柴油機(jī)電控EGR閥卡滯失效分析

樂毅，肖連峰

(江西五十鈴發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司， 江西南昌 330200)

0 引言

對(duì)于降低柴油機(jī)的NOx排放來說，廢氣再循環(huán)(EGR)加冷卻器技術(shù)是目前國際先進(jìn)水平發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用的有效措施之一[1]；廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(Exhaust Gas Recirculation，EGR)，是將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的廢氣的一小部分再送回氣缸再度燃燒的技術(shù)，具體地說，將發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣與新鮮空氣混合后再進(jìn)入氣缸，降低燃燒速度和溫度，達(dá)到降低NOx排放的目的。目前，EGR技術(shù)分為內(nèi)部EGR技術(shù)和外部EGR技術(shù)。內(nèi)部EGR技術(shù)是將廢氣在缸內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便，但難于精確控制EGR率，因此，目前廣泛采用的是外部EGR技術(shù)[2]。外部EGR技術(shù)是將排氣管中的廢氣經(jīng)過EGR冷卻器和EGR閥，重新引入到進(jìn)氣歧管中與新鮮空氣混合，進(jìn)入氣缸再燃燒的方法[3]。

EGR閥在發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中用于調(diào)節(jié)控制再循環(huán)廢氣的流量，通過控制EGR閥的行程開度來調(diào)節(jié)廢氣流量；而EGR閥又可分為機(jī)械式、電氣式和電控式，其中電控EGR閥因能夠快速、精確地控制EGR率的特性而被廣泛使用。如果電控EGR閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，可能導(dǎo)致廢氣泄漏EGR率控制不準(zhǔn)，嚴(yán)重甚至導(dǎo)致EGR閥卡滯。

1 故障現(xiàn)象

某柴油機(jī)在漠河冬標(biāo)整車試驗(yàn)過程中多臺(tái)車報(bào)EGR閥卡滯故障，拆解電控EGR閥本體，拆開其驅(qū)動(dòng)腔，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)腔內(nèi)部有很多積水，如圖1所示，由于試驗(yàn)的溫度較低(零下30 ℃)，當(dāng)整車停了一段時(shí)間后，這部分積水就會(huì)結(jié)冰，凍住中心桿，從而導(dǎo)致了EGR閥卡滯。

圖1 驅(qū)動(dòng)腔積水故障

2 原因分析

2.1 水氣來源分析

發(fā)動(dòng)機(jī)所用的燃料是由碳?xì)浠衔?烴)構(gòu)成。柴油是由不同種類的烴混合物混合而成。當(dāng)烴分子完全燃燒后，理論上講只形成CO2和H2O。燃料在完全燃燒情況下，化學(xué)反應(yīng)可表示[4]為：

CxHy+(x+y/2)O2→xCO2+y/2H2O

故柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒后的廢氣中包含了NOx、HC化合物和PM顆粒物之外，還包含了燃燒產(chǎn)生的水蒸氣。

2.2 EGR閥結(jié)構(gòu)分析

該電控EGR閥通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由齒輪帶動(dòng)中心桿上下運(yùn)動(dòng)，從而控制EGR閥的開啟和關(guān)閉，中心桿與導(dǎo)向套之間設(shè)置有唇口密封圈，防止廢氣竄入驅(qū)動(dòng)腔里面，圖紙要求導(dǎo)向套泄漏量不大于0.5 L/min(6.67 kPa,25 ℃)。中心桿作為運(yùn)動(dòng)件，其在上下運(yùn)動(dòng)過程中，會(huì)不可避免地產(chǎn)生一部分泄漏量，這部分泄漏量會(huì)從中心桿向上串，如圖2所示，而廢氣中的水蒸氣不斷在驅(qū)動(dòng)腔里面冷凝成水，冷凝水不斷堆積，結(jié)冰凍住中心桿，最終導(dǎo)致EGR閥卡滯。

圖2 廢氣竄入示意

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為防止水氣、廢氣竄入驅(qū)動(dòng)腔內(nèi)部，對(duì)EGR閥做以下結(jié)構(gòu)優(yōu)化：(1)雙密封圈設(shè)計(jì)，在中心桿下部再增加一道唇口密封圈;(2)閥體、導(dǎo)向套分別增加泄壓孔和泄壓槽，泄壓孔直接連通大氣，導(dǎo)向套與閥體之間設(shè)置泄壓槽，泄壓槽與泄壓孔連通，如圖3和圖4所示。

圖3 閥體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖4 導(dǎo)向套結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過采用雙密封結(jié)構(gòu)，并在兩道密封圈之間增加泄壓孔，泄壓孔連通大氣，從中心桿上穿的水氣、廢氣經(jīng)過第一道密封圈后，由于泄壓孔連通大氣，上穿的廢氣沒有足夠壓力再通過上道密封圈進(jìn)入驅(qū)動(dòng)腔，所以可以達(dá)到保護(hù)驅(qū)動(dòng)腔，如圖5所示。另外采用雙密封圈設(shè)計(jì)，可以有效防止兩個(gè)密封圈銅套出現(xiàn)積碳結(jié)焦。

圖5 優(yōu)化方案廢氣流動(dòng)

此外，EGR閥在整車上布置后，泄壓孔應(yīng)該布置豎直朝下，且在豎直向下±15°范圍之內(nèi)，這樣泄壓槽和泄壓孔內(nèi)的冷凝水可以自動(dòng)排出去，以有效防止泄壓孔、泄壓槽中的冷凝水結(jié)冰堵塞而導(dǎo)致水汽、廢氣無法自動(dòng)排入到大氣中去，如圖6所示。

圖6 EGR閥整車布置

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 標(biāo)定數(shù)據(jù)驗(yàn)證

由于增加了一道密封圈，中心桿的運(yùn)動(dòng)阻力會(huì)增加，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，增加約1.5 N，而EGR閥驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供的最大推力超過290 N，所增加的該部分阻力占比很小。

通過在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架驗(yàn)證標(biāo)定數(shù)據(jù)，分別驗(yàn)證了發(fā)動(dòng)機(jī)的靜態(tài)階躍響應(yīng)、空氣量跟隨性，優(yōu)化前后電控EGR閥的數(shù)據(jù)基本吻合，對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)無影響，如圖7和圖8所示。

圖7 靜態(tài)階躍響應(yīng)對(duì)比圖

圖8 空氣量跟隨性對(duì)比

4.2 耐久驗(yàn)證

優(yōu)化后的電控EGR閥分別進(jìn)行了500 h臺(tái)架耐久驗(yàn)證和整車冬標(biāo)試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)過程中均未報(bào)過EGR閥卡滯故障碼，耐久后的EGR閥返廠測(cè)試性能都合格。拆解EGR閥驅(qū)動(dòng)腔，里面很干凈，無積碳，無水氣、積水，泄壓孔、泄壓槽內(nèi)少許積碳，無結(jié)焦，中心桿下端部分積碳，無結(jié)焦，密封圈以上部分無積碳，如圖9和圖10所示，耐久試驗(yàn)通過，優(yōu)化方案可行。

圖9 驅(qū)動(dòng)腔拆解圖

圖10 泄壓孔、中心桿拆解圖

5 結(jié)論

由于電控EGR閥結(jié)構(gòu)原因，中心桿與導(dǎo)向套之間有相對(duì)上下運(yùn)動(dòng)，雖然有唇口密封圈密封，但是無法做到完全密封，發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣通過中心桿上竄進(jìn)入驅(qū)動(dòng)腔內(nèi)部，而發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中包含了大量水蒸氣，當(dāng)其所處環(huán)境溫度較低時(shí)(零度以下)，驅(qū)動(dòng)腔內(nèi)部的水蒸氣不斷冷凝成水，最終導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)腔有大量積水，最后冷凝水結(jié)冰，凍住中心桿，導(dǎo)致EGR閥卡滯。

文中通過對(duì)該電控EGR閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化：(1)在中心桿下端增加一道唇口密封圈，采用雙密封圈設(shè)計(jì)；(2)在兩道密封圈之間增加泄壓孔和泄壓槽，其中泄壓槽與泄壓孔兩桶，泄壓孔與大氣相通；從中心桿上來的水氣、廢氣經(jīng)過第一道密封圈后，由于泄壓孔連通大氣，上竄的水氣、廢氣沒有足夠的壓力再通過上道密封圈進(jìn)入驅(qū)動(dòng)腔，從而可以保護(hù)驅(qū)動(dòng)腔及電機(jī)。經(jīng)過臺(tái)架耐久和整車冬標(biāo)試驗(yàn)驗(yàn)證，未再出現(xiàn)EGR閥結(jié)冰卡滯故障，從而延長(zhǎng)了EGR閥的使用壽命，有效規(guī)避了市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)。