柴油機電控EGR可靠性試驗方法研究

（安徽江淮汽車集團股份有限公司,合肥 230601）

0 引言

國六排放標準《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）》新增排放質保期規定，與發動機排放相關零部件，在質保期內該零部件排放系統失效或排放超標，制造商要承擔相應的責任，如N2類車輛排放質保期必須滿足5年16萬公里[1]。

電控EGR為國六柴油機標配零部件，需滿足法規質保期規定，作為降低NOx排放的有效措施之一，廢氣再循環技術的應用日趨廣泛，由于其工作環境原因，其市場故障率較傳統零部件故障率明顯偏高。如何確認產品開發階段EGR系統標定策略合理性，即在保證排放達標同時能否保證在質保期內可靠性是本文研究的重點。

1 柴油機電控EGR系統分析

圖1 電控EGR閥工作原理圖

電控EGR系統由ECU、步進電機執行器、帶回復彈簧的EGR閥以及各種傳感器等組成，如圖1所示。新產品開發標定階段，綜合排放結果、冷啟動等多方因素得到各工況下的EGR閥位置MAP圖存入ECU。在發動機運行時，由ECU根據發動機的轉速、負荷基本信號及溫度等修正信號計算出符合當時工況所對應的EGR閥位置，再換算成對應于步進電機的控制脈沖數，控制脈沖經功率放大后驅動步進電機運行，以精確控制EGR閥的位置。EGR閥的實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控[2]。

1.1 電控EGR布置分類

根據EGR閥的安裝位置，柴油機電控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閥要增加冷卻水套，保護EGR閥不被燒蝕。優點是布置緊湊、無結焦風險、響應快；缺點是EGR閥承受很高排溫，可靠性風險低。由于國六柴油機排溫升高、EGR閥在外特性區域也會開啟，此種結構基本在國六機型中不再應用。

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。優點是成本低，無燒蝕風險，缺點是易結焦，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。為國六柴油機主流布置方式，兼顧熱段和冷段布置優點，本文重點對暖端布置EGR系統進行可靠性試驗研究[3]。

2 電控EGR市場故障分析

本文統計了兩款已上市柴油機產品電控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）。對市場故障數據進行分析表明EGR系統故障表現主要為EGR閥卡滯和位置偏差超限值，EGR閥本身機械故障導致的故障報碼，和EGR標定策略有很強關聯性。

表1 柴油機EGR市場故障統計

2.1 典型故障原因分析

EGR為整車OBD監控零部件之一，法規要求必須對排放結果產生影響的故障均需以亮故障燈的形式進行顯示并存儲相應的故障碼，讓車主第一時間發現故障并進行維修。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閥本身機械故障等。對上述故障，結合EGR工作環境、工作原理和標定策略進行分析，分析導致問題產生所有原因，在新產品開發階段，進行確認和規避，如表2所示。由于EGR卡滯為主要故障占比為41.2%，下文重點對電控EGR閥卡滯問題進行詳細分析和試驗驗證方案的研究[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，發動機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閥卡滯故障進行里程分布分析，如圖2所示，其故障發生里程多集中在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生。同時也表明此兩款發動機的EGR無法滿足質保期規定，若依據國六排放法規，主機廠需要支付高額的費用用于EGR故障解決，主機廠需要優化EGR系統標定策略或結構，降低EGR閥積碳卡滯的風險。

圖2 EGR閥卡滯故障發生里程分布

3 EGR閥卡滯耐久試驗工況研究

本次就某款EGR系統暖端布置的3.0LCTI國6b柴油機進行可靠性試驗研究，發動機參數如表3，根據上述分析暖端布置EGR閥故障模式，以EGR閥卡滯居多，EGR閥卡滯主要原因為EGR閥長時間在低溫區域工作，廢氣碳煙顆粒易沉積在EGR閥內部，隨著時間增長，可能出現結焦和卡滯。本文主要針對EGR閥積碳卡滯問題進行試驗研究，旨在尋求能夠模擬整車實際使用工況下EGR閥卡滯加速驗證試驗工況。

表3 某柴油機主要技術參數

影響EGR閥和冷卻器積碳結焦主要因素為煙顆大小和進入EGR閥廢氣溫度。煙度越大EGR閥及其冷卻器也越容易積碳，廢氣溫度受發動機冷卻液溫度影響，冷卻液溫度越低越容易積碳結焦。因此試驗工況冷卻液溫度設定綜合考慮冬季低溫環境影響，最優方案為以整車冬季標定路普采集水溫為準。

3.1 試驗工況制定

煙度工況選擇兼顧整車實際使用工況，可以參照重型車國六排放法規規定穩態WHSC和瞬態WHTC工況。

整個試驗驗證工況分兩階段：穩態工況+瞬態工況。

（1）第一階段采用穩態試驗工況，模擬發動機在低溫環境下連續在煙度較大工況點運行，驗證EGR閥和冷卻器積碳結焦情況。為真實模擬實際使用工況，不同轉速下煙度較大工況點，同時增加停機工況確保EGR閥可以實現斷電自清潔和自學習功能。持續運轉一定時間后，需要設置長時間停機工況，確保積碳有充足時間冷凝至EGR閥和冷卻器中。

試驗前需要對充分磨合發動機進行萬有特性裸排煙度進行測試，并同步幾率EGR閥開度。發動機冷卻液出口溫度設定，建議參照冬季標定整車實際采集的路普數據。

根據發動機初始煙度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轉速下煙度最大點。發動機出水溫度參照整車冬季標定路普采集出水溫度，出水溫度設定在65±2℃。具體試驗循環工況如圖3所示，試驗中每個小循環運轉30 min，每個小循環停機3次用于EGR閥自學習和清潔。

圖3 EGR閥卡滯穩態試驗工況

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

圖4 EGR閥卡滯穩態試驗工況

總的試驗驗證工況如表4所示，穩態工況+瞬態工況定義為1個小循環，時間為1 h，連續運轉20個小循環后，停機4 h，模擬實際使用中停機冷凝積碳工況。重復此大循環30次，累計運轉小循環600次，每個小循環4次起停，共計起停2 400次，運轉時間600 h。鑒于此款發動機匹配輕卡，主要用途為載貨，基于市場實際使用經驗，定義每一個停機起動循環為70 km。600 h等效整車實際里程為16.8萬公里。

表4 EGR閥卡滯可靠性試驗循環

4 試驗驗證結果分析

按照上述試驗驗證工況，選取1臺3.0LCTI柴油機進行試驗驗證，發動機完成600小時EGR卡滯可靠性試驗，具體驗證結果如下。

排放：試驗前后樣機排放測試結果如下表，原排滿足工程目標要求，尾排滿足國六排放法規要求，試驗前后原排、尾排基本無劣化。

表5 可靠性試驗前后排放測試結果對比

EGR閥：試驗前后實際新鮮進氣量基本一致，見圖5。試驗過程EGR閥動作正常無卡滯，無卡滯報錯故障。自學習偏差在標定偏差范圍內，無自學習報錯故障，見圖6。閥片積碳正常，無變形，閥座有少量干燥積碳，未發現有潮濕結焦積碳存在，見圖7。

圖5 試驗前后WHSC循環新鮮進氣量變化曲線圖

圖6 試驗過程中自學習偏差變化曲線

EGR冷卻器：試驗前后冷卻器前后溫差差異較小，冷卻能力無劣化。EGR冷卻器內為干積碳，積碳量少，沒有結焦堵塞冷卻器孔風險。

圖7 耐久試驗后EGR閥及冷卻器積碳

5 結論

結合市場故障信息，發現EGR系統故障失效模式，同時結合國六排放法規，在產品設計開發階段，設計合理的試驗驗證工況，對EGR系統可靠性進行充分驗證，提前識別設計和標定風險，確保排放相關零部件在質保期內可靠性，可以有效降低后期主機廠市場維護成本。對于其它排放質保件可以同樣參照此論文試驗工況研究流程，結合市場故障，進行可靠性試驗研究。