柴油機EGR可靠性試驗方法設計

孫澤，祝先標，李自強

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

柴油機EGR可靠性試驗方法設計

孫澤，祝先標，李自強

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

EGR系統已廣泛應用，因EGR閥功能失常，常導致整車排放及經濟性惡化，動力性不足。文章通過分析不同EGR優缺點，結合整車特點合理設計臺架試驗循環，驗證EGR可靠性。

EGR；柴油機；臺架試驗；可靠性

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

引言

隨著環保和節能減排意識的加強，各國排放法規也日益嚴格，歐盟和美國已經實行歐六、EPA10法規，而我國也在積極地實施更為嚴格的排放法規，為達到嚴格的排放標準，普遍使用各種先進和復雜的機內機外凈化技術，其中EGR作為控制柴油機NOx排放的手段已經被廣泛采用【1,2】，但是EGR在降低NOx排放的同時EGR系統也存在失效風險，從而導致EGR功能失常，將嚴重影響發動機排放及經濟性，甚至導致發動機無法正常工作【3,4】。

1、EGR系統分析

EGR為Exhaust Gas Recirculation簡稱，EGR分為內部EGR和外部EGR。外部EGR系統，利用專門的管道將廢氣引入進氣歧管，使廢氣在進入氣缸前與新鮮空氣充分混合。EGR系統增加EGR冷卻器，用以冷卻再循環廢氣，降低進氣溫度，控制燃燒溫度；再循環的廢氣量通過電子裝置控制，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計方式，為了保證發動機正常工作和性能不受過多影響，必須根據發動機工況的變化，控制廢氣再循環量。因排放要求越來越嚴，EGR在整個發動機MAP中應用范圍、頻率、EGR率均有所提高，而高壓EGR熱負荷大，EGR率大碳煙多，EGR變形、結焦、卡滯等失效風險也增大。

根據高壓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入EGR閥，然后再進入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EGR閥不被燒蝕。布置緊湊，便于集成式、模塊化，EGR閥無結焦風險、EGR響應速度快，但EGR閥承受很高的排溫，可靠性有風險。

（2）EGR閥暖端布置：是指自廢氣首先進入缸蓋中的廢氣通道，經過缸蓋的預冷之后再進入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閥結焦風險小，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，再進入EGR閥。經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間，所以冷端布置的EGR閥不采取耐熱保護措施。EGR閥位于冷卻器后，可用低成本EGR閥，減少燒蝕的風險，但EGR閥有結焦風險，不利于旁通管路的布置，影響低溫啟動/排放；需保證EGR閥閥前溫度不低于90℃，增加了冷卻器設計難度。

2、可靠性工況影響因素分析

根據高壓EGR閥布置形式和特點，以及市場常見類型故障模式，進行分析研究。影響EGR可靠性主要因素有：

（1）EGR布置形式，根據EGR布置形式優缺點，確認考核重點；

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

（3）發動機FSN和HC分布特點，FSN大和HC大的排放區域，若此時EGR率較高，碳煙量增大；

（4）EGR閥前溫度分布特點，EGR閥前溫度高，易導致EGR閥變形漏氣，EGR閥前溫度過低，碳煙（尤其SOF）易附著在EGR閥上，導致EGR閥出現結焦卡滯；

（5）結合整車常用工況點，整車常用工況為怠速、低速低負荷、低速中負荷和中速中負荷，這些工況下，排溫低，EGR率大，EGR動作頻繁；

因此，為充分驗證EGR閥可靠性，需要綜合考慮EGR率，排溫，HC排放，整車常用工況點，來設計EGR閥考核工況。

3、EGR可靠性工況設計

本次就某款EGR閥暖端布置形式發動機進行試驗設計。根據EGR閥暖端布置優缺點，EGR存在兩種失效風險，一方面EGR閥在高溫廢氣和常溫狀態下，受冷熱沖擊易變形；另一方面當EGR閥長時間在低溫區域工作，碳煙易沉積在EGR閥內部，可能出現結焦或卡滯。因此針對暖端布置EGR閥，需要進行變形試驗和低溫結焦試驗。本文主要針對高溫變形進行工況設計。

整車常用工況研究，如圖1所示，統計常用工況路譜，分析常用車速對應發動機的扭矩及增壓器渦輪前溫度。在車速120km/h的加速末段，扭矩最大，此時對應發動機工況為2970rpm@200Nm，增壓器前溫度達到540℃。怠速工況時增壓器前溫度最低在100℃以內。從120km/h降低到怠速，EGR閥受到高低溫氣體的沖擊。

圖1 整車常用工況點分布

圖2 EGR閥前溫度特性圖

表1 EGR高溫可靠性試驗工況

圖3 EGR高溫可靠性試驗工況

進行發動機萬有特性試驗，測量EGR閥前溫度，得到EGR工作溫度MAP圖，如圖2所示。發動機工況為2970rpm@200Nm時，增壓器前溫度為540℃，EGR閥前實際溫度為400℃。根據統計該車型城市工況占70%，城郊工況30%，按照整車160000km壽命，每運行100km（120km/h運行50min）出現一次高低溫計算，循環次數近似為（160000*30%/100）=480次，考慮到DPF再生時增壓器前溫度上升，為加嚴考核，將EGR閥前溫度調到540℃，工況過渡時間為15s，惡化系數為（540-100）/（400-100）*30/15=2.93。按照怠速（EGR關閉）到最高溫度點進行循環試驗，循環次數近似為480/2.93=163.8次，綜合考慮，試驗次數設定為200次，對應試驗時長為200h。工況如表1和圖3所示。

4、EGR可靠性試驗驗證

使用此工況在某款2.0L發動機上進行可靠性驗證，首次可靠性后EGR出現高溫變形，對EGR閥進行加工工藝和結構整改后，重新進行可靠性試驗，如圖4所示，EGR閥未變形通過此試驗驗證，確保成熟可靠的產品投入市場。

圖4 EGR高溫可靠性試驗

圖5 EGR高溫可靠性試驗工況變化圖

如圖5工況變化圖所示（截取其中20h），試驗過程數據可以確認，試驗過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，且工況易實現，可有效完成對EGR高溫可靠性的考核。

5、結論

根據EGR的布置形式和整車常用工況等特點，在發動機產品開發過程中，可以設計合理的EGR可靠性試驗，及時發現問題并進行整改，考核EGR系統可靠性，有效規避后期市場EGR質量問題，同時介紹了EGR閥可靠性試驗的設計方法和理念，為設計EGR系統試驗方法提供一定的依據，指導EGR閥設計。

[1] 高亮.柴油機廢氣再循環( EGR) 技術. 內燃機與配件.2013年第9 期.

[2] 田維.EGR率控制精度對車用增壓直噴柴油機性能的影響.西華大學學報（自然科學版）2011年1月.

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

[4] 陳洪,發動機EGR閥卡滯問題分析研究,機電工程技術.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-)，碩士學位，工程師，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。主要從事發動機及后處理試驗開發工作。