柴油机EGR冷却器泄漏问题分析与解决

武献兵

摘 要：某四缸柴油机在试验过程中出现中小符合发动机冒白烟和发动机过热报警现象，试验机拆解后发现冷却液缺少，EGR冷却器存在大量积碳。通过排查分析，发现发动机EGR冷却器冷却效率及发动机配气相位不合理导致发动机未充分燃烧的燃油在EGR冷却器处积碳，积碳中含有的氯离子及硫化物造成冷却器腐蚀泄露。提出更改发动机配气相位，改善发动机燃烧系统及EGR冷却器冷却效率，经试验表明，推迟配气相位可明显改善试验机中低负荷燃烧及排放，降低EGR却器冷却效率可避开未燃烧燃油生成胶状积碳，解决EGR冷却器腐蚀泄露。

关键词：柴油机；积碳；配气相位；冷却效率

中图分类号： TK42 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）10-159-2

0 引言

柴油发动机引入EGR（Exhaust Gas Recycling）技术，降低发动机排出气体中的氮氧化物（NOx）。由于废气的引入，加重柴油机积碳。因发动机积碳，EGR系统、配气系统所有零部件将出现密封不严、发动机启动困难、功率下降、零部件腐蚀、性能下降，甚至功能失效。

1 问题描述

某增压四缸柴油机在试验过程中出现中小符合发动机冒白烟和发动机过热报警现象，同型号其他发动机同样出现类似问题，故障机拆解发现，发动机EGR系统存在大量积碳，且冷却器冷却管出现泄漏，连接管存在点蚀形态。如图1、图2所示。

EGR系统各零部件表面积碳能谱分析（如图3），残留物以S、P、K、Al的氧化物为主，含有少量的Cl。分析产生的原因：一方面残留物主要成分为未燃燃油，初步判定发动机中低负荷工况燃烧不良，发动机未燃烧的燃油形成积碳堆积；另一方面燃油中的S元素燃烧后产生SO2和SO3及油气中或水质引入的Cl-均具有极强的侵蚀能力。

2 问题分析排查

2.1 EGR冷却器管路腐蚀分析

在理想燃烧条件下，柴油机燃烧产物中成分是CO2、H20、N2和O2，这些成分是无害的。但是实际燃烧过程受到柴油品质与雾化质量、燃烧室内换气条件等因素，柴油机燃烧产物中除上述成分外，还会含有CO、HC、NOx及碳烟等有害成分。腐蚀样品腐蚀区域做点蚀能谱分析：含有S、P、Na、K、Ca等异常元素。

2.2 配气机构

气门间隙和配气相位是决定气缸能否“排尽吸足”的关键因素，对柴油机动力性、经济型和排放特性影响较大。研究表明配气相位中以近期关闭角迪欧充气效率的影响最大，进气关闭角增大，发动机充气系数增大；而排气关闭角增大，排气损失减小，缸内残余飞起系数减小；排气开启角减小，增加了缸内的燃烧时间使缸内燃烧更加充分。

如果发动机配气相位不合理，可导致发动机中低速进气效果差，缸内残余废气多，排气倒流等问题；低速燃烧不充分，会造成未燃烧的燃油在排气及EGR系统形成积碳。对比国外先进发动机配气相位的设计，原机存在进气门开启角靠前，排气门关闭角靠后的问题（如图4所示）。

2.3 EGR冷却器冷却效率

在石油中胶质、沥青质是很大一类物质。胶质是一种很粘稠的流体或半固体状态的胶状物，胶质具有很强的着色能力。胶质受热氧化时，可以转化为沥青质，进而生成不溶于油的油胶质。通过对EGR系统管路温度测试表明，管路温度控制较低（65℃-90℃），容易产生胶粘度较大的胶状积碳。

3 试验验证

为了改进发动机配气相位及EGR系统冷却效果，结合CAE计算分析，选取改进优化后方案，做改善充气效率、缸内残余废气量以及排气倒流方面分析，选取最优方案二验证。

3.1 配气相位对燃烧、性能、排放的影响

与原发动机配气相位相比，方案一和方案二的近氣开启角减小至11°，但对于增压柴油机（发动机燃烧始终处于富氧燃烧）影响不大；进气关闭角增大到61°，根据前文分析影响充气效率的主要因素是进气关闭角，进气关闭角增大可提高发动机充气系数，较原机相比，方案一和方案二的排气关闭角有所增大。研究表明，排气关闭角增大，会减少排气损失，使缸内残余废气量减少；此外，减小排气开启角，燃气在缸内停留时间增加，可燃混合气体燃烧时间延长，燃烧更加充分。

3.2 EGR冷却器对废气温度的影响

发动机高温废气不加以冷却，直接回流将加热进气，导致缸内燃烧温度和压力的大幅度升高，抵消了EGR降低NOX的作用；但废气过量冷却，将导致废气出现积碳等问题。经研究试验表明，同型号冷却器采用24根管、12节距波纹冷却管，可控制EGR废气在120°-180°度之内（如图5所示） ，达到控制排放的平衡点。

3.3 试验验证

按照优化方案二试制加工凸轮轴搭配优化后EGR系统，经外特性试验验证，发动机与原机功率、扭矩相当，中低速烟度稍有下降。

经200H冷热冲击试验后拆解确认（如图6所示），发动机EGR系统积碳有明显改善，不存在点蚀问题。说明优化配气相位及改善EGR冷却效率对改善发动机燃烧及积碳问题有明显的作用，验证了优化措施的有效性。

4 结论

通过优化发动机配气相位、改善EGR系统冷却效率，改善了发动机燃烧不良及EGR冷却器点蚀问题，研究表明，发动机配气相位优化（改善燃烧不良）及EGR系统冷却效率改善（理想状态把废气温度控制在120℃-180℃之内）对发动机积碳及排气、EGR系统零部件腐蚀问题，有着非常重要的意义。

参 考 文 献

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