柴油机电控EGR可靠性试验方法研究

（安徽江淮汽车集团股份有限公司,合肥 230601）

0 引言

国六排放标准《GB 17691—2018重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》新增排放质保期规定，与发动机排放相关零部件，在质保期内该零部件排放系统失效或排放超标，制造商要承担相应的责任，如N2类车辆排放质保期必须满足5年16万公里[1]。

电控EGR为国六柴油机标配零部件，需满足法规质保期规定，作为降低NOx排放的有效措施之一，废气再循环技术的应用日趋广泛，由于其工作环境原因，其市场故障率较传统零部件故障率明显偏高。如何确认产品开发阶段EGR系统标定策略合理性，即在保证排放达标同时能否保证在质保期内可靠性是本文研究的重点。

1 柴油机电控EGR系统分析

图1 电控EGR阀工作原理图

电控EGR系统由ECU、步进电机执行器、带回复弹簧的EGR阀以及各种传感器等组成，如图1所示。新产品开发标定阶段，综合排放结果、冷启动等多方因素得到各工况下的EGR阀位置MAP图存入ECU。在发动机运行时，由ECU根据发动机的转速、负荷基本信号及温度等修正信号计算出符合当时工况所对应的EGR阀位置，再换算成对应于步进电机的控制脉冲数，控制脉冲经功率放大后驱动步进电机运行，以精确控制EGR阀的位置。EGR阀的实际位置由安装在其上的位置传感器反馈给ECU，用于修正控制值和位置监控[2]。

1.1 电控EGR布置分类

根据EGR阀的安装位置，柴油机电控EGR可分三种布置方式：热端布置、暖端布置及冷端布置。

1.1.1 EGR阀热端布置

热端布置是指自排气歧管取气后首先进入EGR阀，然后再进入EGR冷却器，由于EGR阀要承受很高的排温，所以热端布置的EGR阀要增加冷却水套，保护EGR阀不被烧蚀。优点是布置紧凑、无结焦风险、响应快；缺点是EGR阀承受很高排温，可靠性风险低。由于国六柴油机排温升高、EGR阀在外特性区域也会开启，此种结构基本在国六机型中不再应用。

1.1.2 EGR阀冷端布置

冷端布置是指EGR阀布置在EGR冷却器之后，废气首先EGR冷却器的冷却，再进入EGR阀。经过冷却后的废气温度一般处于90℃～260℃之间，EGR阀可以承受该温度区间，所以冷端布置的EGR阀不采取耐热保护措施。优点是成本低，无烧蚀风险，缺点是易结焦，影响低温冷启动排放。

1.1.3 EGR阀暖端布置

暖端布置是指自废气首先进入缸盖中的废气通道，经过缸盖的预冷之后再进入EGR阀的控制，EGR冷却器（旁通管道）位于EGR阀之后。为国六柴油机主流布置方式，兼顾热段和冷段布置优点，本文重点对暖端布置EGR系统进行可靠性试验研究[3]。

2 电控EGR市场故障分析

本文统计了两款已上市柴油机产品电控EGR市场故障信息，EGR均为暖端布置方式，共收集市场故障信息1 567条（如表1所示）。对市场故障数据进行分析表明EGR系统故障表现主要为EGR阀卡滞和位置偏差超限值，EGR阀本身机械故障导致的故障报码，和EGR标定策略有很强关联性。

表1 柴油机EGR市场故障统计

2.1 典型故障原因分析

EGR为整车OBD监控零部件之一，法规要求必须对排放结果产生影响的故障均需以亮故障灯的形式进行显示并存储相应的故障码，让车主第一时间发现故障并进行维修。如前文所述引起报码故障主要为EGR阀卡滞和位置偏差超限值，EGR阀本身机械故障等。对上述故障，结合EGR工作环境、工作原理和标定策略进行分析，分析导致问题产生所有原因，在新产品开发阶段，进行确认和规避，如表2所示。由于EGR卡滞为主要故障占比为41.2%，下文重点对电控EGR阀卡滞问题进行详细分析和试验验证方案的研究[4]。

表2 EGR市场故障原因分析

2.2 EGR阀卡滞分析

所谓卡滞就是阀门与阀座之间产生的积碳改变了枢轴的位置，造成了枢轴位置传感器电阻值的变化，EGR阀无法达到MAP需求开度位置。EGR阀卡滞的主要原因是EGR阀堆积物过多，发动机的堆积物主要是由于高浓度的烟度、未燃的HC、排气温度过低三种原因造成。

对495例EGR阀卡滞故障进行里程分布分析，如图2所示，其故障发生里程多集中在2万公里到10万公里，表明EGR卡滞故障并不是初期故障，而是行驶一定时间后才发生。同时也表明此两款发动机的EGR无法满足质保期规定，若依据国六排放法规，主机厂需要支付高额的费用用于EGR故障解决，主机厂需要优化EGR系统标定策略或结构，降低EGR阀积碳卡滞的风险。

图2 EGR阀卡滞故障发生里程分布

3 EGR阀卡滞耐久试验工况研究

本次就某款EGR系统暖端布置的3.0LCTI国6b柴油机进行可靠性试验研究，发动机参数如表3，根据上述分析暖端布置EGR阀故障模式，以EGR阀卡滞居多，EGR阀卡滞主要原因为EGR阀长时间在低温区域工作，废气碳烟颗粒易沉积在EGR阀内部，随着时间增长，可能出现结焦和卡滞。本文主要针对EGR阀积碳卡滞问题进行试验研究，旨在寻求能够模拟整车实际使用工况下EGR阀卡滞加速验证试验工况。

表3 某柴油机主要技术参数

影响EGR阀和冷却器积碳结焦主要因素为烟颗大小和进入EGR阀废气温度。烟度越大EGR阀及其冷却器也越容易积碳，废气温度受发动机冷却液温度影响，冷却液温度越低越容易积碳结焦。因此试验工况冷却液温度设定综合考虑冬季低温环境影响，最优方案为以整车冬季标定路普采集水温为准。

3.1 试验工况制定

烟度工况选择兼顾整车实际使用工况，可以参照重型车国六排放法规规定稳态WHSC和瞬态WHTC工况。

整个试验验证工况分两阶段：稳态工况+瞬态工况。

（1）第一阶段采用稳态试验工况，模拟发动机在低温环境下连续在烟度较大工况点运行，验证EGR阀和冷却器积碳结焦情况。为真实模拟实际使用工况，不同转速下烟度较大工况点，同时增加停机工况确保EGR阀可以实现断电自清洁和自学习功能。持续运转一定时间后，需要设置长时间停机工况，确保积碳有充足时间冷凝至EGR阀和冷却器中。

试验前需要对充分磨合发动机进行万有特性裸排烟度进行测试，并同步几率EGR阀开度。发动机冷却液出口温度设定，建议参照冬季标定整车实际采集的路普数据。

根据发动机初始烟度MAP，从低到高依次选择1 000 rpm、

1 200 rpm、1 400 rpm、1 500 rpm、1 600 rpm和1 800 rpm转速下烟度最大点。发动机出水温度参照整车冬季标定路普采集出水温度，出水温度设定在65±2℃。具体试验循环工况如图3所示，试验中每个小循环运转30 min，每个小循环停机3次用于EGR阀自学习和清洁。

图3 EGR阀卡滞稳态试验工况

（2）第二阶段采用WHTC瞬态排放测试工况，模拟整车实际排放循环EGR不停动作下阀工作可靠性，发动机出水温度参照整车冬季标定路普采集出水温度，出水温度65±2℃。

图4 EGR阀卡滞稳态试验工况

总的试验验证工况如表4所示，稳态工况+瞬态工况定义为1个小循环，时间为1 h，连续运转20个小循环后，停机4 h，模拟实际使用中停机冷凝积碳工况。重复此大循环30次，累计运转小循环600次，每个小循环4次起停，共计起停2 400次，运转时间600 h。鉴于此款发动机匹配轻卡，主要用途为载货，基于市场实际使用经验，定义每一个停机起动循环为70 km。600 h等效整车实际里程为16.8万公里。

表4 EGR阀卡滞可靠性试验循环

4 试验验证结果分析

按照上述试验验证工况，选取1台3.0LCTI柴油机进行试验验证，发动机完成600小时EGR卡滞可靠性试验，具体验证结果如下。

排放：试验前后样机排放测试结果如下表，原排满足工程目标要求，尾排满足国六排放法规要求，试验前后原排、尾排基本无劣化。

表5 可靠性试验前后排放测试结果对比

EGR阀：试验前后实际新鲜进气量基本一致，见图5。试验过程EGR阀动作正常无卡滞，无卡滞报错故障。自学习偏差在标定偏差范围内，无自学习报错故障，见图6。阀片积碳正常，无变形，阀座有少量干燥积碳，未发现有潮湿结焦积碳存在，见图7。

图5 试验前后WHSC循环新鲜进气量变化曲线图

图6 试验过程中自学习偏差变化曲线

EGR冷却器：试验前后冷却器前后温差差异较小，冷却能力无劣化。EGR冷却器内为干积碳，积碳量少，没有结焦堵塞冷却器孔风险。

图7 耐久试验后EGR阀及冷却器积碳

5 结论

结合市场故障信息，发现EGR系统故障失效模式，同时结合国六排放法规，在产品设计开发阶段，设计合理的试验验证工况，对EGR系统可靠性进行充分验证，提前识别设计和标定风险，确保排放相关零部件在质保期内可靠性，可以有效降低后期主机厂市场维护成本。对于其它排放质保件可以同样参照此论文试验工况研究流程，结合市场故障，进行可靠性试验研究。