柴油機(jī)電控EGR可靠性試驗(yàn)方法研究

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司,合肥 230601）

0 引言

國六排放標(biāo)準(zhǔn)《GB 17691—2018重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》新增排放質(zhì)保期規(guī)定，與發(fā)動機(jī)排放相關(guān)零部件，在質(zhì)保期內(nèi)該零部件排放系統(tǒng)失效或排放超標(biāo)，制造商要承擔(dān)相應(yīng)的責(zé)任，如N2類車輛排放質(zhì)保期必須滿足5年16萬公里[1]。

電控EGR為國六柴油機(jī)標(biāo)配零部件，需滿足法規(guī)質(zhì)保期規(guī)定，作為降低NOx排放的有效措施之一，廢氣再循環(huán)技術(shù)的應(yīng)用日趨廣泛，由于其工作環(huán)境原因，其市場故障率較傳統(tǒng)零部件故障率明顯偏高。如何確認(rèn)產(chǎn)品開發(fā)階段EGR系統(tǒng)標(biāo)定策略合理性，即在保證排放達(dá)標(biāo)同時能否保證在質(zhì)保期內(nèi)可靠性是本文研究的重點(diǎn)。

1 柴油機(jī)電控EGR系統(tǒng)分析

圖1 電控EGR閥工作原理圖

電控EGR系統(tǒng)由ECU、步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行器、帶回復(fù)彈簧的EGR閥以及各種傳感器等組成，如圖1所示。新產(chǎn)品開發(fā)標(biāo)定階段，綜合排放結(jié)果、冷啟動等多方因素得到各工況下的EGR閥位置MAP圖存入ECU。在發(fā)動機(jī)運(yùn)行時，由ECU根據(jù)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷基本信號及溫度等修正信號計(jì)算出符合當(dāng)時工況所對應(yīng)的EGR閥位置，再換算成對應(yīng)于步進(jìn)電機(jī)的控制脈沖數(shù)，控制脈沖經(jīng)功率放大后驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，以精確控制EGR閥的位置。EGR閥的實(shí)際位置由安裝在其上的位置傳感器反饋給ECU，用于修正控制值和位置監(jiān)控[2]。

1.1 電控EGR布置分類

根據(jù)EGR閥的安裝位置，柴油機(jī)電控EGR可分三種布置方式：熱端布置、暖端布置及冷端布置。

1.1.1 EGR閥熱端布置

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閥要增加冷卻水套，保護(hù)EGR閥不被燒蝕。優(yōu)點(diǎn)是布置緊湊、無結(jié)焦風(fēng)險、響應(yīng)快；缺點(diǎn)是EGR閥承受很高排溫，可靠性風(fēng)險低。由于國六柴油機(jī)排溫升高、EGR閥在外特性區(qū)域也會開啟，此種結(jié)構(gòu)基本在國六機(jī)型中不再應(yīng)用。

1.1.2 EGR閥冷端布置

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。優(yōu)點(diǎn)是成本低，無燒蝕風(fēng)險，缺點(diǎn)是易結(jié)焦，影響低溫冷啟動排放。

1.1.3 EGR閥暖端布置

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。為國六柴油機(jī)主流布置方式，兼顧熱段和冷段布置優(yōu)點(diǎn)，本文重點(diǎn)對暖端布置EGR系統(tǒng)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)研究[3]。

2 電控EGR市場故障分析

本文統(tǒng)計(jì)了兩款已上市柴油機(jī)產(chǎn)品電控EGR市場故障信息，EGR均為暖端布置方式，共收集市場故障信息1 567條（如表1所示）。對市場故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析表明EGR系統(tǒng)故障表現(xiàn)主要為EGR閥卡滯和位置偏差超限值，EGR閥本身機(jī)械故障導(dǎo)致的故障報碼，和EGR標(biāo)定策略有很強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。

表1 柴油機(jī)EGR市場故障統(tǒng)計(jì)

2.1 典型故障原因分析

EGR為整車OBD監(jiān)控零部件之一，法規(guī)要求必須對排放結(jié)果產(chǎn)生影響的故障均需以亮故障燈的形式進(jìn)行顯示并存儲相應(yīng)的故障碼，讓車主第一時間發(fā)現(xiàn)故障并進(jìn)行維修。如前文所述引起報碼故障主要為EGR閥卡滯和位置偏差超限值，EGR閥本身機(jī)械故障等。對上述故障，結(jié)合EGR工作環(huán)境、工作原理和標(biāo)定策略進(jìn)行分析，分析導(dǎo)致問題產(chǎn)生所有原因，在新產(chǎn)品開發(fā)階段，進(jìn)行確認(rèn)和規(guī)避，如表2所示。由于EGR卡滯為主要故障占比為41.2%，下文重點(diǎn)對電控EGR閥卡滯問題進(jìn)行詳細(xì)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證方案的研究[4]。

表2 EGR市場故障原因分析

2.2 EGR閥卡滯分析

所謂卡滯就是閥門與閥座之間產(chǎn)生的積碳改變了樞軸的位置，造成了樞軸位置傳感器電阻值的變化，EGR閥無法達(dá)到MAP需求開度位置。EGR閥卡滯的主要原因是EGR閥堆積物過多，發(fā)動機(jī)的堆積物主要是由于高濃度的煙度、未燃的HC、排氣溫度過低三種原因造成。

對495例EGR閥卡滯故障進(jìn)行里程分布分析，如圖2所示，其故障發(fā)生里程多集中在2萬公里到10萬公里，表明EGR卡滯故障并不是初期故障，而是行駛一定時間后才發(fā)生。同時也表明此兩款發(fā)動機(jī)的EGR無法滿足質(zhì)保期規(guī)定，若依據(jù)國六排放法規(guī)，主機(jī)廠需要支付高額的費(fèi)用用于EGR故障解決，主機(jī)廠需要優(yōu)化EGR系統(tǒng)標(biāo)定策略或結(jié)構(gòu)，降低EGR閥積碳卡滯的風(fēng)險。

圖2 EGR閥卡滯故障發(fā)生里程分布

3 EGR閥卡滯耐久試驗(yàn)工況研究

本次就某款EGR系統(tǒng)暖端布置的3.0LCTI國6b柴油機(jī)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)研究，發(fā)動機(jī)參數(shù)如表3，根據(jù)上述分析暖端布置EGR閥故障模式，以EGR閥卡滯居多，EGR閥卡滯主要原因?yàn)镋GR閥長時間在低溫區(qū)域工作，廢氣碳煙顆粒易沉積在EGR閥內(nèi)部，隨著時間增長，可能出現(xiàn)結(jié)焦和卡滯。本文主要針對EGR閥積碳卡滯問題進(jìn)行試驗(yàn)研究，旨在尋求能夠模擬整車實(shí)際使用工況下EGR閥卡滯加速驗(yàn)證試驗(yàn)工況。

表3 某柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

影響EGR閥和冷卻器積碳結(jié)焦主要因素為煙顆大小和進(jìn)入EGR閥廢氣溫度。煙度越大EGR閥及其冷卻器也越容易積碳，廢氣溫度受發(fā)動機(jī)冷卻液溫度影響，冷卻液溫度越低越容易積碳結(jié)焦。因此試驗(yàn)工況冷卻液溫度設(shè)定綜合考慮冬季低溫環(huán)境影響，最優(yōu)方案為以整車冬季標(biāo)定路普采集水溫為準(zhǔn)。

3.1 試驗(yàn)工況制定

煙度工況選擇兼顧整車實(shí)際使用工況，可以參照重型車國六排放法規(guī)規(guī)定穩(wěn)態(tài)WHSC和瞬態(tài)WHTC工況。

整個試驗(yàn)驗(yàn)證工況分兩階段：穩(wěn)態(tài)工況+瞬態(tài)工況。

（1）第一階段采用穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)工況，模擬發(fā)動機(jī)在低溫環(huán)境下連續(xù)在煙度較大工況點(diǎn)運(yùn)行，驗(yàn)證EGR閥和冷卻器積碳結(jié)焦情況。為真實(shí)模擬實(shí)際使用工況，不同轉(zhuǎn)速下煙度較大工況點(diǎn)，同時增加停機(jī)工況確保EGR閥可以實(shí)現(xiàn)斷電自清潔和自學(xué)習(xí)功能。持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一定時間后，需要設(shè)置長時間停機(jī)工況，確保積碳有充足時間冷凝至EGR閥和冷卻器中。

試驗(yàn)前需要對充分磨合發(fā)動機(jī)進(jìn)行萬有特性裸排煙度進(jìn)行測試，并同步幾率EGR閥開度。發(fā)動機(jī)冷卻液出口溫度設(shè)定，建議參照冬季標(biāo)定整車實(shí)際采集的路普數(shù)據(jù)。

根據(jù)發(fā)動機(jī)初始煙度MAP，從低到高依次選擇1 000 rpm、

1 200 rpm、1 400 rpm、1 500 rpm、1 600 rpm和1 800 rpm轉(zhuǎn)速下煙度最大點(diǎn)。發(fā)動機(jī)出水溫度參照整車冬季標(biāo)定路普采集出水溫度，出水溫度設(shè)定在65±2℃。具體試驗(yàn)循環(huán)工況如圖3所示，試驗(yàn)中每個小循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)30 min，每個小循環(huán)停機(jī)3次用于EGR閥自學(xué)習(xí)和清潔。

圖3 EGR閥卡滯穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)工況

（2）第二階段采用WHTC瞬態(tài)排放測試工況，模擬整車實(shí)際排放循環(huán)EGR不停動作下閥工作可靠性，發(fā)動機(jī)出水溫度參照整車冬季標(biāo)定路普采集出水溫度，出水溫度65±2℃。

圖4 EGR閥卡滯穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)工況

總的試驗(yàn)驗(yàn)證工況如表4所示，穩(wěn)態(tài)工況+瞬態(tài)工況定義為1個小循環(huán)，時間為1 h，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)20個小循環(huán)后，停機(jī)4 h，模擬實(shí)際使用中停機(jī)冷凝積碳工況。重復(fù)此大循環(huán)30次，累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)小循環(huán)600次，每個小循環(huán)4次起停，共計(jì)起停2 400次，運(yùn)轉(zhuǎn)時間600 h。鑒于此款發(fā)動機(jī)匹配輕卡，主要用途為載貨，基于市場實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，定義每一個停機(jī)起動循環(huán)為70 km。600 h等效整車實(shí)際里程為16.8萬公里。

表4 EGR閥卡滯可靠性試驗(yàn)循環(huán)

4 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果分析

按照上述試驗(yàn)驗(yàn)證工況，選取1臺3.0LCTI柴油機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)動機(jī)完成600小時EGR卡滯可靠性試驗(yàn)，具體驗(yàn)證結(jié)果如下。

排放：試驗(yàn)前后樣機(jī)排放測試結(jié)果如下表，原排滿足工程目標(biāo)要求，尾排滿足國六排放法規(guī)要求，試驗(yàn)前后原排、尾排基本無劣化。

表5 可靠性試驗(yàn)前后排放測試結(jié)果對比

EGR閥：試驗(yàn)前后實(shí)際新鮮進(jìn)氣量基本一致，見圖5。試驗(yàn)過程EGR閥動作正常無卡滯，無卡滯報錯故障。自學(xué)習(xí)偏差在標(biāo)定偏差范圍內(nèi)，無自學(xué)習(xí)報錯故障，見圖6。閥片積碳正常，無變形，閥座有少量干燥積碳，未發(fā)現(xiàn)有潮濕結(jié)焦積碳存在，見圖7。

圖5 試驗(yàn)前后WHSC循環(huán)新鮮進(jìn)氣量變化曲線圖

圖6 試驗(yàn)過程中自學(xué)習(xí)偏差變化曲線

EGR冷卻器：試驗(yàn)前后冷卻器前后溫差差異較小，冷卻能力無劣化。EGR冷卻器內(nèi)為干積碳，積碳量少，沒有結(jié)焦堵塞冷卻器孔風(fēng)險。

圖7 耐久試驗(yàn)后EGR閥及冷卻器積碳

5 結(jié)論

結(jié)合市場故障信息，發(fā)現(xiàn)EGR系統(tǒng)故障失效模式，同時結(jié)合國六排放法規(guī)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)階段，設(shè)計(jì)合理的試驗(yàn)驗(yàn)證工況，對EGR系統(tǒng)可靠性進(jìn)行充分驗(yàn)證，提前識別設(shè)計(jì)和標(biāo)定風(fēng)險，確保排放相關(guān)零部件在質(zhì)保期內(nèi)可靠性，可以有效降低后期主機(jī)廠市場維護(hù)成本。對于其它排放質(zhì)保件可以同樣參照此論文試驗(yàn)工況研究流程，結(jié)合市場故障，進(jìn)行可靠性試驗(yàn)研究。