某型柴油機EGR閥異響故障分析及優(yōu)化

史文獻 黃國彧 吳士軍 張軍

摘要：本文針對某四缸直列輕型柴油機配套整車時，在長下坡路段，當柴油機點火開關關閉、排氣制動開啟時出現(xiàn)的柴油機異響問題進行系統(tǒng)分析，采用時頻分析方法，結合柴油機性能變化情況，分析兩者之間的關聯(lián)性，確定異響根源來自于EGR閥本體，最后提供了兩套EGR閥改進方案并進行了驗證，試驗表明最終改進方案效果非常明顯，達到了消除異響目的。

Abstract： In this article， abnormal noise is analyzed on a four-cylinder inline light diesel engine matched one vehicle when engine ignition is off and exhaust brake is on above long and steep downgrade sections. Analysis method， time frequency analysis， is used to analyze the relationship between engine performance parameter and abnormal noise， and the reason is ascertained that abnormal noise is from EGR valve. Finally， two improvement schemes were provided and verified. The test result showed the reduction effect of improvement scheme is very perfect， and the purpose of eliminating noise is achieved.

關鍵詞：柴油機;異響;時頻分析;EGR閥

Key words： diesel engine;abnormal noise;time frequency analysis;EGR valve

中圖分類號：TK429 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0106-03

0 ?引言

噪聲是影響人們身體健康，令人煩躁不安甚至引起疾病的那些不需要的有害聲音，由發(fā)聲體做無規(guī)則的振動引起。正常的柴油機噪聲是輕微柔和的，伴有規(guī)律性機械振動和噪聲輻射。當柴油機轉速或者負荷發(fā)生變化時，噪聲也應該表現(xiàn)為連續(xù)性、平順性的，如果出現(xiàn)明顯的令人討厭的碰撞聲、摩擦聲、氣流噪聲，即可視為異響[1，2]，在異響過程中，噪聲幅值也會表現(xiàn)明顯波動。

本文針對某輕型柴油機配套整車下長坡時，當柴油機熄火、排氣制動開啟時，駕駛員明顯感受到柴油機發(fā)出異響并伴有劇烈振動，然而排氣制動關閉后異響突然消失，針對該現(xiàn)象進行詳細分析。采用時域、頻域相結合的分析方法[3，4]，分析柴油機性能參數(shù)與異響之間的關聯(lián)性，找到了異響產(chǎn)生的根本原因為EGR閥本體結構設計不合理，無法承受巨大的制動壓力。最后制定了兩套EGR閥改進方案，并對改進結構進行了驗證，試驗效果非常良好，噪聲測試數(shù)據(jù)非常平順，主觀也感受不到任何異響，獲得客戶認可。

1 ?故障描述

接市場上客戶反饋，公司某款四缸直列輕型柴油機配套整車時，在長下坡路段，當柴油機不點火、排氣制動開關開啟時，制動蝶閥閥門處于關閉狀態(tài)，此時整車排氣管路廢氣壓力開始驟升，司機主觀感受到柴油機艙存在明顯的異響聲音，并且噪聲能量遠高于柴油機正常燃燒狀態(tài)。當關閉排氣制動蝶閥開關時，整機異響突然消失。為了徹底排查異響根源，在公司柴油機臺架試驗臺模擬整車實際狀態(tài)，進行故障復現(xiàn)。

2 ?故障分析

2.1 柴油機EGR原理

EGR是Exhaust Gas Recirculation的縮寫簡稱，全稱為廢氣再循環(huán)系統(tǒng)。它的基本原理是通過一套系統(tǒng)將一部分柴油機廢氣引入進氣管與新鮮空氣重新混合后進入氣缸內燃燒。EGR系統(tǒng)通常有內部EGR和外部EGR兩種循環(huán)方式。

內部EGR工作原理是通過擴大氣門重疊角來實現(xiàn)，即增大進氣門提前角開啟和推遲排氣門關閉或者提高排氣背壓等方法來增加缸內殘余氣體，參與下一個循環(huán)的燃燒，從而實現(xiàn)EGR閥功能，由于降低了新鮮進氣充量，并且妨礙了進氣慣性效應利用，需要犧牲一部分功率和燃油消耗，另外就是其控制和調節(jié)沒有外部EGR閥靈活，所以應用范圍較少。外部EGR工作原理是將排氣管中部分廢氣通過外部管路引入進氣管再一次參與燃燒，從而實現(xiàn)EGR功能。作用過程為：柴油機氣缸廢氣經(jīng)過排氣管，通過EGR控制閥控制進入EGR系統(tǒng)，高溫廢氣經(jīng)過EGR冷卻后，到達進氣管與新鮮空氣混合進入氣缸，本文研究對象為外部EGR系統(tǒng)。

2.2 柴油機EGR系統(tǒng)結構

柴油機EGR系統(tǒng)通常由以下幾個部分構成：EGR閥、EGR冷卻器、EGR管、單向閥、ECU控制器等。其中，ECU是整個系統(tǒng)的控制中心，它根據(jù)各傳感器傳遞過來的信號，計算廢氣回流量，實時控制EGR電磁閥開度來控制廢氣量。

外部EGR系統(tǒng)驅動方式一般分為真空驅動、電子控制式驅動以及雙回路EGR驅動。原EGR系統(tǒng)為真空驅動，利用柴油機所帶真空泵作為真空源，電子真空調節(jié)閥通過調節(jié)膜片室真空度來控制閥門動作。作用力大，可承受較高溫度，同時成本較低，缺點是反應速度慢，一般開啟時間大于600ms時，只能滿足歐三以下排放要求。

EGR閥閥芯內部存在著四種作用力：彈簧張緊力、真空膜片壓力、排氣壓力以及進氣壓力，四種作用力合力共同決定著EGR閥閥芯開度。

2.3 異響原因分析

為了從根本上排查異響根源，在柴油機普通臺架上模擬整車實際工作情況，希望能復現(xiàn)故障情形。整車排氣制動系統(tǒng)采用電動排氣蝶閥機構控制排氣管路壓力，根據(jù)客戶配套要求，最大排氣制動壓力需達到3.5bar左右。

臺架采用倒拖控制模式，開啟排氣蝶閥制動功能，當柴油機轉速設定為3000r/min時，控制制動壓力在3.5bar左右，通過主觀觀察縮小排查范圍，發(fā)現(xiàn)異響出現(xiàn)在EGR閥附近，并且可以感受到EGR閥體伴有明顯的振動惡化現(xiàn)象。進一步分析EGR閥本體噪聲和振動頻譜特征，分別在EGR閥本體布置加速度傳感器，EGR閥上方布置近場麥克風。振動傳感器為美國PCB公司三向加速度傳感器，傳感器量程為500g，靈敏度分別為X向10.05mV/g，Y向10.1mV/g，Z向10.03mV/g。聲學傳感器為丹麥GRAS公司麥克風，傳感器靈敏度為51.93mV/Pa。測試現(xiàn)場振動、噪聲傳感器布置示意圖如圖1所示。

具體測試方法如下：柴油機熱機后（冷卻液溫度不低于80℃、機油溫度不低于85℃），慢慢控制柴油機轉速勻速上升至標定轉速3000r/min，同時油門開度控制100%，運行一段時間（5min左右）待柴油機各項主要性能參數(shù)滿足主要技術規(guī)格要求后，勻速下降至最低穩(wěn)定轉速1000 r/min，通過臺架INCA變量關閉噴油器實時噴油量，同時排氣制動蝶閥開關變量改為開啟模式，臺架采用自動控制方式，控制測功機在180s時間內倒拖柴油機轉速由1000r/min均勻上升至最高空車轉速3190r/min，采集整個變化工況下各測點振動、噪聲信號數(shù)據(jù)。

圖2為柴油機升速過程中，原EGR閥近場噪聲幅值變化情況，可以看到柴油機在轉速2550～2900r/min區(qū)間出現(xiàn)明顯噪聲突變情況，在圖3近場噪聲頻譜圖中也出現(xiàn)很寬的異響頻帶，頻率覆蓋范圍在500～10000Hz之間，根據(jù)頻譜特征判斷與脈沖信號有關，進一步分析EGR閥本體振動信號，發(fā)現(xiàn)也存在類似振動幅值變化情況，在異響發(fā)生階段，EGR閥本體振動非常劇烈，最大振動速度可到3700mm/s，如圖4所示，由此判定本次柴油機異響跟EGR閥自身特性有一定關系，下一步重點分析EGR閥工作情況。

2.4 原EGR工作狀態(tài)分析

為了深入分析柴油機異響與EGR閥實際工作狀態(tài)之間的關聯(lián)性，重點監(jiān)測柴油機運行過程中與EGR閥有關的各項性能參數(shù)變化情況，具體包括：增壓器渦前壓力、EGR閥進氣端壓力、以及壓差（增壓器渦前壓力減去EGR閥進氣端壓力）等參數(shù)，找出它們之間是否存在一定的規(guī)律性，圖5為原EGR閥各氣流壓力監(jiān)測結果。

數(shù)據(jù)表明，采用原EGR閥（開啟壓力為1.6bar），柴油機轉速在2400～3000r/min區(qū)間存在明顯的進排氣壓差突變現(xiàn)象，EGR閥附近噪聲也開始出現(xiàn)明顯的驟升驟降現(xiàn)象，平順性非常不好。進一步對比發(fā)現(xiàn)，異響出現(xiàn)時EGR閥進、排氣壓差在1.6bar左右，剛好達到EGR閥開啟條件，一旦進、排氣壓差低于1.6bar左右時，噪聲幅值也同步降低。綜上所述，可以斷定本次柴油機異響由EGR閥本身結構引起，由于排氣制動壓力過大沖開EGR閥，從而引起EGR閥本體振動產(chǎn)生輻射噪聲，因此需設計合適的EGR閥結構控制氣流走向。

3 ?改進措施及驗證

針對原EGR閥開啟壓力過小，閥芯被氣流頂開時引起EGR閥體振動產(chǎn)生輻射噪聲現(xiàn)象，研發(fā)人員設計了兩套EGR閥改進方案[5]，分別為采用5.8bar的開啟壓力大彈簧剛度EGR閥以及反置式EGR閥，同時進行了相應試驗驗證。

3.1 大彈簧剛度EGR閥

為避免由于EGR閥開啟壓力偏小閥芯被排氣氣流頂開現(xiàn)象，提升了EGR閥彈簧剛度，閥芯開啟壓力由1.6bar提升到5.8bar。采用同樣的測試方法對該狀態(tài)進行近場噪聲測試，實時監(jiān)測渦前壓力、EGR進氣壓力以及進排氣壓差過程數(shù)據(jù)，在原EGR閥異響轉速區(qū)域，柴油機近場噪聲沒有發(fā)現(xiàn)原來驟升現(xiàn)象，如圖6所示。

對比原EGR閥、大彈簧剛度EGR閥兩種狀態(tài)近場噪聲測試數(shù)據(jù)，可以看出采用大彈簧剛度EGR閥結構，盡管原異響區(qū)域異響消失且噪聲數(shù)值降低，但其他工況噪聲數(shù)值都相對偏大，且噪聲平順性也比較差，跟EGR閥本身參數(shù)匹配有一定關系，該方案雖然消除噪聲驟升現(xiàn)象，但并沒有降低噪聲幅值和改善平順性，不建議采用。

3.2 反置式EGR閥

反置式EGR閥工作原理：與原EGR閥工作原理相反，由于調整了EGR閥結構改變了開啟方向，只有在壓差（增壓器渦前壓力減去EGR閥進氣端壓力）為負壓情況下，EGR閥閥芯才開始運動，從而可以從根本上完全消除閥芯由于排氣制動開啟時背壓過大被頂開的情況。同樣，對反置式EGR閥方案進行進排氣壓力以及近場噪聲測試，測試結果如圖7所示，近場噪聲colormap頻譜圖如圖8所示，可以看出，EGR近場噪聲均未出現(xiàn)突升或突降現(xiàn)象，平順性也非常好，頻譜圖也沒有發(fā)現(xiàn)異響頻帶，改善效果非常明顯，同時主觀感受也聽不到異響。

對三種EGR閥結構進行噪聲對比，如圖9所示，可以看出在整個轉速區(qū)域內，反置式EGR閥改進效果遠遠優(yōu)于大彈簧剛度EGR閥和原EGR閥，整個轉速工況噪聲曲線平順性良好、噪聲幅值較小，改善效果非常明顯，完全可以滿足設計和客戶要求，因此作為最終改進方案。

4 ?結論

柴油機異響表現(xiàn)形式多種多樣，只有通過詳細、系統(tǒng)地分析基本工作原理才能找到背后真正的原因[6，7]。針對本次異響特征，采用時頻分析方法，結合柴油機性能特性，判定本次異響根源是由于柴油機EGR閥彈簧剛度過小，當排氣制動氣流壓力過大時，EGR閥閥芯被氣流頂開從而引起EGR閥體劇烈振動，產(chǎn)生表面輻射噪聲。最后通過改進EGR閥本體結構來徹底避免EGR閥芯被排氣背壓頂開現(xiàn)象，達到了降低噪聲幅值和改善噪聲平順性，消除柴油機異響目的。

參考文獻：

[1]吳炎庭，袁衛(wèi)平.內燃機噪聲振動與控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[2]杜功煥，朱哲民，龔秀芬.聲學基礎[M].南京：南京大學出版社，2001.

[3]段敏，石晶，等.柴油機噪聲源識別的試驗方法[J].遼寧工學院學報，2003（002）：36-38.

[4]謝裕智.柴油機噪聲源識別的分析與研究[D.江蘇大學碩士學位論文，2007.

[5]仝飛.某柴油機EGR閥的結構優(yōu)化[J].合肥：山東工業(yè)技術，2018（5）：41-43.

[6]王泰晟，翁俊華，劉星.某小型發(fā)動機異響消除研究[J].裝備制造技術，2012（09）：168-169.

[7]龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動[M].北京：北京理工大學出版社，2006.