關(guān)于EGR壓差傳感器管路結(jié)冰問題的研究

崔凱　王博　羅智波　丁相利　李強　叢日振

摘 要：隨著對油耗的關(guān)注，汽油發(fā)動機使用EGR系統(tǒng)越來越普遍。EGR系統(tǒng)的布置，對EGR系統(tǒng)的性能和可靠性有很大的影響。文章結(jié)合冬季試驗中，對某發(fā)動機EGR壓差傳感器管路的布置的研究，對壓差結(jié)冰失效的故障機理、改進措施進行詳細(xì)的總結(jié)，希望對EGR系統(tǒng)的布置及相似設(shè)計改進提供借鑒。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機 EGR 傳感器 管路 結(jié)冰

1 引言

EGR技術(shù)在柴油機的應(yīng)用主要用于氮氧化物（NO2）排放的控制[1]，用來提高發(fā)動機熱效率。隨著對油耗的關(guān)注，汽油發(fā)動機使用EGR系統(tǒng)越來越普遍。

EGR系統(tǒng)作為發(fā)動機的重要組件，其本身對可靠性要求非常高。EGR系統(tǒng)的布置形式，對可靠性的影響很大，在發(fā)動機系統(tǒng)設(shè)計過程中要充分考慮。

本文結(jié)合冬季試驗時EGR壓差傳感器管路結(jié)冰問題，希望對EGR系統(tǒng)的故障分析、設(shè)計布置提供借鑒。

2 EGR系統(tǒng)介紹

EGR是Exhaust Gas Recirculation的縮寫，指的是發(fā)動機的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)。它通過將一部分廢氣導(dǎo)入進氣，使其再度進入燃燒室進行燃燒，從而降低發(fā)動機燃燒峰值，達到減少NOx排放的目的。

EGR系統(tǒng)的主要工作機理是，再循環(huán)的廢氣由于具有惰性，將會延緩燃燒過程，也就是說燃燒速度將會放慢，從而導(dǎo)致燃燒室中的壓力形成過程放慢，這就是氮氧化合物會減少的主要原因。

EGR系統(tǒng)通常包括EGR閥、EGR冷卻器、壓差傳感器等部件，常見EGR系統(tǒng)布置如圖1所示。EGR閥是整個系統(tǒng)的核心部件，它的任務(wù)是根據(jù)發(fā)動機的運行狀況，控制再循環(huán)的廢氣量，以減少排放污染。EGR控制單元則根據(jù)發(fā)動機的運行參數(shù)（如轉(zhuǎn)速、負(fù)載等）來控制EGR閥的工作，以實現(xiàn)廢氣的再循環(huán)。

在應(yīng)用中，EGR系統(tǒng)在發(fā)動機的不同工況下會采用不同的控制策略。例如在起動工況、怠速狀態(tài)、暖機過程、大負(fù)荷或油門全開等情況下，EGR系統(tǒng)通常會選擇不進行EGR或者限制EGR的量，以保證發(fā)動機的正常工作和排放水平。通常EGR閥前后壓差需要傳感器進行采集，作為重要參數(shù)用于EGR系統(tǒng)的廢氣流量計算。

3 EGR壓差傳感器管路故障分析

3.1 故障模式

高寒驗證試驗時，某款試驗車進行4小時城市工況行駛（車速60～70km/h）后，夜間停車10小時，第二天早上繼續(xù)行駛時，報EGR 壓差傳感器通道信號異?！，F(xiàn)場檢查信號采集，發(fā)現(xiàn)壓差傳感器高壓端信號存在異常。壓力信號正常時如圖2，故障發(fā)生時如圖3。

3.2 失效原因確認(rèn)

該試驗車EGR壓差傳感器管路結(jié)構(gòu)及在發(fā)動機上的安裝位置如圖4、5所示。

對高壓端壓差傳感器高壓端管路相關(guān)零件拆解分析，發(fā)現(xiàn)EGR閥上的金屬管接頭內(nèi)部結(jié)冰堵塞（圖6）。連接膠管及壓差傳感器未見異常（圖7）。

清除管接頭內(nèi)結(jié)冰后，復(fù)裝驗證，壓力信號恢復(fù)正常，確認(rèn)管路金屬接頭內(nèi)部結(jié)冰堵塞為是本次失效的直接原因。

3.3 失效機理說明

EGR 閥在-5℃以下不工作，保持關(guān)閉狀態(tài)，閥后無排氣進入。但壓差傳感器高壓端取氣位置在閥前，溫度較高的排氣經(jīng)過EGR冷卻器后，進入壓差傳感器高壓端管路。壓差傳感器進氣管接頭為金屬管，布置上在EGR閥上，在整車上的安裝位置處于發(fā)動機最外側(cè)，并位于車輛的迎風(fēng)面。在寒區(qū)行駛時，金屬管接頭溫度下降比較快，當(dāng)金屬管內(nèi)的排氣溫度下降到低于露點，就會形成冷凝水。車速越高，金屬管接頭溫度越低，冷凝現(xiàn)象越明顯。同時管接頭形狀為彎管（如圖8），冷凝水容易積累在彎折處。夜間停車后，管內(nèi)的殘留的冷凝水在低溫下凍結(jié)，堵塞管路，第二天行駛時故障報出。

需要注意的是寒區(qū)高速工況也可能觸發(fā)結(jié)冰堵塞故障。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)采集，車速100～110km/h時，管接頭的溫度會更低，冷凝水的量會更多，同時部分冷凝水會凍結(jié)成冰晶，冰水混合物可能會堵塞管路。通過數(shù)據(jù)采集（圖9）確認(rèn)，高速工況下，壓力信號有時會出現(xiàn)異常。攝像頭監(jiān)測，可發(fā)現(xiàn)EGR閥內(nèi)大量的冷凝水和冰晶，說明此工況下也存在堵塞風(fēng)險。

4 改進措施與效果驗證

4.1 改進措施

根據(jù)失效原因分析，從管接頭的形狀設(shè)計、布置位置進行改善。

形狀設(shè)計上：管接頭由彎接頭改為直接頭，避免冷凝水在彎管處堆積。

布置上：接頭位置變更到缸蓋上，避免進氣管接頭溫度過低，避免冷凝水大量產(chǎn)生。該機型改進后將接頭位置由EGR閥處取氣改為缸蓋處取氣，如圖11所示。

4.2 效果驗證

改進后進行寒區(qū)城市工況、高速工況測試，車輛正常工作，均未發(fā)生故障，拆機檢查未見異常（如圖12），改進措施有效。

5 總結(jié)

本文重點剖析了寒區(qū)條件下，壓差傳感器管接頭結(jié)冰堵塞的故障案例。 通過對失效分析，說明對于EGR系統(tǒng)高溫氣體流過的管路的布置，應(yīng)盡量避免產(chǎn)生冷凝水；同時對于可能產(chǎn)生冷凝水的管路，設(shè)計上應(yīng)盡量避免冷凝水局部累積，防止冷凝水凍結(jié)堵塞，影響功能。同時應(yīng)盡量避免將金屬管接頭布置在迎風(fēng)面或發(fā)動機最外側(cè)，防止金屬管接頭局部溫度過低，導(dǎo)致產(chǎn)生的冷凝水。

管路的結(jié)冰觸發(fā)工況：

一、寒區(qū)城市工況（車速60～70km/h）行駛后，靜置4小時后，觀察是否凍結(jié)堵塞。二、寒區(qū)高速行駛過程中的（車速100～110km/h）過程中，觀察是否有故障。希望本文為解決相似問題提供幫助。

參考文獻：

[1]張韋，舒歌群，曹睿，等.高比率冷EGR與進氣富氧對柴油機燃燒及排放特性的影響[J].內(nèi)燃機工程 2011.32（4）：12-16.