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        柴油機(jī)電控EGR閥卡滯失效分析

        2020-12-01 02:48:34樂毅肖連峰
        汽車零部件 2020年11期
        關(guān)鍵詞:發(fā)動機(jī)優(yōu)化

        樂毅,肖連峰

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

        0 引言

        對于降低柴油機(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)過程中多臺車報(bào)EGR閥卡滯故障,拆解電控EGR閥本體,拆開其驅(qū)動腔,發(fā)現(xiàn)驅(qū)動腔內(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)整車停了一段時間后,這部分積水就會結(jié)冰,凍住中心桿,從而導(dǎo)致了EGR閥卡滯。

        圖1 驅(qū)動腔積水故障

        2 原因分析

        2.1 水氣來源分析

        發(fā)動機(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,由齒輪帶動中心桿上下運(yùn)動,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)動件,其在上下運(yùn)動過程中,會不可避免地產(chǎn)生一部分泄漏量,這部分泄漏量會從中心桿向上串,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)動腔內(nèi)部,對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)動腔,所以可以達(dá)到保護(hù)驅(qū)動腔,如圖5所示。另外采用雙密封圈設(shè)計(jì),可以有效防止兩個密封圈銅套出現(xiàn)積碳結(jié)焦。

        圖5 優(yōu)化方案廢氣流動

        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)動阻力會增加,經(jīng)過實(shí)際測試,增加約1.5 N,而EGR閥驅(qū)動機(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)動機(jī)臺架驗(yàn)證標(biāo)定數(shù)據(jù),分別驗(yàn)證了發(fā)動機(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)對比圖

        圖8 空氣量跟隨性對比

        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閥返廠測試性能都合格。拆解EGR閥驅(qū)動腔,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)向套之間有相對上下運(yùn)動,雖然有唇口密封圈密封,但是無法做到完全密封,發(fā)動機(jī)廢氣通過中心桿上竄進(jìn)入驅(qū)動腔內(nèi)部,而發(fā)動機(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(零度以下),驅(qū)動腔內(nèi)部的水蒸氣不斷冷凝成水,最終導(dǎo)致驅(qū)動腔有大量積水,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)動腔,從而可以保護(hù)驅(qū)動腔及電機(jī)。經(jīng)過臺架耐久和整車冬標(biāo)試驗(yàn)驗(yàn)證,未再出現(xiàn)EGR閥結(jié)冰卡滯故障,從而延長了EGR閥的使用壽命,有效規(guī)避了市場風(fēng)險(xiǎn)。

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