柴油機EGR冷卻器泄漏問題分析與解決

武獻兵

摘 要：某四缸柴油機在試驗過程中出現中小符合發(fā)動機冒白煙和發(fā)動機過熱報警現象，試驗機拆解后發(fā)現冷卻液缺少，EGR冷卻器存在大量積碳。通過排查分析，發(fā)現發(fā)動機EGR冷卻器冷卻效率及發(fā)動機配氣相位不合理導致發(fā)動機未充分燃燒的燃油在EGR冷卻器處積碳，積碳中含有的氯離子及硫化物造成冷卻器腐蝕泄露。提出更改發(fā)動機配氣相位，改善發(fā)動機燃燒系統(tǒng)及EGR冷卻器冷卻效率，經試驗表明，推遲配氣相位可明顯改善試驗機中低負荷燃燒及排放，降低EGR卻器冷卻效率可避開未燃燒燃油生成膠狀積碳，解決EGR冷卻器腐蝕泄露。

關鍵詞：柴油機；積碳；配氣相位；冷卻效率

中圖分類號： TK42 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）10-159-2

0 引言

柴油發(fā)動機引入EGR（Exhaust Gas Recycling）技術，降低發(fā)動機排出氣體中的氮氧化物（NOx）。由于廢氣的引入，加重柴油機積碳。因發(fā)動機積碳，EGR系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)所有零部件將出現密封不嚴、發(fā)動機啟動困難、功率下降、零部件腐蝕、性能下降，甚至功能失效。

1 問題描述

某增壓四缸柴油機在試驗過程中出現中小符合發(fā)動機冒白煙和發(fā)動機過熱報警現象，同型號其他發(fā)動機同樣出現類似問題，故障機拆解發(fā)現，發(fā)動機EGR系統(tǒng)存在大量積碳，且冷卻器冷卻管出現泄漏，連接管存在點蝕形態(tài)。如圖1、圖2所示。

EGR系統(tǒng)各零部件表面積碳能譜分析（如圖3），殘留物以S、P、K、Al的氧化物為主，含有少量的Cl。分析產生的原因：一方面殘留物主要成分為未燃燃油，初步判定發(fā)動機中低負荷工況燃燒不良，發(fā)動機未燃燒的燃油形成積碳堆積；另一方面燃油中的S元素燃燒后產生SO2和SO3及油氣中或水質引入的Cl-均具有極強的侵蝕能力。

2 問題分析排查

2.1 EGR冷卻器管路腐蝕分析

在理想燃燒條件下，柴油機燃燒產物中成分是CO2、H20、N2和O2，這些成分是無害的。但是實際燃燒過程受到柴油品質與霧化質量、燃燒室內換氣條件等因素，柴油機燃燒產物中除上述成分外，還會含有CO、HC、NOx及碳煙等有害成分。腐蝕樣品腐蝕區(qū)域做點蝕能譜分析：含有S、P、Na、K、Ca等異常元素。

2.2 配氣機構

氣門間隙和配氣相位是決定氣缸能否“排盡吸足”的關鍵因素，對柴油機動力性、經濟型和排放特性影響較大。研究表明配氣相位中以近期關閉角迪歐充氣效率的影響最大，進氣關閉角增大，發(fā)動機充氣系數增大；而排氣關閉角增大，排氣損失減小，缸內殘余飛起系數減??；排氣開啟角減小，增加了缸內的燃燒時間使缸內燃燒更加充分。

如果發(fā)動機配氣相位不合理，可導致發(fā)動機中低速進氣效果差，缸內殘余廢氣多，排氣倒流等問題；低速燃燒不充分，會造成未燃燒的燃油在排氣及EGR系統(tǒng)形成積碳。對比國外先進發(fā)動機配氣相位的設計，原機存在進氣門開啟角靠前，排氣門關閉角靠后的問題（如圖4所示）。

2.3 EGR冷卻器冷卻效率

在石油中膠質、瀝青質是很大一類物質。膠質是一種很粘稠的流體或半固體狀態(tài)的膠狀物，膠質具有很強的著色能力。膠質受熱氧化時，可以轉化為瀝青質，進而生成不溶于油的油膠質。通過對EGR系統(tǒng)管路溫度測試表明，管路溫度控制較低（65℃-90℃），容易產生膠粘度較大的膠狀積碳。

3 試驗驗證

為了改進發(fā)動機配氣相位及EGR系統(tǒng)冷卻效果，結合CAE計算分析，選取改進優(yōu)化后方案，做改善充氣效率、缸內殘余廢氣量以及排氣倒流方面分析，選取最優(yōu)方案二驗證。

3.1 配氣相位對燃燒、性能、排放的影響

與原發(fā)動機配氣相位相比，方案一和方案二的近氣開啟角減小至11°，但對于增壓柴油機（發(fā)動機燃燒始終處于富氧燃燒）影響不大；進氣關閉角增大到61°，根據前文分析影響充氣效率的主要因素是進氣關閉角，進氣關閉角增大可提高發(fā)動機充氣系數，較原機相比，方案一和方案二的排氣關閉角有所增大。研究表明，排氣關閉角增大，會減少排氣損失，使缸內殘余廢氣量減少；此外，減小排氣開啟角，燃氣在缸內停留時間增加，可燃混合氣體燃燒時間延長，燃燒更加充分。

3.2 EGR冷卻器對廢氣溫度的影響

發(fā)動機高溫廢氣不加以冷卻，直接回流將加熱進氣，導致缸內燃燒溫度和壓力的大幅度升高，抵消了EGR降低NOX的作用；但廢氣過量冷卻，將導致廢氣出現積碳等問題。經研究試驗表明，同型號冷卻器采用24根管、12節(jié)距波紋冷卻管，可控制EGR廢氣在120°-180°度之內（如圖5所示） ，達到控制排放的平衡點。

3.3 試驗驗證

按照優(yōu)化方案二試制加工凸輪軸搭配優(yōu)化后EGR系統(tǒng)，經外特性試驗驗證，發(fā)動機與原機功率、扭矩相當，中低速煙度稍有下降。

經200H冷熱沖擊試驗后拆解確認（如圖6所示），發(fā)動機EGR系統(tǒng)積碳有明顯改善，不存在點蝕問題。說明優(yōu)化配氣相位及改善EGR冷卻效率對改善發(fā)動機燃燒及積碳問題有明顯的作用，驗證了優(yōu)化措施的有效性。

4 結論

通過優(yōu)化發(fā)動機配氣相位、改善EGR系統(tǒng)冷卻效率，改善了發(fā)動機燃燒不良及EGR冷卻器點蝕問題，研究表明，發(fā)動機配氣相位優(yōu)化（改善燃燒不良）及EGR系統(tǒng)冷卻效率改善（理想狀態(tài)把廢氣溫度控制在120℃-180℃之內）對發(fā)動機積碳及排氣、EGR系統(tǒng)零部件腐蝕問題，有著非常重要的意義。

參 考 文 獻

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