柴油機(jī)EGR可靠性試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

孫澤，祝先標(biāo)，李自強(qiáng)

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

柴油機(jī)EGR可靠性試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

孫澤，祝先標(biāo)，李自強(qiáng)

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

EGR系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用，因EGR閥功能失常，常導(dǎo)致整車(chē)排放及經(jīng)濟(jì)性惡化，動(dòng)力性不足。文章通過(guò)分析不同EGR優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合整車(chē)特點(diǎn)合理設(shè)計(jì)臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán)，驗(yàn)證EGR可靠性。

EGR；柴油機(jī)；臺(tái)架試驗(yàn)；可靠性

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-187-03

引言

隨著環(huán)保和節(jié)能減排意識(shí)的加強(qiáng)，各國(guó)排放法規(guī)也日益嚴(yán)格，歐盟和美國(guó)已經(jīng)實(shí)行歐六、EPA10法規(guī)，而我國(guó)也在積極地實(shí)施更為嚴(yán)格的排放法規(guī)，為達(dá)到嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，普遍使用各種先進(jìn)和復(fù)雜的機(jī)內(nèi)機(jī)外凈化技術(shù)，其中EGR作為控制柴油機(jī)NOx排放的手段已經(jīng)被廣泛采用【1,2】，但是EGR在降低NOx排放的同時(shí)EGR系統(tǒng)也存在失效風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致EGR功能失常，將嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)排放及經(jīng)濟(jì)性，甚至導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法正常工作【3,4】。

1、EGR系統(tǒng)分析

EGR為Exhaust Gas Recirculation簡(jiǎn)稱(chēng)，EGR分為內(nèi)部EGR和外部EGR。外部EGR系統(tǒng)，利用專(zhuān)門(mén)的管道將廢氣引入進(jìn)氣歧管，使廢氣在進(jìn)入氣缸前與新鮮空氣充分混合。EGR系統(tǒng)增加EGR冷卻器，用以冷卻再循環(huán)廢氣，降低進(jìn)氣溫度，控制燃燒溫度；再循環(huán)的廢氣量通過(guò)電子裝置控制，EGR率精確。而外部EGR分為低壓EGR和高壓EGR，其中高壓EGR是目前普遍采用的設(shè)計(jì)方式，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作和性能不受過(guò)多影響，必須根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況的變化，控制廢氣再循環(huán)量。因排放要求越來(lái)越嚴(yán)，EGR在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)MAP中應(yīng)用范圍、頻率、EGR率均有所提高，而高壓EGR熱負(fù)荷大，EGR率大碳煙多，EGR變形、結(jié)焦、卡滯等失效風(fēng)險(xiǎn)也增大。

根據(jù)高壓EGR閥的位置，可分三種布置方式：熱端布置、暖端布置及冷端布置。

（1）EGR閥熱端布置：是指自排氣歧管取氣后首先進(jìn)入EGR閥，然后再進(jìn)入EGR冷卻器，由于EGR閥要承受很高的排溫，所以熱端布置的EGR閥都要增加冷卻水套，以保護(hù)EGR閥不被燒蝕。布置緊湊，便于集成式、模塊化，EGR閥無(wú)結(jié)焦風(fēng)險(xiǎn)、EGR響應(yīng)速度快，但EGR閥承受很高的排溫，可靠性有風(fēng)險(xiǎn)。

（2）EGR閥暖端布置：是指自廢氣首先進(jìn)入缸蓋中的廢氣通道，經(jīng)過(guò)缸蓋的預(yù)冷之后再進(jìn)入EGR閥的控制，EGR冷卻器（旁通管道）位于EGR閥之后。EGR閥、冷卻器及旁通管路可集成化，EGR閥結(jié)焦風(fēng)險(xiǎn)小，EGR閥承受較高排溫，受冷熱沖擊易變形。

（3）EGR閥冷端布置：是指EGR閥布置在EGR冷卻器之后，廢氣首先EGR冷卻器的冷卻，再進(jìn)入EGR閥。經(jīng)過(guò)冷卻后的廢氣溫度一般處于90℃～260℃之間， EGR閥可以承受該溫度區(qū)間，所以冷端布置的EGR閥不采取耐熱保護(hù)措施。EGR閥位于冷卻器后，可用低成本EGR閥，減少燒蝕的風(fēng)險(xiǎn)，但EGR閥有結(jié)焦風(fēng)險(xiǎn)，不利于旁通管路的布置，影響低溫啟動(dòng)/排放；需保證EGR閥閥前溫度不低于90℃，增加了冷卻器設(shè)計(jì)難度。

2、可靠性工況影響因素分析

根據(jù)高壓EGR閥布置形式和特點(diǎn)，以及市場(chǎng)常見(jiàn)類(lèi)型故障模式，進(jìn)行分析研究。影響EGR可靠性主要因素有：

（1）EGR布置形式，根據(jù)EGR布置形式優(yōu)缺點(diǎn)，確認(rèn)考核重點(diǎn)；

（2）EGR率大，通過(guò)EGR閥的氣體流量大，碳煙含量高，當(dāng)排溫高時(shí)EGR閥溫度也隨之升高；

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)FSN和HC分布特點(diǎn)，F(xiàn)SN大和HC大的排放區(qū)域，若此時(shí)EGR率較高，碳煙量增大；

（4）EGR閥前溫度分布特點(diǎn)，EGR閥前溫度高，易導(dǎo)致EGR閥變形漏氣，EGR閥前溫度過(guò)低，碳煙（尤其SOF）易附著在EGR閥上，導(dǎo)致EGR閥出現(xiàn)結(jié)焦卡滯；

（5）結(jié)合整車(chē)常用工況點(diǎn)，整車(chē)常用工況為怠速、低速低負(fù)荷、低速中負(fù)荷和中速中負(fù)荷，這些工況下，排溫低，EGR率大，EGR動(dòng)作頻繁；

因此，為充分驗(yàn)證EGR閥可靠性，需要綜合考慮EGR率，排溫，HC排放，整車(chē)常用工況點(diǎn)，來(lái)設(shè)計(jì)EGR閥考核工況。

3、EGR可靠性工況設(shè)計(jì)

本次就某款EGR閥暖端布置形式發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。根據(jù)EGR閥暖端布置優(yōu)缺點(diǎn)，EGR存在兩種失效風(fēng)險(xiǎn)，一方面EGR閥在高溫廢氣和常溫狀態(tài)下，受冷熱沖擊易變形；另一方面當(dāng)EGR閥長(zhǎng)時(shí)間在低溫區(qū)域工作，碳煙易沉積在EGR閥內(nèi)部，可能出現(xiàn)結(jié)焦或卡滯。因此針對(duì)暖端布置EGR閥，需要進(jìn)行變形試驗(yàn)和低溫結(jié)焦試驗(yàn)。本文主要針對(duì)高溫變形進(jìn)行工況設(shè)計(jì)。

整車(chē)常用工況研究，如圖1所示，統(tǒng)計(jì)常用工況路譜，分析常用車(chē)速對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩及增壓器渦輪前溫度。在車(chē)速120km/h的加速末段，扭矩最大，此時(shí)對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)工況為2970rpm@200Nm，增壓器前溫度達(dá)到540℃。怠速工況時(shí)增壓器前溫度最低在100℃以?xún)?nèi)。從120km/h降低到怠速，EGR閥受到高低溫氣體的沖擊。

圖1 整車(chē)常用工況點(diǎn)分布

圖2 EGR閥前溫度特性圖

表1 EGR高溫可靠性試驗(yàn)工況

圖3 EGR高溫可靠性試驗(yàn)工況

進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性試驗(yàn)，測(cè)量EGR閥前溫度，得到EGR工作溫度MAP圖，如圖2所示。發(fā)動(dòng)機(jī)工況為2970rpm@200Nm時(shí)，增壓器前溫度為540℃，EGR閥前實(shí)際溫度為400℃。根據(jù)統(tǒng)計(jì)該車(chē)型城市工況占70%，城郊工況30%，按照整車(chē)160000km壽命，每運(yùn)行100km（120km/h運(yùn)行50min）出現(xiàn)一次高低溫計(jì)算，循環(huán)次數(shù)近似為（160000*30%/100）=480次，考慮到DPF再生時(shí)增壓器前溫度上升，為加嚴(yán)考核，將EGR閥前溫度調(diào)到540℃，工況過(guò)渡時(shí)間為15s，惡化系數(shù)為（540-100）/（400-100）*30/15=2.93。按照怠速（EGR關(guān)閉）到最高溫度點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)試驗(yàn)，循環(huán)次數(shù)近似為480/2.93=163.8次，綜合考慮，試驗(yàn)次數(shù)設(shè)定為200次，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為200h。工況如表1和圖3所示。

4、EGR可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證

使用此工況在某款2.0L發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，首次可靠性后EGR出現(xiàn)高溫變形，對(duì)EGR閥進(jìn)行加工工藝和結(jié)構(gòu)整改后，重新進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，如圖4所示，EGR閥未變形通過(guò)此試驗(yàn)驗(yàn)證，確保成熟可靠的產(chǎn)品投入市場(chǎng)。

圖4 EGR高溫可靠性試驗(yàn)

圖5 EGR高溫可靠性試驗(yàn)工況變化圖

如圖5工況變化圖所示（截取其中20h），試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)可以確認(rèn)，試驗(yàn)過(guò)程中最高溫度控制在520～546℃之間，低溫在96～108℃之間，EGR閥受交替的高低溫沖擊，且工況易實(shí)現(xiàn)，可有效完成對(duì)EGR高溫可靠性的考核。

5、結(jié)論

根據(jù)EGR的布置形式和整車(chē)常用工況等特點(diǎn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以設(shè)計(jì)合理的EGR可靠性試驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行整改，考核EGR系統(tǒng)可靠性，有效規(guī)避后期市場(chǎng)EGR質(zhì)量問(wèn)題，同時(shí)介紹了EGR閥可靠性試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法和理念，為設(shè)計(jì)EGR系統(tǒng)試驗(yàn)方法提供一定的依據(jù)，指導(dǎo)EGR閥設(shè)計(jì)。

[1] 高亮.柴油機(jī)廢氣再循環(huán)( EGR) 技術(shù). 內(nèi)燃機(jī)與配件.2013年第9 期.

[2] 田維.EGR率控制精度對(duì)車(chē)用增壓直噴柴油機(jī)性能的影響.西華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）2011年1月.

[3] 鐘聲.EGR閥積碳故障兩例.使用與維修.輕型汽車(chē)技術(shù)2007（7/8）總239/240.

[4] 陳洪,發(fā)動(dòng)機(jī)EGR閥卡滯問(wèn)題分析研究,機(jī)電工程技術(shù).2013年第42卷06期.

Design of Reliability test method for Diesel EGR

Sun Ze, Zhu Xianbiao, Li Ziqiang
( Technical Center, Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

EGR system has been widely used. Because of EGR function abnormal, often leads to the deterioration of the vehicle emissions, economy and power performance. This paper design the bench testing cycle reasonably to verify reliability of EGR through the analysis of advantages and disadvantages of different EGR, combining with the characteristics of the vehicle.

EGR; Diesel; Bench testing; Reliability

U462.1

A

1671-7988 (2017)10-187-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.065

孫澤，(1984-)，碩士學(xué)位，工程師，就職于安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司。主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)及后處理試驗(yàn)開(kāi)發(fā)工作。