燃氣車廢氣再循環寒區潛在失效淺析

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）

關鍵字：燃氣車；廢氣再循環系統；發動機；潛在失效

天然氣以其燃燒清潔度高、儲量大、成本低等優勢一直受到國內外汽車行業的廣泛關注，是內燃機替代燃料的首選。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，在節能減排方面的優勢不言而喻。大力推廣天然氣車輛對于減少城市污染、改善空氣質量、打贏藍天保衛戰具有十分重要的現實意義。《能源發展“十三五”規劃》中指出，到2020年，天然氣在一次能源消費占比達到 10%，2030年將達到15%。而根據發改委的預測判斷，2025年天然氣供給能力已接近能源發展“十三五”規劃中2030年天然氣消費需求總量目標，超前完成天然氣供給能力建設，預計天然氣作為國內一次能源消費占比將加速發展。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持續攀升。隨著天然氣重型商用車保有量持續增長以及國六排放升級，天然氣發動機可靠性將會成為行業關注的焦點。

國六階段天然氣發動機采用三元催化轉化器（Three Way Catalytic Converter, TWC）和理論空燃比相結合的技術路線。與國五階段稀薄燃燒相比，天然氣發動機采用理論空燃比燃燒技術路線后，缸內熱負荷和爆震顯著增加，燃氣消耗量也出現明顯增加。為改善天然氣發動機熱負荷和爆震，提高燃氣經濟性，降低NOx排放，天然氣發動機引入了廢氣再循環系統（Exhaust Gas Recirculation, EGR）。

天然氣主要成分是甲烷（CH），燃燒后發動機尾氣中水分含量較高，引入廢氣再循環系統后，部分廢氣經EGR冷卻器冷卻后進入進氣系統，與新鮮空氣和燃氣混合后重新進入發動機缸內燃燒。進行整車潛在失效模式分析（Design Failure Mode and Effects Analysis, DFEMA），分析時，識別當環境溫度低于－30℃時，EGR閥、燃氣混合器、節氣門等部位可能出現結冰現象，導致整車出現啟動困難、加速無力等故障，本文就天然氣發動機引入廢氣再循環系統可能出現的結冰現象進行研究分析和驗證。

1 廢氣再循環系統

廢氣再循環系統是通過將發動機缸內燃燒做功后的部分廢氣，經過管路和散熱器降溫以后，再通過EGR閥門進入到發動機進氣系統，與新鮮空氣和燃氣混合后重新進入發動機缸內再燃燒的技術，具體工作原理如圖1所示。天然氣在缸內燃燒后，發動機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動機缸內燃燒，在發動機燃燒工作時不僅能吸收大量的熱量，同時有助于發動機缸內的燃氣混合，降低氧濃度，改變利于NOx大量生成的高溫富氧環境，有效控制NOx的生成。因此，天然氣發動機使用EGR 系統是降低NOx排放的有效技術路線，對改善發動機的經濟性和排放有積極作用。

圖1 EGR系統工作原理

提高EGR系統廢氣再循環率會使總的廢氣流量（Mass Flow, MF）減少，因此廢氣排放中總的污染物輸出量將會相對減少。EGR系統的任務就是使廢氣的再循環量在每一個工作點都達到最佳狀況，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。由于廢氣再循環量的改變會對不同的污染成分可能產生截然相反的影響，因此所謂的最佳狀況往往是一種折衷的，使相關污染物總的排放達到最佳的方案。盡管提高廢氣再循環率對減少氮氧化物（NOx）的排放有積極的影響, 但這也會對顆粒物和其他污染成分的增加產生消極的影響。整車運行工況復雜，并不是所有工況都需要EGR系統介入，像冷機、怠速、低速小負荷運行時，燃燒室內燃燒溫度本就不高，沒有必要引入廢氣；高速大負荷運行時，特別是全開油門時，需要發動機盡最大可能輸出動力，也不能引入廢氣，引入廢氣，進入的新鮮空氣少了，燃燒速度變慢，會使油氣耗增加，整車動力下降。

2 廢氣再循環系統結冰分析

天然氣國六排放切換時，基于天然氣發動機技術路線變化，識別國五與國六發動機技術狀態差異。掌握發動機變化后開展整車潛在失效模式分析DFEMA，在柴油車應用廢氣再循環系統時，采用進氣電加熱方案有效提升進氣溫度，但由于天然氣車型是燃氣與新鮮空氣預混合，對混合氣進行電加熱存在爆炸風險，故未進行混合氣加熱，進氣溫度經過進氣中冷后較環境溫度僅提升約10 ℃～15 ℃。但天然氣燃燒后發動機尾氣中水分含量較高，當環境溫度低于－30 ℃時，廢氣經過管路、EGR閥、燃氣混合器、節氣門等部位可能出現結冰現象。發動機低負荷運行時，低溫廢氣與新鮮空氣、低溫燃氣混合后更易形成冷凝水，長時間會出現結冰，導致整車起動困難，加速無力等故障。EGR閥、燃氣混合器、節氣門在發動機中結構如圖2。

圖2 某發動機EGR閥、節氣門和混合器布置

2.1 EGR閥結冰

天然氣主要成分是 CH，燃燒后發動機尾氣中水分含量較高，發動機長時間怠速運行時增壓器不介入工作， EGR閥處于關閉狀態；排氣溫度較低，EGR管管壁溫度與環境溫度相同，EGR管內廢氣遇冷形成冷凝水；EGR管設計時存在一定向EGR閥側傾斜，設計目標是將排氣中冷凝水借助重力流向燃氣混合器，重新進入燃燒循環排出，避免長時間停車積水引起停車結冰和管路生銹。當環境溫度低于－30℃時，車輛長時間處于怠速運行，EGR閥處于關閉狀態，冷凝水聚集到EGR閥膜片處，EGR管壁會發生結冰現象，出現EGR閥卡滯，發動機監測到EGR閥無響應會進行限扭，整車端表現為加速無力。

2.2 燃氣混合器結冰

環境溫度低于－30 ℃時，進入發動機的新鮮空氣長期處于零度以下，通過大數據統計 100輛車運行數據，發現進氣溫度最低會達到－23 ℃，發動機長時間低負荷運行時 EGR閥處于關閉狀態，但EGR閥是機械開閉結構，無法實現完全關閉，EGR 管內部分廢氣會進入燃氣混合器，與零度以下冷空氣相遇會冷凝形成冷凝水，混合器管壁溫度與環境溫度相同，冷凝水流到混合器管壁會出現結冰現象，少量結冰會影響發動機進氣量，整車加速響應性差，結冰嚴重將影響發動機進氣，進而引起發動機熄火，整車無法正常運行。

2.3 節氣門結冰

停車熄火后，EGR閥之后到燃燒室前已混合的廢氣、新鮮空氣和燃氣無法及時從發動機中排出，隨著發動機機艙溫度降低到環境溫度（－30 ℃），混合氣會冷凝并產生結冰現象，結冰后導致節氣門閥片卡滯，出現起動困難，嚴重時無法起動車輛。

3 廢氣再循環系統結冰驗證

分析EGR閥、燃氣混合器、節氣門等部位結冰原因，均是由于采用廢氣再循環系統引入廢氣，極寒環境下廢氣中水分冷凝析出流到管壁后結冰。在寒區環境溫度低于－30 ℃，分別模擬發動機原地怠速工作，原地怠速15分鐘立即檢查，拆解未發現EGR閥結冰，原地怠速2小時后立即檢查，拆解發動機發現EGR閥輕微結冰，原地怠速2小時后再等待3小時檢查，拆解發動機發現EGR閥結冰堵塞如圖 3所示，實驗驗證當前發動機結構狀態EGR存在結冰風險，與DFMEA分析一致，需組織優化。

圖3 EGR閥結冰卡滯

在寒區模擬發動機長時間低負荷運行，空車市郊工況運行2～3小時，開始出現整車加速無力問題，停車拆解發動機發現燃氣混合器輕微，恢復后繼續運行 3小時出現發動機熄火，拆解發動機發現燃氣混合器結冰堵塞如圖4所示。

圖4 燃氣混合器結冰堵塞

在寒區模擬停車一晚上后再次起動車輛，正常駕駛 4小時后停車，靜置一晚上起動車輛，出現車輛起動困難，拆解發動機發現節氣門閥片結冰卡滯如圖 5所示，導致發動機無法正常進氣著車。

圖5 節氣門結冰卡滯

5 結論

天然氣發動機引入廢氣再循環系統后，有效提高燃氣經濟性和降低NOx排放的同時出現EGR閥、節氣門和混合器結冰現象。本文分析和驗證了引入廢氣再循環系統寒區失效模式，提前識別可靠性風險，提高天然氣發動機在極寒條件下的產品適應性和可靠性。