摘 要：通過(guò)對(duì)失效EGR閥頭結(jié)構(gòu)分析、斷面電鏡分析，確定失效EGR閥是因溫度梯度在閥頭尖角處形成內(nèi)應(yīng)力，最終導(dǎo)致開(kāi)裂。針對(duì)此失效模式，對(duì)EGR閥頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的EGR閥順利通過(guò)試驗(yàn)考核，成功解決了EGR閥開(kāi)裂的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；EGR閥；開(kāi)裂

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.034

1 前言

EGR（Exhaust gas recirculation）廢氣再循環(huán)技術(shù)通?？煞譃閮?nèi)部EGR和外部EGR。內(nèi)部EGR是相對(duì)于外部EGR而言的，指通過(guò)減小氣門(mén)重疊角或提高排氣背壓等方法來(lái)增加缸內(nèi)的殘余廢氣量來(lái)實(shí)現(xiàn)廢氣再循環(huán)。外部EGR是利用專(zhuān)門(mén)的EGR管道將一部分廢氣引入進(jìn)氣管，使廢氣與新鮮空氣充分混合后再進(jìn)入氣缸以抑制燃燒速率與溫度，從而有效抑制NOx的產(chǎn)生。就EGR閥形式而言又可分為機(jī)械式、電氣式和電控式。其中電控式EGR閥因具有能快速、精確地控制EGR率的特性而最具代表性。如果EGR閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，可能導(dǎo)致廢氣泄露EGR率控制不準(zhǔn)，閥體開(kāi)裂、積碳充斥配合間隙導(dǎo)致EGR閥拆卸困難等。

2 故障現(xiàn)象

某柴油機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行200h EGR系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)運(yùn)行至170h時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)沖缸墊故障。遂對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行拆解分析，在拆解EGR系統(tǒng)時(shí)發(fā)現(xiàn)EGR閥拆卸困難無(wú)法取下，最后暴力拆卸將EGR閥取出，取出時(shí)EGR閥出現(xiàn)斷裂，見(jiàn)圖1。

觀察圖2中EGR閥斷口發(fā)現(xiàn)除了強(qiáng)行拆卸造成的銀灰色斷裂帶（虛線區(qū)域），有一段裂口有碳煙熏黑痕跡（實(shí)線區(qū)域），分析認(rèn)為此處在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)裂縫（未完全裂開(kāi)），尾氣中碳煙熏黑裂口，裂口加速開(kāi)裂導(dǎo)致閥頭變形，閥與閥座卡死，導(dǎo)致EGR閥拆卸困難。

3 原因分析

3.1 斷面電鏡分析

然后采用體視顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)斷口表面形貌進(jìn)行分析，不同放大倍數(shù)下斷口形貌如下圖3～圖10。

根據(jù)電鏡掃描分析，斷面主要形貌為小刻面和韌窩特征，可知斷面組織較為均勻，偶有幾十微米級(jí)別的小孔（可能為氣泡或者晶體析出導(dǎo)致），可排除金屬組織鑄造缺陷造成的開(kāi)裂。

3.2 EGR閥頭結(jié)構(gòu)分析

對(duì)同批次樣件開(kāi)裂處結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂處為尖角（圖11），圖紙要求的R2鑄造圓角未鑄出；同時(shí)發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂方向與尖角呈45°，確認(rèn)為典型的應(yīng)力集中開(kāi)裂；且開(kāi)裂處正處于分模線上（開(kāi)口滑塊與主體模具結(jié)合面），根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分模線位置易出現(xiàn)鑄造瑕疵，比如尖楞、疤痕（圖12）等。

考慮到EGR閥與閥座配合為間隙配合，EGR閥軸向及徑向不受力，推測(cè)開(kāi)裂原因?yàn)椋篍GR閥外側(cè)受閥座冷卻，內(nèi)側(cè)受高溫廢氣加熱，從而形成溫度梯度，尖角處因溫度梯度形成內(nèi)應(yīng)力，最終導(dǎo)致開(kāi)裂。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及驗(yàn)證

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為保證EGR閥正常拆卸，對(duì)EGR閥結(jié)構(gòu)做如下優(yōu)化：①加大鑄造過(guò)渡圓角，從R2增加至R5。經(jīng)CAE模擬計(jì)算，控制邊界條件氣流流速86.4kg/h，氣流溫度550℃， EGR閥座冷卻水套水流量1500L/h，冷卻水溫95℃。計(jì)算結(jié)果（如圖13）：結(jié)構(gòu)優(yōu)化前過(guò)渡圓角處應(yīng)力365MPa超過(guò)了材料330MPa的抗拉特性；結(jié)構(gòu)優(yōu)化后過(guò)渡圓角處應(yīng)力211MPa明顯小于材料的抗拉強(qiáng)度，優(yōu)化措施對(duì)減小尖角處應(yīng)力集中效果明顯；②優(yōu)化滑塊與主體模具結(jié)合面，使分模線更加圓滑，盡量避免鑄造過(guò)程中產(chǎn)生鑄造瑕疵。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后EGR閥特策劃200h高溫耐久試驗(yàn)。試驗(yàn)運(yùn)行工況為某柴油機(jī)轉(zhuǎn)速2750rpm@180N.m，出水溫度控制在80℃±2℃，控制EGR閥前溫度基本維持在540℃左右。試驗(yàn)后結(jié)果見(jiàn)圖14，EGR閥順利取下。通過(guò)拆卸情況來(lái)看，EGR閥狀態(tài)正常，積碳經(jīng)擦拭后可見(jiàn)過(guò)渡圓角處光亮，無(wú)開(kāi)裂、無(wú)鑄造疤痕。

5 結(jié)論

a）通過(guò)對(duì)失效EGR閥頭結(jié)構(gòu)分析、斷面電鏡分析，確定失效EGR閥是因溫度梯度在閥頭尖角處形成內(nèi)應(yīng)力，最終導(dǎo)致開(kāi)裂；

b）通過(guò)對(duì)EGR閥頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的EGR閥順利通過(guò)試驗(yàn)考核，成功解決了EGR閥開(kāi)裂的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

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[2]王麗梅.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與維修等[M].中國(guó)人民大學(xué)出版社，2009（06）第一版.

作者簡(jiǎn)介：仝飛（1989-），學(xué)士，工程師，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)開(kāi)發(fā)工作。endprint