燃?xì)廛噺U氣再循環(huán)寒區(qū)潛在失效淺析

袁志宏，康孝峰，馬 佳

（陜西重型汽車有限公司 汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

關(guān)鍵字：燃?xì)廛嚕粡U氣再循環(huán)系統(tǒng)；發(fā)動(dòng)機(jī)；潛在失效

天然氣以其燃燒清潔度高、儲(chǔ)量大、成本低等優(yōu)勢(shì)一直受到國內(nèi)外汽車行業(yè)的廣泛關(guān)注，是內(nèi)燃機(jī)替代燃料的首選。與相同功率的石油基燃料車輛相比，天然氣車輛在 HC排放物方面可以減少90%，CO排放物方面可減少15%，NOx排放物方面可下降約 40%，并且尾氣中沒有含鉛物質(zhì)，在節(jié)能減排方面的優(yōu)勢(shì)不言而喻。大力推廣天然氣車輛對(duì)于減少城市污染、改善空氣質(zhì)量、打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義?！赌茉窗l(fā)展“十三五”規(guī)劃》中指出，到2020年，天然氣在一次能源消費(fèi)占比達(dá)到 10%，2030年將達(dá)到15%。而根據(jù)發(fā)改委的預(yù)測(cè)判斷，2025年天然氣供給能力已接近能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃中2030年天然氣消費(fèi)需求總量目標(biāo)，超前完成天然氣供給能力建設(shè)，預(yù)計(jì)天然氣作為國內(nèi)一次能源消費(fèi)占比將加速發(fā)展。天然氣重型商用車替代率在2019年首次超過天然氣在一次能源消費(fèi)占比，2020年已接近到 11%，超過 13.5萬輛，在 2030年前天然氣重型商用車替代率將會(huì)持續(xù)攀升。隨著天然氣重型商用車保有量持續(xù)增長以及國六排放升級(jí)，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性將會(huì)成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

國六階段天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用三元催化轉(zhuǎn)化器（Three Way Catalytic Converter, TWC）和理論空燃比相結(jié)合的技術(shù)路線。與國五階段稀薄燃燒相比，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用理論空燃比燃燒技術(shù)路線后，缸內(nèi)熱負(fù)荷和爆震顯著增加，燃?xì)庀牧恳渤霈F(xiàn)明顯增加。為改善天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷和爆震，提高燃?xì)饨?jīng)濟(jì)性，降低NOx排放，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)引入了廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（Exhaust Gas Recirculation, EGR）。

天然氣主要成分是甲烷（CH），燃燒后發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中水分含量較高，引入廢氣再循環(huán)系統(tǒng)后，部分廢氣經(jīng)EGR冷卻器冷卻后進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)，與新鮮空氣和燃?xì)饣旌虾笾匦逻M(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒。進(jìn)行整車潛在失效模式分析（Design Failure Mode and Effects Analysis, DFEMA），分析時(shí)，識(shí)別當(dāng)環(huán)境溫度低于－30℃時(shí)，EGR閥、燃?xì)饣旌掀?、?jié)氣門等部位可能出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，導(dǎo)致整車出現(xiàn)啟動(dòng)困難、加速無力等故障，本文就天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)引入廢氣再循環(huán)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的結(jié)冰現(xiàn)象進(jìn)行研究分析和驗(yàn)證。

1 廢氣再循環(huán)系統(tǒng)

廢氣再循環(huán)系統(tǒng)是通過將發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒做功后的部分廢氣，經(jīng)過管路和散熱器降溫以后，再通過EGR閥門進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)，與新鮮空氣和燃?xì)饣旌虾笾匦逻M(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)再燃燒的技術(shù)，具體工作原理如圖1所示。天然氣在缸內(nèi)燃燒后，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的主要成分是CO、HO 和N等氣體，由于這些氣體比熱容較高且不參與發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒，在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒工作時(shí)不僅能吸收大量的熱量，同時(shí)有助于發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的燃?xì)饣旌?，降低氧濃度，改變利于NOx大量生成的高溫富氧環(huán)境，有效控制NOx的生成。因此，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)使用EGR 系統(tǒng)是降低NOx排放的有效技術(shù)路線，對(duì)改善發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放有積極作用。

圖1 EGR系統(tǒng)工作原理

提高EGR系統(tǒng)廢氣再循環(huán)率會(huì)使總的廢氣流量（Mass Flow, MF）減少，因此廢氣排放中總的污染物輸出量將會(huì)相對(duì)減少。EGR系統(tǒng)的任務(wù)就是使廢氣的再循環(huán)量在每一個(gè)工作點(diǎn)都達(dá)到最佳狀況，從而使燃燒過程始終處于最理想的情況，最終保證排放物中的污染成分最低。由于廢氣再循環(huán)量的改變會(huì)對(duì)不同的污染成分可能產(chǎn)生截然相反的影響，因此所謂的最佳狀況往往是一種折衷的，使相關(guān)污染物總的排放達(dá)到最佳的方案。盡管提高廢氣再循環(huán)率對(duì)減少氮氧化物（NOx）的排放有積極的影響, 但這也會(huì)對(duì)顆粒物和其他污染成分的增加產(chǎn)生消極的影響。整車運(yùn)行工況復(fù)雜，并不是所有工況都需要EGR系統(tǒng)介入，像冷機(jī)、怠速、低速小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，燃燒室內(nèi)燃燒溫度本就不高，沒有必要引入廢氣；高速大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，特別是全開油門時(shí)，需要發(fā)動(dòng)機(jī)盡最大可能輸出動(dòng)力，也不能引入廢氣，引入廢氣，進(jìn)入的新鮮空氣少了，燃燒速度變慢，會(huì)使油氣耗增加，整車動(dòng)力下降。

2 廢氣再循環(huán)系統(tǒng)結(jié)冰分析

天然氣國六排放切換時(shí)，基于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)路線變化，識(shí)別國五與國六發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)狀態(tài)差異。掌握發(fā)動(dòng)機(jī)變化后開展整車潛在失效模式分析DFEMA，在柴油車應(yīng)用廢氣再循環(huán)系統(tǒng)時(shí)，采用進(jìn)氣電加熱方案有效提升進(jìn)氣溫度，但由于天然氣車型是燃?xì)馀c新鮮空氣預(yù)混合，對(duì)混合氣進(jìn)行電加熱存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)，故未進(jìn)行混合氣加熱，進(jìn)氣溫度經(jīng)過進(jìn)氣中冷后較環(huán)境溫度僅提升約10 ℃～15 ℃。但天然氣燃燒后發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中水分含量較高，當(dāng)環(huán)境溫度低于－30 ℃時(shí)，廢氣經(jīng)過管路、EGR閥、燃?xì)饣旌掀鳌⒐?jié)氣門等部位可能出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，低溫廢氣與新鮮空氣、低溫燃?xì)饣旌虾蟾仔纬衫淠?，長時(shí)間會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰，導(dǎo)致整車起動(dòng)困難，加速無力等故障。EGR閥、燃?xì)饣旌掀?、?jié)氣門在發(fā)動(dòng)機(jī)中結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 某發(fā)動(dòng)機(jī)EGR閥、節(jié)氣門和混合器布置

2.1 EGR閥結(jié)冰

天然氣主要成分是 CH，燃燒后發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中水分含量較高，發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間怠速運(yùn)行時(shí)增壓器不介入工作， EGR閥處于關(guān)閉狀態(tài)；排氣溫度較低，EGR管管壁溫度與環(huán)境溫度相同，EGR管內(nèi)廢氣遇冷形成冷凝水；EGR管設(shè)計(jì)時(shí)存在一定向EGR閥側(cè)傾斜，設(shè)計(jì)目標(biāo)是將排氣中冷凝水借助重力流向燃?xì)饣旌掀鳎匦逻M(jìn)入燃燒循環(huán)排出，避免長時(shí)間停車積水引起停車結(jié)冰和管路生銹。當(dāng)環(huán)境溫度低于－30℃時(shí)，車輛長時(shí)間處于怠速運(yùn)行，EGR閥處于關(guān)閉狀態(tài)，冷凝水聚集到EGR閥膜片處，EGR管壁會(huì)發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，出現(xiàn)EGR閥卡滯，發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)到EGR閥無響應(yīng)會(huì)進(jìn)行限扭，整車端表現(xiàn)為加速無力。

2.2 燃?xì)饣旌掀鹘Y(jié)冰

環(huán)境溫度低于－30 ℃時(shí)，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的新鮮空氣長期處于零度以下，通過大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 100輛車運(yùn)行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣溫度最低會(huì)達(dá)到－23 ℃，發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行時(shí) EGR閥處于關(guān)閉狀態(tài)，但EGR閥是機(jī)械開閉結(jié)構(gòu)，無法實(shí)現(xiàn)完全關(guān)閉，EGR 管內(nèi)部分廢氣會(huì)進(jìn)入燃?xì)饣旌掀?，與零度以下冷空氣相遇會(huì)冷凝形成冷凝水，混合器管壁溫度與環(huán)境溫度相同，冷凝水流到混合器管壁會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，少量結(jié)冰會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量，整車加速響應(yīng)性差，結(jié)冰嚴(yán)重將影響發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣，進(jìn)而引起發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，整車無法正常運(yùn)行。

2.3 節(jié)氣門結(jié)冰

停車熄火后，EGR閥之后到燃燒室前已混合的廢氣、新鮮空氣和燃?xì)鉄o法及時(shí)從發(fā)動(dòng)機(jī)中排出，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙溫度降低到環(huán)境溫度（－30 ℃），混合氣會(huì)冷凝并產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象，結(jié)冰后導(dǎo)致節(jié)氣門閥片卡滯，出現(xiàn)起動(dòng)困難，嚴(yán)重時(shí)無法起動(dòng)車輛。

3 廢氣再循環(huán)系統(tǒng)結(jié)冰驗(yàn)證

分析EGR閥、燃?xì)饣旌掀鳌⒐?jié)氣門等部位結(jié)冰原因，均是由于采用廢氣再循環(huán)系統(tǒng)引入廢氣，極寒環(huán)境下廢氣中水分冷凝析出流到管壁后結(jié)冰。在寒區(qū)環(huán)境溫度低于－30 ℃，分別模擬發(fā)動(dòng)機(jī)原地怠速工作，原地怠速15分鐘立即檢查，拆解未發(fā)現(xiàn)EGR閥結(jié)冰，原地怠速2小時(shí)后立即檢查，拆解發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)現(xiàn)EGR閥輕微結(jié)冰，原地怠速2小時(shí)后再等待3小時(shí)檢查，拆解發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)現(xiàn)EGR閥結(jié)冰堵塞如圖 3所示，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)狀態(tài)EGR存在結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)，與DFMEA分析一致，需組織優(yōu)化。

圖3 EGR閥結(jié)冰卡滯

在寒區(qū)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行，空車市郊工況運(yùn)行2～3小時(shí)，開始出現(xiàn)整車加速無力問題，停車拆解發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)現(xiàn)燃?xì)饣旌掀鬏p微，恢復(fù)后繼續(xù)運(yùn)行 3小時(shí)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，拆解發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)現(xiàn)燃?xì)饣旌掀鹘Y(jié)冰堵塞如圖4所示。

圖4 燃?xì)饣旌掀鹘Y(jié)冰堵塞

在寒區(qū)模擬停車一晚上后再次起動(dòng)車輛，正常駕駛 4小時(shí)后停車，靜置一晚上起動(dòng)車輛，出現(xiàn)車輛起動(dòng)困難，拆解發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)現(xiàn)節(jié)氣門閥片結(jié)冰卡滯如圖 5所示，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無法正常進(jìn)氣著車。

圖5 節(jié)氣門結(jié)冰卡滯

5 結(jié)論

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)引入廢氣再循環(huán)系統(tǒng)后，有效提高燃?xì)饨?jīng)濟(jì)性和降低NOx排放的同時(shí)出現(xiàn)EGR閥、節(jié)氣門和混合器結(jié)冰現(xiàn)象。本文分析和驗(yàn)證了引入廢氣再循環(huán)系統(tǒng)寒區(qū)失效模式，提前識(shí)別可靠性風(fēng)險(xiǎn)，提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在極寒條件下的產(chǎn)品適應(yīng)性和可靠性。