崔凯 王博 罗智波 丁相利 李强 丛日振
摘 要:随着对油耗的关注,汽油发动机使用EGR系统越来越普遍。EGR系统的布置,对EGR系统的性能和可靠性有很大的影响。文章结合冬季试验中,对某发动机EGR压差传感器管路的布置的研究,对压差结冰失效的故障机理、改进措施进行详细的总结,希望对EGR系统的布置及相似设计改进提供借鉴。
关键词:发动机 EGR 传感器 管路 结冰
1 引言
EGR技术在柴油机的应用主要用于氮氧化物(NO2)排放的控制[1],用来提高发动机热效率。随着对油耗的关注,汽油发动机使用EGR系统越来越普遍。
EGR系统作为发动机的重要组件,其本身对可靠性要求非常高。EGR系统的布置形式,对可靠性的影响很大,在发动机系统设计过程中要充分考虑。
本文结合冬季试验时EGR压差传感器管路结冰问题,希望对EGR系统的故障分析、设计布置提供借鉴。
2 EGR系统介绍
EGR是Exhaust Gas Recirculation的缩写,指的是发动机的废气再循环系统。它通过将一部分废气导入进气,使其再度进入燃烧室进行燃烧,从而降低发动机燃烧峰值,达到减少NOx排放的目的。
EGR系统的主要工作机理是,再循环的废气由于具有惰性,将会延缓燃烧过程,也就是说燃烧速度将会放慢,从而导致燃烧室中的压力形成过程放慢,这就是氮氧化合物会减少的主要原因。
EGR系统通常包括EGR阀、EGR冷却器、压差传感器等部件,常见EGR系统布置如图1所示。EGR阀是整个系统的核心部件,它的任务是根据发动机的运行状况,控制再循环的废气量,以减少排放污染。EGR控制单元则根据发动机的运行参数(如转速、负载等)来控制EGR阀的工作,以实现废气的再循环。
在应用中,EGR系统在发动机的不同工况下会采用不同的控制策略。例如在起动工况、怠速状态、暖机过程、大负荷或油门全开等情况下,EGR系统通常会选择不进行EGR或者限制EGR的量,以保证发动机的正常工作和排放水平。通常EGR阀前后压差需要传感器进行采集,作为重要参数用于EGR系统的废气流量计算。
3 EGR压差传感器管路故障分析
3.1 故障模式
高寒验证试验时,某款试验车进行4小时城市工况行驶(车速60~70km/h)后,夜间停车10小时,第二天早上继续行驶时,报EGR 压差传感器通道信号异常。现场检查信号采集,发现压差传感器高压端信号存在异常。压力信号正常时如图2,故障发生时如图3。
3.2 失效原因确认
该试验车EGR压差传感器管路结构及在发动机上的安装位置如图4、5所示。
对高压端压差传感器高压端管路相关零件拆解分析,发现EGR阀上的金属管接头内部结冰堵塞(图6)。连接胶管及压差传感器未见异常(图7)。
清除管接头内结冰后,复装验证,压力信号恢复正常,确认管路金属接头内部结冰堵塞为是本次失效的直接原因。
3.3 失效机理说明
EGR 阀在-5℃以下不工作,保持关闭状态,阀后无排气进入。但压差传感器高压端取气位置在阀前,温度较高的排气经过EGR冷却器后,进入压差传感器高压端管路。压差传感器进气管接头为金属管,布置上在EGR阀上,在整车上的安装位置处于发动机最外侧,并位于车辆的迎风面。在寒区行驶时,金属管接头温度下降比较快,当金属管内的排气温度下降到低于露点,就会形成冷凝水。车速越高,金属管接头温度越低,冷凝现象越明显。同时管接头形状为弯管(如图8),冷凝水容易积累在弯折处。夜间停车后,管内的残留的冷凝水在低温下冻结,堵塞管路,第二天行驶时故障报出。
需要注意的是寒区高速工况也可能触发结冰堵塞故障。根据试验数据采集,车速100~110km/h时,管接头的温度会更低,冷凝水的量会更多,同时部分冷凝水会冻结成冰晶,冰水混合物可能会堵塞管路。通过数据采集(图9)确认,高速工况下,压力信号有时会出现异常。摄像头监测,可发现EGR阀内大量的冷凝水和冰晶,说明此工况下也存在堵塞风险。
4 改进措施与效果验证
4.1 改进措施
根据失效原因分析,从管接头的形状设计、布置位置进行改善。
形状设计上:管接头由弯接头改为直接头,避免冷凝水在弯管处堆积。
布置上:接头位置变更到缸盖上,避免进气管接头温度过低,避免冷凝水大量产生。该机型改进后将接头位置由EGR阀处取气改为缸盖处取气,如图11所示。
4.2 效果验证
改进后进行寒区城市工况、高速工况测试,车辆正常工作,均未发生故障,拆机检查未见异常(如图12),改进措施有效。
5 总结
本文重点剖析了寒区条件下,压差传感器管接头结冰堵塞的故障案例。 通过对失效分析,说明对于EGR系统高温气体流过的管路的布置,应尽量避免产生冷凝水;同时对于可能产生冷凝水的管路,设计上应尽量避免冷凝水局部累积,防止冷凝水冻结堵塞,影响功能。同时应尽量避免将金属管接头布置在迎风面或发动机最外侧,防止金屬管接头局部温度过低,导致产生的冷凝水。
管路的结冰触发工况:
一、寒区城市工况(车速60~70km/h)行驶后,静置4小时后,观察是否冻结堵塞。二、寒区高速行驶过程中的(车速100~110km/h)过程中,观察是否有故障。希望本文为解决相似问题提供帮助。
参考文献:
[1]张韦,舒歌群,曹睿,等.高比率冷EGR与进气富氧对柴油机燃烧及排放特性的影响[J].内燃机工程 2011.32(4):12-16.