柴油机废气再循环egr冷却器cad∕cfd设计

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1、柴油机废气再循环EGR冷却器CAD∕CFD设计摘要:关键词:I.引言随着国家经济建设的快速发展，汽车的使用越来越普及，对汽车的排放标准的要求也越来越高，为保护环境和节约能源，世界各国相继制定和实施了越来越严格的柴油机排放标准。我国在2000年等效实施了欧Ⅰ排放标准，2003年9月等效实施了欧Ⅱ排放标准，在2007年和2010年分别实施与欧Ⅲ、欧Ⅳ等效的国家第Ⅲ,Ⅳ阶段机动车排放标准。满足我国排放的技术路线，统称为EGR技术路线。冷却EGR技术是将发动机燃烧后的一部分废气经过冷却后再次引入发动机气缸与新鲜空气混合

2、继续参与燃烧，可以提高混合气的热容量、降低混合气中O2的浓度和降低燃烧速度，从而达到减少柴油机NOx排放的目的。其中EGR冷却器是EGR系统的关键核心部件，由于体积的限制，要求冷却器在较小的换热面积下能够实现大的热量传递。因此，设计和制造重量轻、体积小、散热效率高、价格低的EGR冷却器是直接实施EGR技术的重要前提。虽然，国内的一些学者和科研单位也己经对EGR技术作了大量研究工作，并且EGR技术的发展已经有了一整套的开发设计方法，但距产品化尚有一定距离。并且对于轿车用柴油机EGR技术的设计研究，目前国内却没有很

3、多现成的设计方案可供参考。一方面，国内汽车生产企业资金的缺乏，技术意识的落后，使得国际上已有所发展的现代设计方法并没有得到很好的应用；一方面，国内汽车生产企业致力于汽车主要零部件的技术革新，没有足够重视轿车用柴油机EGR系统的EGR冷却器的设计研究。从而使国内轿车用柴油机EGR冷却器的设计手段滞后，轿车用柴油机EGR冷却器的设计理论还不够完善。本文通过某型轿车用柴油机EGR冷却器的设计与分析来讨论CAD/CFD技术在柴油机EGR冷却器设计中的应用研究。I.EGR冷却器的CAD设计与CFD辅助分析以法国达索公司的

4、软件CATIAV5进行EGR冷却器的三维实体设计,然后将零件组装成EGR冷却器总成。在设计过程中，通过CATIAV5的强大功能来对EGR冷却器采用参数化的实体造型零部件结构设计,经消隐及着色等处理后显示物体的真实形状,进行装配及运动仿真,以便观察有无干涉,便于修改设计的错误。用三维建模软件CATIA建立并简化EGR冷却器的三维几何模型，根据所研究的EGR冷却器的特点，建立了冷却水通道模型，并将其导入到FLUENT的前处理软件GAMBIT中建立EGR冷却器的仿真模型。边界条件按照EGR冷却器实际工况进行设定后，计

5、算研究了内部冷却水通道的速度场和温度场分布规律。反复修改流场模型直到满足最佳的流动阻力和流动均匀性。水侧进水口管件和冷却水道的CAD造型将根据上述匹配计算与内部流场计算的结果确定。经过上述CAD/CFD设计修改后，可以得到直接加工的CAD零件模型，利用快速原型制造、模具生成等方法进行加工。最后到试验台进行试验验证，并进一步对结构调整改进，直到满足性能的设计要求和明显提高冷却器的冷却效率。从三维模型、零件CAI)模型到零件加工和试验验证都不是相互孤立的，各个步骤之间有着密切的联系。图1为结合CAD与CFD对EGR

6、冷却器进行设计的流程图。图1CAD与CFD对EGR冷却器进行设计的流程图I.基于CATIA的轿车用柴油机EGR冷却器三维设计EGR冷却器是EGR技术的关键部件，它主要由芯子、外壳及连接水管、安装法兰等组成，如图2。图2EGR冷却器零件图A.轿车用柴油机EGR冷却器的虚拟装配利用法国达索公司的软件CATIAV5可进行EGR冷却器零件的三维实体设计，然后将零件组装成EGR冷却器总成。在设计过程中，通过CATIAV5的强大功能，在虚拟装配环境中，装配模型所包含的信息是随着产品装配工艺规划进程不断完善的。零部件模型又包

7、含了装配所需零部件的基本信息（形状、尺寸、位姿、材料、名称等）。零部件在装配过程中并不是简单地被复制到装配中，整个装配部件保持关联的一致性，只要编辑或修改整个零部件的几何参数，则引用它的装配模型自动更新相应的参数，实时跟踪反映零部件的最新变化。以保证后续的“虚拟”装配规划。图3为EGR冷却器零部件装配顺序和路径，同时还需考虑各零件模型之间约束关系。建立装配约束可以快速定义模型的约束状态，解决零件模型之间无约束的问题。图4为基于装配顺序、路径和装配约束的EGR冷却器零部件装配模型图。图3轿车用柴油机EGR冷却器部

8、件装配顺序和路径图4基于装配顺序、路径和装配约束的轿车用柴油机EGR冷却器部件装配模型图A.装配过程的干涉检验装配过程的干涉检验是“虚拟”装配设计成功的保障。装配干涉检验要先选定检验范围，在选定了干涉检验范围后，可以准确地检验出所选零部件之间是否存在干涉现象。轿车用柴油机废气再循环EGR系统的虚拟装配过程也出现了静态和动态干涉现象，经分析属于设计问题，修改设计后干涉现象消失。图5为最终