C～６００°C，为了保证最大换热量，设计时，换热器排气出口温度为１６０°C，入口温度为８００°C。 采用水冷时，冷却水入口温度假定为２５°C。采用风冷设计时，假定环境温度为３０°C，即冷却风入口温度为３０°C，风机最大流量０．７５Kg／s。发动机排量为１２５ml，充量系数为０．８，设计转速６０００r／min。设计中采用对数平均温差法［２］，设计的两种换热器的结构参数如表１、表２所示。 冷轧翅片管式换热器，内光管材料为铜，外部翅片采用铝，为叉排布置方式，横向间距为２８mm，纵向间距为１９mm；冷却水走管程，排气走壳程，这样可以提高排气侧的换热面积。该换热器结构紧凑，比较适合小型试验台的布置。单程管壳式换热器采用耐酸钢管，冷却空气走管程，排气走壳程，在壳程中加入挡板使流体横向掠过冷却管，以提高换热效果。但是，该换热器总长达８５０mm，尺寸太大，对于小型的试验台，安装不方便。 对于风冷方案，采用改变冷却风量达到调节换热量的目的，采用的变频风机变化歩长为０．３HZ，经过计算，变化一个歩长的流量，温度可调节３．５°C左右，即温度波动范围不低于±３．５°C；对于水冷，通过调节阀门改变进入换热器的排气流量，只要阀门调节歩长合适，温度波动范围可能会略优于±３．５°C，但是由于水冷侧换热系数大，可能会出现超调。 受试验台空间的限制，在相同换热量下换热器结构应尽量紧凑，由计算结果可以看出，管壳式换热器比翅片管换热器结构庞大，还需要配变频风机。基于以上两点，选择冷轧翅片管式换热器作为温度调节的装置。 ３ 试验结果 对所设计的换热器，在试验台架上进行了试验验证，试验装置及测点布置如图４所示，温度测量采用犓系列镍铬镍硅热电偶。保持发动机节气门开度５０％、过量空气系数λ为１，在发动机转速为５０００r／min狀时，分两次测量了催化器转化率随催化器入口温度的变化。载体的入口温度从２００°C调整到６００°C。两次试验结果见表３。可以看出，试验中温度可从２００°C以５０°C的步长调节到６００°C，达到了试验要求的换热量，除了４００°C的一个测点外，其余每个温度调节点的绝对误差均能控制在±２°C范围内，控制比较稳定，相对误差最大为１％，重复性也较好。通过两次试验比较，可以认为此４００°C测点为粗大误差。通过以上试验数据可以看出，该换热器可实现对催化器入口温度的连续调节，满足催化器温度特性、起燃特性评价的试验要求。 ４ 结论 （１）对摩托车催化器性能评价试验台，冷轧翅片管式换热器比单程管壳式换热器更适于用来控制催化器入口温度。 （２）当排气温度在７９０°C范围内，该换热器排气出口温度能在２００°C～６００°C范围内连续调节，温度控制误差可控制在±２°C左右。 （３）所设计的换热器能够满足催化器起燃特性和温度特性等评价试验要求。 参考文献： ［１］ 程 勇，吴 波，刘忠民．摩托车催化器性能及快速老化台架评价试验研究［J］．内燃机学报，２００２，２０（３）：２４３２４６． ［２］ 杨世铭，陶文铨．传热学［M］．北京：高等教育出版社，１９９８．（编辑：孔毅） |
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