发动机EGR阀卡滞问题分析研究

陈 洪

（广州市地下铁道总公司，广东广州 511431）

0 引言

地铁工程车辆是为地铁线网设施的维护保养而设计制造的轨道车辆。目前此类车辆均采用内燃发动机动力系统，由于此类车辆长期在地铁隧道中运行，该车发动机的尾气排放必须要有严格的要求，以免因隧道环境的不通透而造成乘客吸入尾气，给人的身体健康带来伤害。目前，地铁采购的工程车辆所搭载的发动机，一般都采用了延迟喷油定时的设计，即减少空气与油的接触时间和良好的燃烧室冷却来减少氧与氮的高温反应所生成的氮氧化合物（遇到水形成硝酸和亚硝酸）；但这样的设计在燃烧过程中燃料就很难完全燃烧，会产生大量的烟炱（小于0.5微米的碳）。为了提高燃油的经济性和减少PM颗粒的排放，就有了废气循环系统EGR，把一部分废气压入燃烧室再燃烧，从而提高燃油的经济性并使排放达标[1]。但是在该系统运行了一段时间后，发现该EGR系统频繁故障报警，经过对EGR 阀的拆卸检查发现，阀体积碳较为严重，且有直径约10 mm 的不规则颗粒卡滞在EGR阀的阀体上。

1 EGR系统的工作原理

EGR 阀固定在发动机排气歧管和进气歧管之间。涡轮增压器的活动叶片在排气罩之内。这些叶片通过电子控制，直接排气到EGR。排气通过冷却液-空气冷却器冷却。发动机控制单元（ECU）依据发动机的负荷要求，控制着要与进气混合供燃烧的排气量。在全负荷条件下，有10%～12%供燃烧的进气是再次循环利用的排气。通过再次循环利用冷却排气获得的额外空气量使发动机以更高的推进压力运转。这使燃油输送增加，并且增加发动机的功率输出，排放到大气中的有害气体也减少了[2]。

图1 EGR系统原理框图

2 EGR阀卡滞

在该发动机使用初期，EGR 系统运行情况良好，但发动机运行至1 000小时左右，EGR系统经常发生故障报警，经拆卸EGR阀发现，阀体积碳较为严重，且有直径约10 mm 的不规则颗粒卡滞在EGR阀的阀体上。如图2所示。

图2 受卡滞的EGR阀体

经对该不规则卡滞颗粒进行X 射线荧光光谱分析，检查出该颗粒的成分如表1所示。

表1 卡滞物光谱分析表

从表1 中可以看出，该不规则卡滞颗粒的主要组成成分为Fe2O3和C，分别达到了79%和9.73%，因此对该Fe2O3的来源进行分析，便能清楚地认识到EGR阀卡滞的根本原因。

3 Fe2O3的来源分析

通过拆卸发动机的进气歧管，发现该歧管内壁受到了较严重的腐蚀，且有较多的块状物能够较容易的脱落，脱落下来的块状物如图3所示。

图3 脱落的块状物

经X 射线荧光光谱分析，该块状物的成分与前面卡滞在EGR阀中的不规则颗粒成分一样。由此可以确定，不规则颗粒是排气歧管内壁受腐蚀而脱落产生的。

4 Fe2O3产生原因分析

4.1 燃烧废气经过冷却器过度降温析出水

根据物理知识可以知道，气体在温度降低至100 ℃以下时会有水析出，经检测发动机正常运行过程中发动机排气歧管处的排气温度约400 ℃，而发动机排放的废气经过废气冷却器后的温度约70 ℃，故燃烧废气经过冷却器后析出了水分。

4.2 废气进气歧管受腐蚀产生金属氧化物

生成的水与冷却的废气致使管道内壁发生了化学反应。

（1）铁和废气中因冷却而吸出的水分发生化学反应：

（2）产生的氢氧化铁与燃烧废气中少量的氧气反应：

最终产生了氧化铁[3]。

通过以上的分析可以确定，过度冷却的燃烧废气致使废气进气歧管内壁腐蚀脱落是导致EGR阀卡滞的原因所在。

5 整改措施

减少废气通过冷却器的冷却距离，提高经过冷却器后的废气温度，并保证冷却后的废气温度控制在100 ℃至110 ℃之间（冷却温度过高会提高发动机的总体进气温度，影响发动机功率）。对整改后的发动机进行耐久试验，试验后的EGR阀及进气歧管状态如图3 所示。耐久试验后发动机EGR阀状态正常，详见图4。

同时，发动机在各种负载情况下运行，其工况良好，输出功率正常。

图4 EGR阀正常

6 结论

本文通过对带EGR 系统的发动机所产生的EGR 阀卡滞故障的分析研究，得出因EGR 废气的过度冷却造成管路内壁受腐蚀，产生氧化铁，卡滞EGR阀的正常运行。最终通过调节EGR废气冷却器的冷却温度，并进行耐久试验，解决了EGR阀卡滞问题。

［1］张翠平，王铁.内燃机排放与控制：第一版［M］.北京：机械工业出版社，2012.

［2］约翰迪尔动力系统.柴油发动机技术手册［Z］.2009.

［3］龚敏.金属腐蚀理论及腐蚀控制：第一版［M］.北京：化学工业出版社，2009.