孙泽，祝先标，李自强

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

柴油机EGR可靠性试验方法设计

孙泽，祝先标，李自强

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

EGR系统已广泛应用，因EGR阀功能失常，常导致整车排放及经济性恶化，动力性不足。文章通过分析不同EGR优缺点，结合整车特点合理设计台架试验循环，验证EGR可靠性。

EGR；柴油机；台架试验；可靠性

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-187-03

引言

随着环保和节能减排意识的加强，各国排放法规也日益严格，欧盟和美国已经实行欧六、EPA10法规，而我国也在积极地实施更为严格的排放法规，为达到严格的排放标准，普遍使用各种先进和复杂的机内机外净化技术，其中EGR作为控制柴油机NOx排放的手段已经被广泛采用【1,2】，但是EGR在降低NOx排放的同时EGR系统也存在失效风险，从而导致EGR功能失常，将严重影响发动机排放及经济性，甚至导致发动机无法正常工作【3,4】。

1、EGR系统分析

EGR为Exhaust Gas Recirculation简称，EGR分为内部EGR和外部EGR。外部EGR系统，利用专门的管道将废气引入进气歧管，使废气在进入气缸前与新鲜空气充分混合。EGR系统增加EGR冷却器，用以冷却再循环废气，降低进气温度，控制燃烧温度；再循环的废气量通过电子装置控制，EGR率精确。而外部EGR分为低压EGR和高压EGR，其中高压EGR是目前普遍采用的设计方式，为了保证发动机正常工作和性能不受过多影响，必须根据发动机工况的变化，控制废气再循环量。因排放要求越来越严，EGR在整个发动机MAP中应用范围、频率、EGR率均有所提高，而高压EGR热负荷大，EGR率大碳烟多，EGR变形、结焦、卡滞等失效风险也增大。

根据高压EGR阀的位置，可分三种布置方式：热端布置、暖端布置及冷端布置。

（1）EGR阀热端布置：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阀都要增加冷却水套，以保护EGR阀不被烧蚀。布置紧凑，便于集成式、模块化，EGR阀无结焦风险、EGR响应速度快，但EGR阀承受很高的排温，可靠性有风险。

（2）EGR阀暖端布置：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。EGR阀、冷却器及旁通管路可集成化，EGR阀结焦风险小，EGR阀承受较高排温，受冷热冲击易变形。

（3）EGR阀冷端布置：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。EGR阀位于冷却器后，可用低成本EGR阀，减少烧蚀的风险，但EGR阀有结焦风险，不利于旁通管路的布置，影响低温启动/排放；需保证EGR阀阀前温度不低于90℃，增加了冷却器设计难度。

2、可靠性工况影响因素分析

根据高压EGR阀布置形式和特点，以及市场常见类型故障模式，进行分析研究。影响EGR可靠性主要因素有：

（1）EGR布置形式，根据EGR布置形式优缺点，确认考核重点；

（2）EGR率大，通过EGR阀的气体流量大，碳烟含量高，当排温高时EGR阀温度也随之升高；

（3）发动机FSN和HC分布特点，FSN大和HC大的排放区域，若此时EGR率较高，碳烟量增大；

（4）EGR阀前温度分布特点，EGR阀前温度高，易导致EGR阀变形漏气，EGR阀前温度过低，碳烟（尤其SOF）易附着在EGR阀上，导致EGR阀出现结焦卡滞；

（5）结合整车常用工况点，整车常用工况为怠速、低速低负荷、低速中负荷和中速中负荷，这些工况下，排温低，EGR率大，EGR动作频繁；

因此，为充分验证EGR阀可靠性，需要综合考虑EGR率，排温，HC排放，整车常用工况点，来设计EGR阀考核工况。

3、EGR可靠性工况设计

本次就某款EGR阀暖端布置形式发动机进行试验设计。根据EGR阀暖端布置优缺点，EGR存在两种失效风险，一方面EGR阀在高温废气和常温状态下，受冷热冲击易变形；另一方面当EGR阀长时间在低温区域工作，碳烟易沉积在EGR阀内部，可能出现结焦或卡滞。因此针对暖端布置EGR阀，需要进行变形试验和低温结焦试验。本文主要针对高温变形进行工况设计。

整车常用工况研究，如图1所示，统计常用工况路谱，分析常用车速对应发动机的扭矩及增压器涡轮前温度。在车速120km/h的加速末段，扭矩最大，此时对应发动机工况为2970rpm@200Nm，增压器前温度达到540℃。怠速工况时增压器前温度最低在100℃以内。从120km/h降低到怠速，EGR阀受到高低温气体的冲击。

图1 整车常用工况点分布

图2 EGR阀前温度特性图

表1 EGR高温可靠性试验工况

图3 EGR高温可靠性试验工况

进行发动机万有特性试验，测量EGR阀前温度，得到EGR工作温度MAP图，如图2所示。发动机工况为2970rpm@200Nm时，增压器前温度为540℃，EGR阀前实际温度为400℃。根据统计该车型城市工况占70%，城郊工况30%，按照整车160000km寿命，每运行100km（120km/h运行50min）出现一次高低温计算，循环次数近似为（160000*30%/100）=480次，考虑到DPF再生时增压器前温度上升，为加严考核，将EGR阀前温度调到540℃，工况过渡时间为15s，恶化系数为（540-100）/（400-100）*30/15=2.93。按照怠速（EGR关闭）到最高温度点进行循环试验，循环次数近似为480/2.93=163.8次，综合考虑，试验次数设定为200次，对应试验时长为200h。工况如表1和图3所示。

4、EGR可靠性试验验证

使用此工况在某款2.0L发动机上进行可靠性验证，首次可靠性后EGR出现高温变形，对EGR阀进行加工工艺和结构整改后，重新进行可靠性试验，如图4所示，EGR阀未变形通过此试验验证，确保成熟可靠的产品投入市场。

图4 EGR高温可靠性试验

图5 EGR高温可靠性试验工况变化图

如图5工况变化图所示（截取其中20h），试验过程数据可以确认，试验过程中最高温度控制在520～546℃之间，低温在96～108℃之间，EGR阀受交替的高低温冲击，且工况易实现，可有效完成对EGR高温可靠性的考核。

5、结论

根据EGR的布置形式和整车常用工况等特点，在发动机产品开发过程中，可以设计合理的EGR可靠性试验，及时发现问题并进行整改，考核EGR系统可靠性，有效规避后期市场EGR质量问题，同时介绍了EGR阀可靠性试验的设计方法和理念，为设计EGR系统试验方法提供一定的依据，指导EGR阀设计。

[1] 高亮.柴油机废气再循环( EGR) 技术. 内燃机与配件.2013年第9 期.

[2] 田维.EGR率控制精度对车用增压直喷柴油机性能的影响.西华大学学报（自然科学版）2011年1月.

[3] 钟声.EGR阀积碳故障两例.使用与维修.轻型汽车技术2007（7/8）总239/240.

[4] 陈洪,发动机EGR阀卡滞问题分析研究,机电工程技术.2013年第42卷06期.

Design of Reliability test method for Diesel EGR

Sun Ze, Zhu Xianbiao, Li Ziqiang
( Technical Center, Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

EGR system has been widely used. Because of EGR function abnormal, often leads to the deterioration of the vehicle emissions, economy and power performance. This paper design the bench testing cycle reasonably to verify reliability of EGR through the analysis of advantages and disadvantages of different EGR, combining with the characteristics of the vehicle.

EGR; Diesel; Bench testing; Reliability

U462.1

A

1671-7988 (2017)10-187-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.065

孙泽，(1984-)，硕士学位，工程师，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。主要从事发动机及后处理试验开发工作。